（水工结构工程专业论文）平原水库围堤病害机理研究及水库病害信息化管理.pdf

平原水库围堤病害机理研究 及水库病害信息化管理 t h es t u d yo nr e s e r v o i rd i s e a s e si np l a i n a r e aa n dm a n a g e m e n to ft h e r e s e r v o i rd i s e a s e si n f o r m a t i o n i z a t i o n 学科专业：丞工结塑王程 研究生：蹇鲎胜 指导教师：韭社苤麴握 天津大学建筑工程学院 二零零八年五月 中文摘要 我国拥有水库八万多座，总库容达到6 0 0 0 亿立方米，在防洪、发电、供水、 灌溉等方面产生了巨大效益。然而，我国水库病害问题十分严重，4 0 以上的水 库都存在不同程度的病险情况，严重影响了水库功能效益的发挥和社会经济的进 一步发展，甚至危害到人民群众的生命财产安全。研究表明，病险水库出现的主 要原因一方面是因为围堤自身的病害问题，另一方面则是由于水库后期的管理不 善，对围堤潜在的病害情况认识不够造成的。因此，探明水库病害产生的机理并 加强针对水库病害的管理工作，对于已建和未建的水库工程都是很有意义的。 本文以北大港水库为依托，针对水库围堤的病害问题，采用数值分析的方法 对围堤病害( 主要是沉陷和裂缝) 形成的机理进行了一些初步探讨，通过对围堤 在考虑固结作用下填筑施工进行的数值模拟，总结出导致北大港水库沉陷和裂缝 发生的一些主要因素，并得出了平原水库围堤病害的一般性结论，对病险水库的 除险加固和今后水库的设计施工起到一定的借鉴作用。同时，采用地理信息技术， 根据大港地区的地理高程信息，建立北大港水库周边地区的三维地形模型；针对 多种病害问题建立北大港水库围堤的信息模型，实现了水库模型的三维可视化和 针对不同围堤病害情况的多种信息查询，最终实现了针对水库围堤病害的信息化 管理。 关键词：病险水库固结沉陷围堤裂缝有限元信息化管理 a b s t r a c t t h e r ea r em o r et h a n8 0 ，0 0 0r e s e r v o i r si nc h i n a ，w i t ht h et o t a lc a p a c i t yr e a c h i n g 6 0 0b i l l i o nc u b i cm e t e r s t h er e s e r v o i r sh a v em a d es i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n si nf l o o d c o n t r o l i n g ，p o w e rg e n e r a t i o n ，w a t e rs u p p l y ，i r r i g a t i o n ，e t c h o w e v e r 。l o t so fr e s e r v o i r s h a v ev e r yp o o rc o n d i t i o n s ，m o r et h a n4 0p e r c e n to ft h e ma r ei nr i s k w h i c hm a k ea d i s c o u n to f f t h eg r e a tb e n e f i ta n df u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y ，e v e nm o r e t h e r i s k yr e s e r v o i r st h r e a t e nt h el i v e so ft h el o c a lp e o p l e s t u d i e ss h o wt h a tt h e r ea r et w o r e a s o n sf o rt h i ss i t u a t i o n ，t h ed i s e a s e so fe m b a n k m e n t s a n dm i s m a n a g e m e n t t h e r e f o r e ， i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et h a ts t u d y i n go ft h e s ed i s e a s e sa n d i m p r o v em a n a g e m e n ti n r e s e r v o i r s ，w h e t h e ra l r e a d yi ne x i s t e n c eo rn o t i n t h i sp a p e r ，t a k i n gb e i d a g a n gr e s e r v o i r sa sa b a c k i n g ，p r o b ei n t ot h er e a s o no f t h e s ed i s e a s e s ( s e t t l e m e n ta n d c r a c k s ，e s p e c i a l l y ) b yn u m e r i c a lm e t h o d t a k i n g c o n s o l i d a t i o ni n t oa c c o u n t ，s i m u l a t et h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o no ft h ee m b a n k m e n t s a n dd r a ws o m ec o n c l u s i o n sf o rt h er e a s o n so fd i s e a s e so fb e i d a g a n gr e s e r v o i ra n d r e s e r v o i r si np l a i na r e ai ng e n e r a l ，w h i c hm a k es o m er e f e r e n c e st ob o t hr e i n f o r c e m e n t o ft 1 1 er i s k yr e s e r v o i r sa n df u r t h e rb u i l d i n go fr e s e r v o i r s i nt h ef u t u r e a tt h es 锄e t i m e ，e s t a b l i s ht h et h r e e - d i m e n s i o n a ll a n d f o r ma n di n f o r m a t i o n b a s e d m o d e lo f b e i d a g a n gr e s e r v o i r , a c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so fd i s e a s e s ，b ym e a n so fg e o g r a p h v i n f o r m a t i o ns y s t e m t h e nm a k et h eh y p o t h e t i c a l m o d e lt h r e e d i m e n s i o n a l t h e i n f o r m a t i o no ft h ed i s e a s e sa c c e s s i b l e ，a n da tl a s t ，b a s et h em a n a g e m e n ti nr e s e o i r s o ni n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：i l l c o n d i t i o n e dr e s e r v o i r , c o n s o l i d a t i o n ，c r a c ki nt h ee m b a n k m e n t s t h ef i n i t ee l e m e n t ，m a n a g e m e n to fi n f o r m a t i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另1 l j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黼窀譬 签字日期：。8 年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤奎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多跫l 转瞎易 导师签名： 签字日期：如d8 年6 月：弓e l 签字月期卅年0 月j r 同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题目的及研究意义 第一章绪论 1 1 1 平原水库病害研究意义 中国现有水库近8 6 万座，其中大型水库4 4 5 座，中型水库2 7 8 2 座，小型 水库8 2 万余座。水库总库容约6 0 0 0 亿立方米，城市供水约2 0 0 亿立方米，灌 溉耕地约2 4 亿亩，水电装机达l 亿千瓦，占电力总装机容量的2 5 ，在防洪、 发电、供水、灌溉等方面产生了巨大效益，为中国经济社会的可持续发展做出了 重要贡献。然而，我国的水库大多建于2 0 世纪5 0 7 0 年代，由于对勘测设计以 及施工质量重视程度不够，“三边”工程( 边勘察、边设计、边施工) 显著，许 多工程“先天不足，工程标准偏低、质量较差，且随着工程的逐年老化，致使 许多水库的病险率较高，安全问题十分突出，每年汛期水库出险、溃坝事故时有 发生i l j 。1 9 9 9 年全国病险库除险加固专项规划调查显示，全国共有3 0 4 1 3 座病险水库，被列入近期除险加固的大中型水库有1 3 6 4 座，另外有2 万多座水 库需要除险加固，整治工作非常庞大。在2 0 0 7 年的中国病险水库现状调查 中指出，我国的病险水库在所有水库中所占比例达到4 0 之多，许多水库功能退 化，“守着水库没水吃，守着水库怕来水”等问题大量存在。此外，新的水库工 程又接连不断。根据日前国家发改委批复的由水利部编制的全国中型水库建设规 划，我国将在未来5 年时间里建设2 6 1 座中型水库。因此，针对病险水库工程的 整治工作迫在眉睫，进而在整治工程中吸取经验教训，为今后的水库工程所借鉴。 自1 9 9 1 年以来，全国共发生2 3 5 座水库垮坝事件。从垮坝原因看，1 4 7 座 是因发生超标准洪水导致水库漫坝失事( 6 3 ) ；7 1 座是因工程质量差、抢险不 力造成垮坝失事( 3 0 ) 【2 j 。以上分析表明，在水库实际功能发生改变的情况下， 病险水库整治工程的不到位是造成垮坝事件的重要原因。病险水库整治工程的正 确实施，必须依赖对水库病险原因和诱发机理的正确探究。因此，对于病险水库 的整治工程而言，明确水库病害的诱发机理并在此基础上采取相应的工程措施是 最根本的有效途径。 对于平原水库来说，引起库容减小，蓄水能力萎缩，渗漏以致发生坍塌的主 要病害问题不外乎两个，即水库围堤的沉陷以及裂缝。然而长期以来对这些方面 的研究，尚且存在很多问题。在围堤沉陷方面，目前大都采用数值模拟的方法， 考虑固结影响，基于t e r z a g h i 固结模型而进行计算分析。然而随着现代土体试验 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的发展以及对散粒体结构的深入探讨，传统计算的理论方法以及本构模型渐渐显 出了与实际情况不符的一些方面。而在围堤裂缝的机理研究方面，对于是否发生 裂缝的问题，至今仍没有明确的判别标准，使得裂缝的研究只能停留在纸上谈兵 的阶段，不能得出令人信服的结论，同时也让更深入的研究工作陷入瓶颈。 平原水库的病害主要就是围堤的病害，因此对于病害机理的探讨，必须要建 立在比较真实合理的数值分析的基础之上。在实际功能、外部环境、工程质量都 发生改变的复杂条件下，平原水库病害产生是多种因素相互作用的结果，对其机 理的探讨必须兼顾各个方面才能得出正确结论，其相应的工程措施才具有针对 性、有效性。 1 1 2 水库病害信息化管理的必要性 一个水库的生命周期是很长的，而它的建设期只占了很小一部分，剩下的时 间都需要靠有效妥当的管理来实现水库自身的功能。然而长期以来，我国的水库 管理工作严重不足1 3 j ：没有完善的水库信息库，管理层不能够直接有效的把握水 库整体而全面的运行状况；水文、气象信息技术滞后，不能及时更新，使得不同 管理部门之间形成信息孤岛，无效管理增多；洪水预警机制严重不足，不能及时 预测水库的非常运行状况；缺乏辅助决策信息，造成关键时刻操作失当，抢险不 力等等。这些因素或直接导致了水库垮坝事故的发生，或造成了围堤病害情况的 加剧。 此外，随着国民经济的发展，水库管理工作的理念和任务也发生了变化【4 】o 传统的水库管理是以兴利除害、防洪度汛、供水发电为主，回顾过去有其客观发 展的必然性，然而面对现实也有严重的不足，例如不重视资源管理，造成各类资 源的浪费以及生态恶化等，已不能满足社会发展的需要。随着计算机技术的发展， 应该迫切改变我国水库的管理现状，更新理念，改变模式，使水库管理工作信息 化，智能化，让水库发挥出真正的作用。 病险水库的大量存在绝非偶染现象。对于存在工程质量问题的平原地区的病 险水库而言，有几个共同的特点值得关注，一是水库建成时间较早，受当时设计、 旌工条件的限制，普遍存在工程建成后满足不了设计要求，进而造成潜在危害的 现象：二是水库运行时间较长，随着外部环境条件和工程自身质量的改变，造成 水库功能的萎缩f 5 】。除去这些客观原因外，还有一个重要的共同点就是水库建成 后的运营管理缺乏科学的调度和及时的修缮【6 】，特别是由于缺乏水库病害的信息 库，使管理者对于水库中已有病害和潜在病害认识不足，在调度、防洪等措施中 忽视围堤自身病害的存在，使得水库潜在病害情况不断加剧，最终变为病险水库。 由此可见，我国水库病害之严重，一方面是由于设计不合理，施工质量不过关， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 另一方面则是由于管理落后，信息化严重不足造成的。在现存的平原地区病险水 库实例中，几乎全都存在管理运营不善的问题，也说明管理工作对于水库的重要 性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 围堤病害研究成果 平原水库的主要病险问题，即围堤的沉降以及裂缝与多种因素都有关。针对 这些水库病险问题普遍存在的共性，国内外研究人员做了一定程度的探讨。 在围堤( 路堤) 的沉降研究方面，t e r z a g h i 最先提出了饱和土体的一维固结 理论，奠定了近代土力学的基础【7 j 。针对均质饱和土，他采用了线弹性的应力应 变关系和d a r c y 定律，并假设土体的渗透系数与体积压缩系数在固结过程中保持 不变，并得出了固结计算方程。到了2 0 世纪6 0 年代，开始了一维非线性固结理 论的研究。l o ( 1 9 6 0 ) 在研究过程中尝试着考虑固结系数的变化【引。r i c h a r t ( 1 9 5 7 ) 采用有限差分方法求解固结方程时考虑了孔隙比的改变1 9 】。s c h i f f m a n ( 1 9 5 8 ) 贝t j 在 研究中考虑了渗透系数的非线性变化【l0 1 。h a n s b o ( 1 9 6 0 ) 在研究粘土地基的砂井固 结问题中考虑了土的渗透性的改变【l 。许多学者在同时考虑土的主固结与次固结 方面也做了不少研究。d a v i s & r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 在研究正常固结粘土的固结方程 时，应用基于固结试验的e l o g o 关系，通过假定固结过程中渗透系数k ，与体积 压缩系数m 一变化是同步的，得到了固结系数c 。为恒量下的一维非线性固结方 程，并且得到了其解析解h 2 。研究发现在有侧限一维固结条件下根据t e r z a g h i 理_ 论假设能得到较好的沉降结果，但是在孔隙水消散率方面的估计是偏于不安全 的。b a r d e n 和b e r r y ( 19 6 5 ) 采用p l o go - 关系以及渗透系数t ，与孔压“的简单关系 式，采用有限差分方法得到了固结曲线f 1 3 】。r e g i b s o n ( 1 9 6 7 ) 在研究均质饱和土 体的非线性固结时考虑了在固结过程中的渗透系数最，与体积压缩系数m ，的改变 4 | 。他同时指d a r c y 定律是有限适用的，这与土骨架形状的改变以及超静孔隙 水压力减少的梯度有关；当较薄的粘土层发生固结沉降，与外加的荷载相比，土 体的自重应力是可以忽略不计的。m e s r i & r o k h s a r ( 1 9 7 4 ) = j l 用p l o g o - 关系和 e l o g k 、，关系，同样用有限差分方法得到了相关固结曲线。r e g i b s o n ( 1 9 8 1 ) 在 考虑土体自重的前提下，在固结过程中考虑了渗透系数k 。与体积压缩系数m 一 的改变，采用非线性大应变理论求解土体固结曲线，分析发现该条件下的固结沉 降速度要比传统固结理论要快，但是孔隙水压力的消散速度却相对较慢。因此对 于饱和土体而言，可能严重低估超静孔隙水压力，而当采用有效应力分析方法， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 就会相应高估土体所承受的剪应力而产生潜在的不利影响。z n i d a r c i c 等( 1 9 8 6 ， 1 9 8 7 ) 采用实验分析的方法研究非线性固结问趔b j ，他们在实验分析中考虑土体 自重的影响，采用实验拟合的孔隙比e 与渗透系数k ，的曲线来反分析土体的固结， 结果表明采用实验与理论分析结合的方法能较好地估计软粘土的固结变形。 在我国，李冰河( 1 9 9 9 ) 在其博士学位论文中指出【1 6 l g i b s o n ( 1 9 6 7 ) 提出的一维 大应变固结方程对土体的应力应变关系、土的渗透性、土层厚度变化大小及土体 自重影响都没有限制，是一维固结方程的通用形式。当采用小应变假设时，如采 用线弹性的应力应变关系并假设渗透系数t ，在固结过程中保持不变，该方程就转 变为最简单的t e r z a g h i维固结方程，而当不考虑土体的自重，同时引入了 厶，1 i 。、一 p l o go 关系并假定竺型半= 衡量，就得至1 d a v i s & r a y m o n d ( 19 6 5 ) 关于非 7 。d e 线性小应变的固结方程。因此s c h i f f m a n ( 1 9 8 0 ) 提出无论线性或非线性的小应变固 结理论都是大应变固结理论的特例。李作勤( 1 9 9 2 ) 分析土体固结变形时讨论了体 变与畸变的同时性与依存性以及在次固结变形时间和变形量的有限性前提下的 土体一维非线性固结变形特性【】7 】。通过室内试验研究得出次固结变形随时间变化 的规律以及次固结变形量的增长速率随固结压力变化的规律，提出可用预压消除 次固结变形的隐患。j h y i n & j g r a h a m ( 1 9 9 6 ) 在固结方程中采用了粘弹性的本构 模型来计算基于多级竖向加荷条件下的一维土体沉降和超静孔隙水压力变化【1 8 】， 并采用有限差分法求解一维非线性固结方程。在与实测数据进行对比中发现土的 粘滞性对土体的有效应力与超静孔隙水压力有很大的影响。x i e k h 等( 1 9 9 6 ) 在 d a v i s 等的研究基础上，获得了考虑荷载随时间变化时的解析解，并且区分了非 线性固结问题中按照变形定义与按照孔压定义的固结度的异同 1 9 】。王奎华等 ( 1 9 9 8 ) 考虑了土的流变特性研究具有双面透水边界的饱和土体的一维粘弹性固 结理论瞄，并得出了相应的解析解；分析了影响固结过程的主要因素。粘土层的 项面与底面的透水性能对土体固结有很大影响，而流变特性主要影响固结过程的 后半期。李冰河等( 1 9 9 9 a ，1 9 9 9 b ，2 0 0 0 ) 针对以前的非线性固结理论研究都是假 设初始有效应力为恒值而非随深度变化，而天然沉积土层中的自重应力均沿深度 变化的状况，研究了初始有效应力随深度变化、土体的渗透系数气与体积压缩系 数m ，非线性变化的一维固结问题，并运用半解析法求得了解答【2 1 】；还采用 c r a n k n i c o l s o n 有限差分法求解了一维非线性固结曲线，并分析了考虑非线性对 土体固结影响的必要性。洪宝宁等( 1 9 9 8 ) 考虑了土体固结过程中超静孔隙水压力 的消散及土体具有流变性的耦合作用影响，提出了一种计算一维土体固结变形的 数值方法，同时分析了两者在土体固结过程中不同阶段所起的作用1 2 2 1 。徐登文等 ( 2 0 0 0 ) 针对工程中许多外加荷载是逐渐增加的状况，探讨了荷重随时间变化下的 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 单向压密沉陷行为，并采用粘弹性理论推导求解【2 3 1 。发现土体的固结系数c 。随荷 载改变而发生改变，高塑性指数及低加荷速率下的粘土单向固结的变形量较大。 裂缝是围堤( 路堤) 设计和研究中关注的热点。郑治和杨有辉等对路堤裂缝 的成因进行了初步探讨，并给出了具体的工程处治措施1 2 4 ；杜秦文、甘善杰和蒋 鑫等对路堤荷载作用下的软基沉降特性进行了研究，并就不均匀沉降的产生的原 因进行了探讨【2 5 】【2 6 j 1 27 】；赖正峰和容玲聪等为探明软基上公路路堤的裂缝成因进 行了大量的现场和室内实验，并给出了经济合理的工程处治建议【2 8 】【2 9 1 ；陈丕虎和 董美丽等围绕东平湖改造工程，对围堤裂缝成因进行了大量的现场试验和勘查工 作【3 0 1 ，他们认为，水库围堤裂缝的成因主要与基础不均匀沉降和施工质量控制不 严有关，但结论缺乏技术支持。 1 2 2 水库信息化管理现状 水库管理工作是针对人为建造水库的工程部分即水工建筑物及其配套设施 的管理。传统的水库管理规程规范来源于三个方面：一是由设计根据理论分析提 出的要求；二是在管理过程中的经验教训；三是由其它行业借鉴，各水库管理单 位相互学习，相互参照。随着国民经济的增长，传统的水库管理模式已经体现出 不足之处：管理范围小，管理面窄；重工程轻资源；重更改大修，轻检查养护； 重应急措施，轻预测预报等。 近年来，随着计算机技术的迅速发展，对水库的决策支持管理系统已成为当 前发展的趋势p 。早在l9 7 6 年，凯曼霍萨普尔( c m h o l s a p p l e ) 和阿波惠斯顿 ( a b w h i n s t o n ) 开发出了第一个用于流域管理的决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，d s s ) 。随着计算机的发展应用，到8 0 年代中期d s s 又开始广泛应用。 加拿大萨。普西蒙奥维克( s p s i m o n o v i c ) 等人开发的水库分析智能的模型库在原 来5 个模型的基础上增加到现在的1 0 个模型，主要是辅助水库的设计和控制运 用决策，系统的交互性能好，决策者可以充分利用交互式建模技术构造模型。国 际应用系统分析研究所( i i a s a ) 和意大利国家研究院合作开发的科莫湖实时调度 系统d s s ，在1 9 8 3 年开始试用。为管理田纳西流域大规模水库系统，美国田纳 西( t v a ) 流域委员会充分利用计算机和有关模型，完成了可用来支持水库的日运 行决策系统，此外还有水质分析、洪水分析等。应用于科罗拉多河流域( 下游) 水 库群运行的s c a d a 一监控和数据采集系统，它能监控和记录水电站运行、坝前 库水位、库尾水位、紧急情况下报警等。 我国的水库管理系统起步较晚，但发展迅速。随着r s 和g i s 技术在水利行业 的应用，水库管理手段有了显著改进1 3 2 1 ，主要表现在防洪减灾，水资源管理，水 环境监测与管理，水土保持以及水库泥沙淤积调查等方面。例如，官厅、密云水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 库上游水土保持监测系统【3 3 】；用于大洼山小流域中的基于r s 和g i s 的小流域生态 环境综合质量评价系统【3 4 】；应用于雪野水库中的基于g i s 和t m 的水库水位面积 曲线测定系引3 5 】；黄河三角洲平原水库及水产养殖场面积变化的遥感检测系统 1 3 6 ；三峡库区中的基于g i s 的三峡泥沙信息管理系统以及水库水环境管理系统【3 7 】 等。 1 3 本文主要研究内容 针对平原水库病害问题的共性，以北大港水库为依托，主要从以下几个方面 研究平原水库的病害诱发机理，并加强水库管理： 1 介绍了北大港水库病害情况以及除险加固措施。 2 对围堤沉陷机理的研究。以北大港水库为依托，参考以往围堤沉陷研究 工作，对传统的固结模型以及计算方法进行了改进；利用有限元程序，对围堤沉 陷进行了数值分析。对于出现围堤病害的堤段，探明病害产生的主要原因、条件 和发展趋势，以及各产生因素之间的相互作用，对于堤防病害的治理具有重要的 指导意义。 3 对围堤裂缝机理的研究。利用大型有限元程序，在进行数值模拟的基础 上，提出了围堤裂缝判别的一些主要方法；并以大港水库围堤为例，验证这些判 别方法的可行性。 4 在对大港水库研究的基础上，得出了平原水库围堤病害机理的一般性结 论。对于出现围堤病害的堤段，探明病害产生的主要原因、条件和发展趋势，以 及各产生因素之间的相互作用，对于堤防病害的治理具有重要的指导意义。 5 水库病害问题的信息化管理。具体又包括两个方面的内容：一，采用基 于g i s 技术的建模方法，建立北大港水库带有矢量的地理信息模型，使地图中包 含包括坡度，剃度等多元化信息，呈三维可视化，更真实直观地反应了水库以及 周边地区主要建筑的分布情况；二，实现不同主题下的水库病害信息查询功能。 针对水库不同病害情况，分别建立包括基本资料、工程现状、运行情况等信息的 相关工程数据库，在不同主题下查询相应的病害问题，使管理者更容易掌握水库 病害情况，提高管理效率。 6 天津大学硕士学位论文第二章围堤病害分析的理论基础 第二章围堤病害分析的理论基础 采用数值模拟方法，借助于平面以及三维有限元理论，针对围堤及地基等散 粒体结构的病害情况进行分析：在考虑固结作用下围堤总体沉降分布情况、应力 应变状态：含饱和砂砾土的地基在地震作用下的土体液化；土体稳定渗流期的无 压渗流以及围堤边坡稳定情况。 2 1 传统附加应力法的缺陷 地基不均匀性的影响：对于浅基础的地基附加应力计算，一般的土力学教科 书都是基于b o u s s i n e s q 解答的i 邛j 。我们知道，该解答要求地基是均匀的、各向同 性的、半无限大的线弹性体；而实际地基往往是成层的，甚至是不均匀且各向异 性的。实际地基的这种对b o u s s i n e s q 解答基本假定的偏离肯定会导致地基中附加 应力与b o u s s i n e s q 解答有较大的不同。比如，对于上软下硬的双层地基，上层软 土中的附加应力值比均质土时有所增大，即存在所谓的应力集中问题，且下卧硬 土层埋藏越浅，应力集中的影响越显著；对于上硬下软的双层地基，则正好相反， 即地基中的附加应力将出现应力扩散现象。根据陈祥福在沉降计算理论及工程实 例中的论述【39 l ，这种附加应力对b o u s s i n e s q 解答的差异随上下两层土的软硬差异 程度的增大而显著增大，甚至会相差一倍以上。 基底附加压力较大时塑性区的影响：现有的地基附加应力的计算都是在弹性 范围内进行的，很少考虑到基底附加压力超过临塑荷载后地基中出现的塑性区。 对于应变软化土来说，当地基中某点达到极限平衡状态后，就会变软，这肯定会 引起周围附加应力的重新分布。根据理论分析，地基的塑性区是从基底边缘开始 并在浅层发展，而浅层正好是地基发生变形的主要区域，因此塑性区的出现将 导致地基沉降量增大。应该说地基规范推荐的方法f 4 0 】通过沉降计算经验系数的 不同取值在一定程度上考虑了这种影响，即当基底附加压力p 。大于地基承载力 特征值厶时，的取值较大。 。 基底附加压力分布形式的影响：实验研究表明，基底附加压力和基底压力一 样，其分布形式受基础刚度、基础底面尺寸和埋深、荷载形式和大小以及地基土 类型等多种因素影响，可表现为抛物线形、钟形或马鞍形等不同形态。为了简化 计算，对于具有一定埋深刚度较大的基础，常常将基底反力视为均匀分布或线性 天津大学硕士学位论文第二章围堤病害分析的理论基础 分布。根据弹性理论中圣维南原理可以证明，在基底下一定深度所引起的地基附 加应力与基底荷载的分布形态无关，而只与其合力的大小和作用点位置有关，所 以可以采用线性分布的基底荷载来计算基底下比较深处的附加应力。但是在基底 附近地基附加应力却与基底荷载的分布形式密切相关，并且这部分地基往往是变 形的主要部分，所以应该研究基底荷载的分布形式所带来的影响。 基坑周围支护结构的影响：为便于基础的施工，对于较深且场地受限而不能 放坡开挖的基坑，常设置一定的支挡结构。很明显，这会影响到土中附加应力的 传递，特别是水泥土挡土墙、排桩或地下连续墙等具有较大嵌固深度的支挡结构， 使得地基土体对应力的扩散能力减弱。而现有的计算方法都没有计及这部分的影 响，过多地考虑了地基的扩散能力。从另一方面讲，或许这歪打正着，因为地基 土体一般来说并不是弹性体，没有弹性体那样大的扩散能力，按弹性理论计算本 身就高估了地基的扩散能力，但这是两个不同的概念。 2 2t e r z a g h j 一维固结理论基本假定中的问题 在估算加载后某一时刻的沉降量或固结度时，t e r z a g h i 维固结理论因其具有 解析解且形式简单而得到广泛应用。但实践证明，该理论和实测值具有较大的误 差。究其原因，该理论采用了线性的应力应变关系以及线性的d a r c y 渗流定律可 能是症结所在。因此，有许多学者对此进行了一系列的改进。 土体应力应变关系的非线性：实际土体应变关系是非线性的。我国学者谢康 和，郑辉，李冰河，王宏志，陈仁朋，周万欢【4 2 】【4 3 】等根据试验结果，把孔隙 比表示为有效应力对数的线性函数；而魏汝龙，施建勇，杨立昂，赵维炳【4 4 】【4 5 】等 人则把孔隙比表示为有效应力的双曲线函数。在此基础上，近年来，也有不少学 者开始注意土体固结状态的改变对固结进程的影响，无疑这更符合土体的实际情 况1 4 6 】【4 7 1 。 饱和粘性土体渗流的非达西特性：虽然d a r c y 定律因其简捷而被广泛采用， 但其有效性一直受到质疑，这主要是因为饱和粘土往往是低渗透的，因而其中的 渗流往往也是非线性的。因此，国外学者b a r d e nl 、b e r r ypl 把渗透系数表示为 超静孔隙水压力的函数【4 剐；而我国邓英尔，刘慈群，黄润秋等人通过分析低渗透 非线性渗流规律曲线，提出了三参数连续函数渗流模型1 4 9 ；t h ec i 与n i ex 引入 界限水力梯度，和指数m 来描述非达西渗流1 5 0 ；h a n s b s 假定渗流速度与水力梯度 之间呈指数关系【5 l 】；而更多的文献则采用了孔隙比与渗透系数对数的线性关系， 已有大量试验证实了这种关系的适用性。另外，l a wkt 和l e ecf 通过试验证明 某些粘土中的渗流存在一个起始水力梯度1 5 2 1 ，h o d , 于该水力梯度，没有可量测的 天津大学硕士学位论文 第二章围堤病害分析的理论基础 渗流，而在超过该水力梯度后，渗流才会发生。这一观点尽管曾引起过较多的争 论，但已逐渐被大家所接受，且已写入了有关土力学教材。实际上，某些土体存 在起始水力梯度与许多文献采用的孔隙比与渗透系数对数之间的线性关系并不 矛盾。我们可以这样理解，前者决定了渗流的开始，后者描述了渗流的过程。在 此基础上，我国学者刘忠玉，刘忠广，马崇武，杨荣根等人探讨了起始水力梯度 对饱和粘土一维固结的影响【5 3 】【5 4 1 ，初步分析表明，粘土的平均固结速率要慢于 t e r z a g h i 维固结理论的计算值，并在主固结完成时存在一定的残余孔隙水压力没 有完全消散l j 。 2 3 弹塑性理论概述 弹塑性理论模型把总体的变形分成弹性变形和塑性变形两个部分，用胡克定 律计算弹性变形部分，用塑性理论来解塑性变形部分。对于塑性变形，需要做三 个方面的假定：1 、破坏准则和屈服准则；2 、硬化规律；3 、流动法则。不同的 弹塑性模型，这三个方面假定的具体形式也不同。 2 1 1 破坏准则和屈服准则 破坏准则 建立土体应力应变关系，就需要给出一个判断破坏与否的标准，叫做破环准 则。因为土体的破坏取决于应力状态，故破坏准则可以写成： 厂木( ) = k y ( 2 1 ) 其中厂，c ( 仃。) 是应力分量的某种函数值，叫破坏函数；k ，是试验确定的常数。 若厂木( ) = k ，则破坏；f 宰( o r 扩) 0 的情况，标准的莫尔一库仑破坏准则考虑了拉力。事实上， 拉应力随着粘聚力c 的增大而增大。在实际情况中，土体不能承受拉应力或者只 能承受很小的拉应力，p l a x i s 程序分析通过指明拉力折减来体现土体的这一性能。 在这种情况下，莫尔圆不会出现正主应力。拉力折减引入了另外3 个屈服函数， 它们被定义为： 工= 盯卜仃警0 六= 仃；一彰0 ( 2 9 a ) ( 2 9 b ) 口 6 口 6 以 厶 六 厶 天津大学硕士学位论文 第二章围堤病害分析的理论基础 五= 仃；一0 - ；0 ( 2 - 9 c ) 当采取应力折减这一措施时，允许的仃r 默认值为0 。这些屈服函数采用了一 个相关联的流动法则。屈服面以内的点的应力状态为弹性，遵从各向同性情况下 虎克定律。因此，模型中除了塑性参数c ，伊和沙，还需输入杨氏模量e 和泊松 比 ，。 d m c k e r - - p r a g e r 屈服准则 d r u c k e r 和p r a g e r 于19 5 2 年提出用一个内切于m o h r - c o u l o m b 准则六棱锥面 的圆锥面来作为屈服面，见图2 2 。 f - 0 1 图2 2d r u c k e r - - p r a g e r 准则的屈服面 这个圆锥面的函数表达式为 f = c d l + ，2 一k = 0 ( 2 1 0 ) 式中，：分别为应力张量第一不变量和应力偏张量第二不变量。 1 l = 0 1 + 盯2 + 仃3 ，：= 一仃：) 2 + p ：一吧) 2 + ( c r 3 一o - 1 ) 2j 6 式中：口，k 为材料参数，可通过与m o l a r c o u l o m b 准则的六棱锥拟合得到。 在冗平面上，d r u c k e r - - p r a g e r 屈服准则和m o h r - c o u l o m b 屈服准则分别是圆 和六边形，见图2 3 。两者以m o h r - c o u l o m b 六边形外顶点、内顶点和内切相拟 合时，参数口，k 与岩体工程中内聚力和摩擦角的关系是： 弘4 3 ( 赢3s i n 广2 而焉南 一 矽)3 ( 3 一s i n 缈) 口2 , , f 3 ( 3 + s 7 i nf o ) 七2 - j 3 ( 3 + s i _ n r p ) 弘耳赫 。丙研( 2 - 1 1 ) 天津大学硕士学位论文第二章围堤病害分析的理论基础 图2 3d r u c k e r - - p r a g e r 屈服准则与m o h r - c o u l o m b 屈服准则的拟合 d r u c k e r - - p r a g e r 准则计入了中间主应力的作用，并考虑了静水压力对屈服 过程的影响，能够反映剪切引起的膨胀( 扩容) 的性质。在模拟岩石材料的弹塑 性特征时，得到了广泛的应用。 2 1 2 硬化规律 对于具有硬化( 或软化) 特性的材料，初始屈服后，其继生屈服面将随着硬 化参数h a 的变化而不断扩大或缩小。通常称屈服面随着硬化参数h a 的变化关 系为硬化定律。其一般的数学表达式为： f = f ( 杠j ，日口) = 0 ( 7 1 2 ) 在复杂应力状态下，假定h a 是塑性应变能或塑性体积应变增量的函数。 若为塑性应变能的函数，则 峨= p yd e p 进而由流动法则得 招口= 7 a 若假定h a 为塑性体积应变增量的函数，则 d h 。= 如州 据流动法则有 峨= 文鲁+ 鲁+ 去j 当塑性体积应变为零时，即为理想塑性状态。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 天津大学硕士学位论文第二章围堤病害分析的理论基础 2 1 - 3 流动法则 塑性区范围内的材料在继续加载的过程中可继续发生塑性变形，直到出现破 坏。塑性区材料在继续加载过程中塑性应变增量方向的规定称为流动法则。其名 称来源于流体力学中关于流速方向与等势面正交的定律。用数学公式表示为： d f p ) = 以为 ( 2 1 7 ) 式中掀为待定参数 以2 j 1l 羽o f ) 一1 彳勰8 fd h ( 2 - 1 8 ) 其中a 为硬化参数h 的函数，h 为强化参数，f 为屈服条件函数。 式( 2 1 7 ) 是一种特殊情况。作为一般形式，应是塑性流动方向与塑性势函 数g b ) 所表示的等势面正交，其数学表达式为： = 以为协 如果假设屈服函数即是塑性势函数，即屈服面与等势面重合，即得到式 ( 2 1 7 ) 所表示的流动法则，称之为关联流动法则。如果屈服函数不同于塑性势 函数，即厂g ，则称为非相关联的流动法则。 理想塑性材料和一般的强化材料属于稳定材料，遵循关联流动法则，对于岩 土体和混凝土一类的材料，虽然采用非相关联流动法则更符合实际情况，但这就 意味着材料是不稳定的，而且导出的弹塑性矩阵d 。是不对称的。因而一般情况 下，对岩土体材料仍采用关联流动法则。 2 4 对于固结模型的改进 2 4 1 均质土刚度系数修正 土体中的抗压刚度系数在厚度方向上并不是一成不变的，根据土体试验表 明，均值土中弹性波的传播速度、剪切模量以及抗压刚度系数均随着土层深度的 增加而增加【5 6 1 。不同性质的土，其随深度的变化率也有所不同。图2 4 给出了几 种土的试验结果。 天津大学硕士学位论文 第二章围堤病害分析的理论基础 一l 一2 3 - 4 - 5 - 6 - 7 8 n ( m ) v 图2 4 几种均质土刚度系数与土层深度关系曲线 在动荷载作用下，土中单元体的应变能为： u 。i i ( 口目s “+ 仃占拶+ 仃z z s z z + f 叫s 拶+ ? _ ，：占弦+ f 奠s 3 ) 当不考虑上体自重应力对剪切模量的影响时： 2 而- - v o o 善 。丽- - v o - o 占一： ! ! 童 将式2 - 2 1 代入式2 - 2 0 中，得到： 万= 鼍一羔】= 立4 p ( 1 + v ) 基础下影响深度内的全部应变能为： u 2 土u f z d z 式中，h 为基础下影响深度( m ) ，根据实验，取h = 2 d ( m ) 。 将式2 - 2 2 代入式2 - 2 3 中得： u 2 而o - 0 2 d ： 犯2 而0 2 0 d 上巧d z 令善= d ( 1 m ) ，则有 【，：堕2 ：上 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 天津大学硕士学位论文 第二章围堤病害分析的理论基础 u 。：! 芝r 罂：! 蔓r 丝 4 ( 1 + y ) 与4 ( 1 + y ) 与( 1 + 盟z ) ( 1 + 昙z ) 2 令舌：丝为剪切模量随深度的变化率( 1 m ) ，则： u 7 ：墨士( 士+ 土l n 竖) 4 f l ( 1 + y ) 六一孝1 + 留舌一f “1 + 弘 里上( 上l n 坠一旦) ：4 l ( 1 + v ) 磊一孝氧一孝1 + 易1 + 易。 ( 2 2 7 ) 由于 ，故从以上两式可以得到： u l ，故： m 芝- - - 再一州 沼3 3 ， q ( 土l n 坠一旦) 、卣一亭1 + 劲1 + 易“。7 ，1 2 、 上式表昵，在考虑自重应力对剪切模量的影响时，基底处反映出的影响深度 中的综合抗压刚度系数，较不考虑自重应力对剪切模量的影响时有所提高；基础 底面积( d = f ) 越大，影响深度越深，抗压刚度系数提高越多；土层性质不同， 抗压刚度系数的提高亦不同，砂性土较粘性土提高为快( 如图2 5 所示) 。 1 6 天津大学硕士学位论文 第二章围堤病害分析的理论基础 图2 5 c z c z 与土层深度关系曲线 2 4 2 摩尔库仑的拉伸截断 壤 j 口30：。口f 2 6 应力圆中的一个接触库伦包络线 在一些实际问题中要考虑到拉应力的问题。根据图2 6 所显示的c o u l o m b 包 络线，这种情况在剪应力( m o h r 圆的半径) 充分小的时候是允许的。然而，沟 渠附近的土体表层有时会出现拉力裂缝。这就说明除了剪切以外，土壤还可能受 到拉力的破坏。 为改善摩尔库仑模型的这种不适应性，更真实地反映岩土材料在三向拉应 力状态下的拉断性质，就需要对理想弹塑性理论的破坏机理进行修正，对屈服面 进行改进。参考统一强度理论下最近提出的新模型1 57 1 ，它是一种双剪拉伸五面体 模型( 见图2 7 ) ，新模型是从双剪模型( 见图2 8 ) 中派生出来的。 ( a ) c o ) 图2 7 统一强度理论的五面体模型 天津大学硕士学位论