简要信息

【获奖类型】应用二等奖
【任务来源】水利部科技创新指导性计划
【课题编号】岩-020350
【课题起止时间】2003年～2006年
【完成单位】岩土所
【主要完成人】徐泽平、邵  宇、陈  宁、赵剑明、侯瑜京、刘  杰、邓  刚

    立项背景

    新疆恰甫其海水利枢纽工程位于新疆伊犁境内的特克斯河中、下游河段，是特克斯河流域规划中最大的控制工程。恰甫其海工程大坝为土质心墙堆石坝，设计坝高105m。坝址区地震基本烈度为8度，大坝设防烈度为9度，100年超越概率2%，地震基岩峰值加速度为450gal。坝体的心墙土料为风积黄土，粘粒含量低，抗冲蚀能力差，其土料性质与常规的黄土有一定的差别。对于在如此高烈度的地震区修建高达100m级的土石坝，国内外尚无工程经验，有许多疑难问题亟待研究。特别是坝壳-心墙系统在施工期、运行期及遭遇地震情况下的工作性状（包括：坝体的应力、变形分布规律、坝壳对心墙的拱效应和心墙发生水力劈裂的可能性、地基土地震液化破坏、地震残余变形、心墙水力劈裂以及坝壳与心墙之间变形协调等）均为工程设计、施工中面临的关键技术问题。

    本项目研究在以往科研攻关取得的成果基础上，通过室内试验、现场试验、数值计算分析和大型离心模型试验等多方面的综合科研，深入地研究了高烈度地震区风积黄土心墙堆石坝的筑坝关键技术。

    研究内容

    主要研究内容包括：

    （1）筑坝材料静、动力特性的室内试验研究
    通过对筑坝材料在高围压、复杂应力条件下的室内静、动力试验，研究筑坝材料静、动力工程特性，及其对坝体安全性的影响。

    （2）心墙材料和反滤料的渗透特性研究

    通过对心墙土料、反滤料、过渡料的室内渗透试验，研究防渗土料和反滤材料的渗透特性，为坝体反滤层和过渡层的设计提供依据。

    （3）防渗土料的分散性研究

    通过针孔抗冲蚀试验、颗粒分析双比重计试验、土块试验和孔隙水阳离子试验，对防渗土料的分散性进行分析、鉴定。为上坝心墙土料的确定提供依据。

    （4）坝体三维静动力计算分析研究

    采用数值计算分析的方法，研究坝体在施工期和蓄水运行期的应力、变形分布；对坝体的材料分区进行优化；分析坝壳对心墙的拱效应，并对心墙是否发生水力劈裂进行判断。采用三维非线性有效应力动力有限元法对大坝进行地震反应分析，分析研究坝体在遭遇地震的情况下孔压的产生、积累、增长和消散的过程；计算坝体在地震荷载下的永久变形和坝体的抗震安全性，以及相应的抗震安全措施的有效性。

    （5）坝体现场监测和材料参数的反演分析研究

    在室内材料试验的基础上，根据现场监测资料，同时结合有限元反分析技术，对坝料的工程力学特性和计算模型参数进行修正，为坝体和地基的静、动力有限元的进一步计算分析提供依据。

    （6）大型土工离心模型试验研究

    通过坝体的大型土工离心模拟试验，分析研究坝体在施工期、运行期心墙、坝壳等各部位的沉降变形以及坝体的稳定情况，并对计算分析的结果进行对比、验证。

    （7）大坝设计优化及施工方法研究

    在上述材料试验和数值计算分析的基础上，对坝体的设计方案和枢纽布置进行优化。同时，研究适应风积黄土特性的施工填筑方法。

    创新点

    主要创新点包括：

    （1）对风积黄土的工程特性进行了深入细致的研究，综合论证了风积黄土在高地震烈度区筑坝的可行性和相关技术问题；

    （2）开发、完善了一套针对高地震烈度区心墙堆石坝的地震反应分析与评价的理论及方法；

    （3）成功地完成了高心墙堆石坝的蓄水期离心模型试验；

    （4）基于坝体应力变形与渗流耦合作用的参数反演分析，预测了坝体应力变形状况。
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    应用前景及社会经济效益

    本项目的研究成果全部应用于新疆恰甫其海水利枢纽工程。项目的研究紧密结合工程实际，深入研究了风积黄土的工程特性和高地震烈度区土石坝的动力反应特征及其相应的抗震措施。针对恰甫其海工程所面临的技术问题，从筑坝材料工程特性、数值计算分析、物理模型试验、监测数据反馈分析等方面进行了全面的研究，并在此基础上对工程的枢纽布置和大坝的设计进行了优化，解决了恰甫其海工程所面临的技术难题，确保了工程项目的顺利实施。

    本项目科研成果的应用，确定了心墙堆石坝的设计方案，与原面板堆石坝方案相比，节约工程投资4000余万元。

    恰甫其海水利枢纽工程是特克斯河干流规划的控制性工程，其开发任务以灌溉为主，兼有发电、防洪等综合利用效益。工程建成后，可为下游523万亩灌区提供水源保证，提高伊犁河水资源开发利用率；水电站装机320MW，在伊犁地区电网中承担系统调峰、调频和事故备用任务；通过水库调洪提高特克斯河及伊犁河干流的防洪标准。该工程的建设，对促进当地经济和社会发展、加快民族团结和保持边疆稳定，均具有重要作用。

    本项目的研究成果 为我国西北地区采用风积黄土筑高土石坝和高地震烈度区修建土石坝提供了可资借鉴依据，并积累了工程经验，对推动本行业的科技进步将起到重要作用。