（水工结构工程专业论文）面板堆石坝坝体变形监控模型研究.pdf

摘要 摘要 由于面板堆石坝坝体变形较其它坝型要大，因此坝体变形是面板堆石坝安全监测的 主要量，也是衡量大坝结构变化性态最重要的指标。本文对面板堆石坝变形监控模型进 行了较为深入的研究，主要内容如下： ( 1 ) 探讨了面板堆石坝变形特点和过程，研究了影响坝体变形的因子，并基于 d u n c a n - c h a n g 模型和流变模型理论，综合考虑各影响因素相互作用关系，建立了面板 堆石坝变形综合分析模型。 ( 2 ) 研究了面板堆石坝呈现出的各信息不确定性关系，以及影响因素权重确定方法， 提出了线性组合赋权方法，并引入信息分配法构建了不确定关系矩阵的模式，建立了面 板堆石坝沉降不确定信息分析模型。 ( 3 ) 基于反分析理论，研究了将b p 神经网络模型与数值分析方法相结合的反分析 方法，建立了相应的面板堆石坝参数反演分析模型。 ( 4 ) 应用所建立的面板堆石坝坝体变形监控模型，对东津面板堆石坝运行期坝体沉 降和水平位移进行了综合分析，研究了堆石体材料主要计算参数随时间变化的规律。 关键词：面板堆石坝、变形监控模型、不确定信息、b p 神经网络、参数反演 a b s t r a c t t h ed e f o r m a t i o no f f a c e dr o c k - f i l ld a mi sl a r g e rt h a no t h e rd a m s ，s ot h ed e f o r m a t i o no f d a mb o d yi sb o t ht h em a i nm e a s u r eo f s a f e t ym o n i t o rf o rf a c e dr o c k - f i l ld a ma n dt h em o s t i m p o r t a n ti n d e xt ow e i g h tt h ec h a n g eo f d a ms t r u c t u r eb e h a v i o nt h e m o n i t o r i n gm o d e lo f d e f o r m a t i o nf o rf a c e dr o c k - f i l ld a mi ss p e c i a l l ys t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf e l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d p r o c e s s o fd e f o r m a t i o nf o rf a c e dr o c k - f i ud a m a r ea n a l y z e d a n dt h ev a r i o u si n t l u e n c ef a c t o r s0 nd a md e f o r m a t i o ni ss t u d i e d i na d d i t i o n b a s e do nt h e t h e o r yo fd u n c a n - c h a n gm o d e l a n dr h e o l o g i c a lt h e o r y , t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm o d e lo f d e f o r m a t i o nf o rf a c e dr o c k f i l ld a mi se s t a b l i s h e dt h r o u g ht a k i n gt h ei n t e r a c t i v i t yb e t w e e n t h ei n f l u e n c ef a c t o r si n t oa c c o u n t s y n t h e t i c a l l y ( 2 ) i n d e f i n i t er e l a t i o n s h i po fi n f o r m a t i o nf o rf a c e dr o c k f i l ld a ma n dt h em e t h o do f d e t e r m i n i n gt h ew e i g h to f v a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r sa r es t u d i e d ，a n dt h el i n e a rc o m b i n a t i o n m e t h o di sp u tf o r w a r d t h em o d eo fi n d e f i n i t er e l a t i o n s h i pm a t r i xi se s t a b l i s h e db y i n d u c t i n g t h em e t h o do fi n f o r m a t i o na l l o c a t i o n f i n a l l y , a n a l y s i sm o d e lo fi n d e f i n i t ei n f o r m a t i o no ft h e s e d i m e n t a t i o nf o rf a c e dr o c k f i l ld 锄i se s t a b l i s h e d ( 3 ) b a s e do nt h et h e o r yo fb a c ka n a l y s i s t h em e t h o do fb a c ka n a l y s i sf o rc o m b i n i n g m o d e lo fb pa n dn u m e r i c a la n a l y t i c a lm e t h o di ss t u d i e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gb a c ka n a l y s i s m o d e l o f p a r a m e t e r f o rf a c e dr o c k f i l ld a mi se s t a b l i s h e d ( 4 ) t h es e d i m e n t a t i o na n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f t h e d o n g j i n d a mu n d e r o p e r a t i o n i ss y n t h e t i c a l l ya n a l y z e db yb s eo ft h em o n i t o r i n gm o d e lo ff a c e dr o c k f i l ld a m d e f o r m a t i o n ， a n dt h ep r i n c i p l eo ft h em a i nc a l c u l a t i o np a r a m e t e r so fr o c k - f i l lm a t e r i a l sa l o n gw i mt i m ei s s t u d i e d k e yw o r d s ：f a c e dr o c k f i l ld a m ；m o n i t o r i n gm o d e lo fd e f o r m a t i o n ；i n d e f i n i t ei n f o r m a t i o n ； b p ；b a c ka n a l y s i so f p a r a m e t e r s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 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。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 鞠石霹财年，月汀目 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 混凝土面板堆石坝( c f r d ，或简称面板堆石坝) 是当今世界上土石坝的主要坝型 之一，坝的主体部分是由堆石通过人工压密而成的，主要起支撑作用，上游迎水面设 置混凝土面板起防渗作用。它与传统的土石坝相比，具有投资省、工期短、安全可靠、 施工简便、适应性广等优点，受到国内外坝工界的广泛重视，是目前极有应用前景的 一种坝型。面板堆石坝在中国虽然起步较晚，但从上世纪八十年代至今的二十多年时 间里，我国的面板堆石坝筑坝技术取得了长足的发展，无论是建坝数量，还是建坝高 度都处于世界前列。在面板堆石坝修建初期阶段，其设计和施工在较大程度上是依赖 于工程经验，目前随着对筑坝材料和大坝结构分析的深入研究，以及将大坝原型监测 资料应用于反馈分析，理论研究成果在工程设计和运行管理中的指导作用已越来越大， 特别是对于高面板堆石坝和建立在特殊地形地质条件下的面扳堆石坝，没有成熟的工 程经验可循，理论研究成果成为工程设计、指导施工以及运行维护管理的重要依据。 1 2 面板堆石坝的发展及研究现状 1 2 1 面板堆石坝的发展 从1 8 9 5 年美国建成5 4 m 高的莫拉( m o r e n a ) 坝至今，面板堆石坝的建设与发展 已经经历一个多世纪了。这个历程也是面板堆石坝工程经验不断积累和丰富的过程。 其发展过程大体上经历了三个阶段： ( 1 ) 自1 9 世纪中叶至1 9 4 0 年为初期阶段。这个阶段堆石的施工主要以抛填为主， 辅以高压水枪冲实。对于5 0 m 以下的低坝，混凝土面板尚能承受水压力引起的变形， 而对于7 0 m 以上的高坝，混凝土面板却因变形太大而产生裂缝，如美国的盐泉坝( s a l t s p r i n gd a m ) ，裂缝竟达2 5 c m ，故在4 0 年代，美国停止了修建混凝土面板堆石坝。 ( 2 ) 1 9 4 0 年至1 9 6 0 年为过渡阶段。随着机械化施工技术水平的进一步提高，出 现了大功率的振动碾压设备，抛填堆石逐步向碾压堆石发展过渡。 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 1 9 6 5 年至今进入面板堆石坝的现代发展阶段。主要在坝体结构、料物分区、 防渗面板和填筑施工等方面研究有了很大发展，填筑坝体高度也由原来的十几米上升 到百余米1 1 - 3 。1 9 8 8 年至1 9 9 0 年我国建成了首批1 0 座匿板堆石坝，1 9 9 9 年建成天生 桥一级工程，坝高1 7 8 m ，目前我国正在修建的水布垭面板堆石坝高达2 3 3 m ，是当今 世界上最高的混凝土面板堆石坝 4 - 5 1 。 与其它坝型相比，面板堆石坝具有以下几个方面的特点 6 , 4 1 ： ( 1 ) 安全可靠性方面 面板堆石坝具有良好的抗滑稳定性，水荷载的水平推力大致为堆石体和水重的l 7 左右，而且水荷载的合力通过坝轴线上游堆石体传至地基；堆石碾压密实后抗剪强度 比较高，而且堆石透水性强，几乎可以不受渗透压力的影响。因此，在实际的设计工 作中，一般不必作抗滑稳定计算。堆石一般都有棱角，随着填筑高程的增加，即使下 部的堆石会有一部分被压碎，也是有棱角的，所以一般不会发生渗透变形。另外由于 不受渗透压力的影响，所以面板堆石坝具有良好的抗震性能。随着施工机械的改进， 现代面板堆石坝碾压后的沉降量也相对减小。 ( 2 ) 施工经济方面 面板后的垫层和过渡层具有半透水性和反滤作用，施工期在没有面板保护的情况 下，可以直接挡水或过水，不影响坝的安全。这就大大简化了施工导流和渡汛的工程 设施，有利于加快施工进度，降低临时工程的费用。根据坝体各部分的受力情况，坝 体堆石料分区，对各区的石料和压实度可有不同的要求，充分利用当地材料，做到料 尽其用，并可加快施工，降低造价。因此面板堆石坝具有施工简单、造价较低、工期 短、适应性强等优点。 正因为面板堆石坝具有上述众多优点，所以在现代坝工设计中，面板堆石坝和土 心墙、土斜墙堆石坝以及拱坝一起作为高坝枢纽设计的比较方案。 现代面板堆石坝的发展主要表现在如下几个方耐1 】1 3 】： ( 1 ) 面板垫层：采用粒径较小、级配良好、粗细颗粒容易构成最佳充填关系的石料 填筑，并用大功率振动碾进行水平或斜坡碾压，提高垫层的密实度和均匀性，取代以往 采用人工堆砌或吊车铺设块石的施工方法，简化了施工工艺。垫层本身具有半透水性， 经适当防护处理后，可起到临时挡水的作用，这给施工渡汛带来了好处。 第一章绪论 ( 2 ) 趾板：在t e r z a g h i 详细分析防渗面板中截水墙功能的基础上，一改早期的挖 槽式截水墙，代而取之为混凝土面板和地基之间设置混凝土趾板( 又称底座) ，趾板锚 固在基岩上，并可用作灌浆盖板，从而在上游形成一个完整的防渗体系。 ( 3 ) 混凝土面板：其厚度比早期的面板薄，并取消水平缝，只设竖缝，面板内的钢 筋较以往用得少，仅作分布筋考虑。采用滑模浇注混凝土面板，施工搅拌掺入外加剂， 以改善混凝土的性能。周边缝由以往的三道止水减为二道止水，简化了施工。 ( 4 ) 坝体料物分区：根据t e r z a g h i 的观点，c o o k e 提出了坝体分区的建议，他将 面板堆石坝填筑体分为四个区，即垫层、过渡、主堆石、次堆石区，每个区都有不同 的功能和施工技术标准，后来随着大功率碾压机具的应用和试验研究的深入，实践中 又出现利用料区的概念，坝体填筑料的适用范围进一步被拓宽，施工上采用软岩料、 风化石渣料等多种材料作为利用料填筑，降低了成本。 1 2 2 面板堆石坝研究现状 面板堆石坝的发展并不是一帆风顺的。哥伦比亚的格里拉斯面板堆石坝，由于周 边缝止水结构发生严重破坏，使水库不能正常运行，迫使放空库水进行补修；我国的 面板堆石坝建设也曾遭受到挫折，如西北口混凝土面板的严重裂缝【9 】，沟后砂砾石面 板堆石坝的溃决 1 0 1 ，株树桥面板堆石坝面板断裂、止水结构破坏、大量漏水冲刷严重。 因此随着堆石坝建成的数量越来越多，工程的规模不断扩大，对坝体堆石料的模型试 验研究、面板堆石坝的结构静动力分析以及应用监测资料反馈大坝结构状态等多方面 已成为目前对面板堆石坝的主要研究课题。 ( 一) 堆石料的模型参数试验研究 堆石料的力学性能决定着坝体的变形，并对防渗面板和周边缝止水产生影响，所 以堆石料的力学性质亦决定了面板堆石坝的基本工作状态。堆石料的模型参数试验包 括现场试验和室内试验，主要对筑坝材料的变形特性进行试验研究，为坝体设计合理 的料物分区，在满足坝体各部分及整体安全的基础上充分利用各种堆石料，以降低工 程造价。目前，筑坝材料的试验研究已成为许多面板堆石坝尤其是高面板堆石坝必须 开展的课题，设计人员越来越重视从试验研究之中了解筑坝材料的物理力学特性。堆 石筑坝材料的试验研究日益被看重的原因有两个方面：一是科学技术的进步使试验测 河海大学硕士学位论文 试仪器日趋精密和现代化，许多实际问题都可用室内试验模拟或现场实验量测：二是 大型施工机具的发展，进一步拓宽了筑坝材料的适用范围，以前被认为不能筑坝的材 料如今也被合理地利用，如软岩料、风化料、石渣料等，从而促使试验设备和研究手 段的不断发展。 在面板堆石坝研究过程中，工程人员意识到堆石的流变特性对面板堆石坝变形的 影响，因此目前众多研究者也进行了大量的相关试验和理论研究。 ( 二) 稳定分析 对于早期的面板堆石坝来说，由于采用抛填、人工堆砌等施工方法，坡度多在1 ：0 5 左右，比松散抛填堆石的天然休止角( 1 ：1 3 ) 要陡，其稳定性需要进行专门分析。随基 本假定的不同，面板堆石坝的稳定分析方法很多，如瑞典圆弧法、简化毕肖普法、扬 布法以及滑契法等。而现代混凝土面板堆石坝都经成层碾压而成，有良好的渗透性， 并且其坡度一般接近于l ：1 3 的天然休止角，这个坡度小于碾压堆石的抗剪强度，因 此一般不需作稳定分析。 ( 三) 数值模拟与计算分析 尽管碾压式面板堆石坝的密实度和变形模量比早期面板堆石坝有了很大提高，但 大坝变形仍然是其主要问题，尤其是高混凝土面板堆石坝，变形问题更为突出，因而 研究坝体的应力与变形是一个重要课题。自2 0 世纪6 0 年代后期，有限单元法开始应 用于土石坝的应力应变分析以来，已取得了丰硕的成果 4 7 4 8 1 。 目前国内面板堆石坝数值模拟有限元计算分析中，坝体堆石料采用的本构模型大 致分为：非线性弹性模型、弹塑性模型。非线性弹性模型主要有：1 9 7 0 年，d u n c a n 和c h a n g 根据k o n d e rr l 关于土料三轴试验的( q 一吒) 占关系瞌线近似呈双曲线的 假定 3 7 1 而提出了d u n c a n e y 模型3 8 1 ；1 9 8 0 年d u n c a n 对以上d u n c a n e y 模型提出 修改，用切线体积模量鸟代替原d u n c a n e y 模型中的切线泊松比u ，而提出了 d u n c a n e b 模型【3 9 】【4 5 】；n a y l o rd j 认为土的切线体积变形模量随限制压力( 即平均 法向应力) 增加而增加，土的切线剪切模量随广义剪应力增加而减小，在破坏时变为 零，而提出了n a y l o r k g 模型 4 0 l 。弹塑性模型主要有：n a y l o rd j 根据剑桥模型一” 作出两点修改提出了连续塑性临界状态模型1 4 2 1 ；1 9 7 5 年p - vl a d e ，j m d l l l l c a n 在真 第一章绪论 三轴仪上对砂进行试验，在其成果上建立一个弹塑性应力应变模型，即l a d e - - d u n c a n 弹塑性模型；向大润、刘斯宏在试验的基础上建立了一个土体的弹塑性模型“空 间准滑面”模型，简称s m p 模型；沈珠江在d u n c a n 模型的基础上，提出了双屈服面 模型，即“南水”模型【4 6 1 ：1 9 8 8 年殷宗泽通过对三轴试验资料的分析，在修正剑桥模 型的基础上提出了双屈服面模型【4 3 1 ；c a m b r i d g e 利用增量塑性理论建立应力应变计 算模型，即c a m b r i d g e 弹塑性模型。目前以d u n c a n e b 模型和“南水”双屈服面模 型应用较多，而且也得到了较为满意的结果 4 4 1 。 ( 四) 安全监控 ( 1 ) 安全监控的目的和意义 在水利资源的开发利用中，大坝是最重要的水工建筑物，其运行安全与否，不仅 关系到综合效益的发挥，更重要的是关系到千百万人民生命财产安全的大问题。目前 面板堆石坝仍处于发展和研究阶段，研究人员对它的认识仍需要进一步发展，为了保 证面板堆石坝的安全运行，揭示其内在规律，促进筑坝技术的发展，必须加强对大坝 的安全监控工作。其意义有以下四个方面： 掌握面板堆石坝的工作状态，指导运行管理 许多破坏实例表明：面板堆石坝发生破坏事故往往是有先兆的，对其进行认真系 统的检查监测并对监测成果进行分析，就能及时掌握大坝的性态变化，确定安全控制 水位，指导运行管理。在发生不正常情况时，及时采取加固补强措施，把事故消灭在 萌芽阶段。 验证设计理论和选用参数的合理性 由于人们对自然界规律的认识还有待深入，加之水文、地质等条件的复杂性，目 前尚不能对影响面板堆石坝的所有复杂因素都进行精确的计算，在坝工设计中常采用 一些经验或简化公式求其近似解，难以恰当反映实际情况。原型监测是对“l ：1 模型” 所进行的研究工作，对已建的面板堆石坝在适当部位埋设各种仪器，并进行长期监测， 研究分析监测资料，不仅可以掌握大坝性态的变化规律，而且可以验证原设计理论的 正确性和参数选取的合理性。 检查施工质量，科学指导施工 分析施工期监测资料，可以了解面板堆石坝的施工质量和在施工期间的结构性态 河海大学硕士学位论文 变化。为后继施工采取合理措施提供信息，据此指导施工，保证工程质量。 为研究面板堆石坝的设计理论、促进筑坝技术的发展提供科学依据 目前研究水工建筑物结构性态的主要手段是理论计算和模型试验，由于影响因素 的复杂性，研究时均需作一些假定或简化，对新型和复杂的结构更是如此，致使计算 结果和试验测值与实际情况存在差异。“l ：1 模型”的监测资料综合反映了各种因素的 影响，其结果可弥补前两种方法之不足，据此对设计理论和方法进行修正，可进一步 提高筑坝技术水平。 ( 2 ) 安全监控研究内容 大坝在外界荷载和外界环境影响下的工作状态是一个复杂的系统，完成这一系统 的安全监控工作至少有三方面的工作内容即原型监测、系统识别和馈控分析。 原型监测 原型监测工作是安全监控的基础工作，系统识别和馈控分析等研究工作都是建立 在原型监测这一基础工作之上的。为获得大量可靠的第一手资料，应做好四点：监测 系统设计、埋设和安装监测仪器设备、现场监测、监测资料整理。 系统识别 对于面板堆石坝系统而言，系统识别就是根据系统长期的监测资料即输入( 环境 量) 和输出( 效应量) 信息，寻找它们之间的关系。通过系统参数和模型类型的确定， 建立输入输出信息之间的数学模型，研究它们之间的内在规律和发展趋势，为系统的 预测、控制和决策提供理论依据。 馈控分析 应用原型监测和系统识别的成果，一方面对已建的系统进行预测、控制和决策， 使其发挥最大的效益；另一方面对宋建系统的设计、施工和运行进行指导，从而达到 优化设计、科学管理，促进筑坝技术的进一步发展。 ( 五) 反分析 反分析，即以现场监测到的反映系统力学行为的某些物理信息量( 如位移、应变、 应力或荷载等) 为基础，通过反分析模型( 系统的物理性质模型及其数学描述，如应力 与应变关系式) ，推算得出该系统的各项或一些初始参数( 如初始应力、本构模型参数、 几何参数等) 的方法，其中通过反分析推求出反映材料应力应变关系的本构模型力学参 第一章绪论 数方法，即为参数反演分析方法，最终目的就是要建立一个更接近现场实测结果的预 测模型。根据实测资料进行参数反演分析，其结果的可靠性和精度往往取决于反分析 所依据的物理信息量的计算值和实测值的精确度。目前，应用较多的有限元法计算位 移的精度较高，而且现场监测资料的可靠性和精度都比较理想，故反演分析方法在许 多重大工程中得到广泛的应用，如水利工程、岩土工程等1 和1 5 1 1 7 3 7 4 1 1 4 9 1 。 在水利和岩土工程中，反分析可分为应力反分析法、位移反分析法、应力与位移 的混合反分析法，由于位移信息较易获取，且精度可靠，因此位移反分析法应用最为 广泛。 根据所给定的材料本构模型，位移反分析可以分为弹性问题位移反分析、弹塑性 问题位移反分析、粘弹性问题位移反分析、以及粘弹塑性问题位移反分析：根据反分 析计算方法又可分为图解法、解析法和数值法三大类，其中数值法主要用于解决复杂 工程性态和非线性问题。随着计算机技术的高速发展和数值计算方法的不断改进，数 值解法发展飞快，并在工程中得到了广泛的应用。数值法又可划分为直接分析法、概 率统计法和逆分析法三类。 ( 1 ) 直接分析法是把正分析的数值分析法和数学规划法结合起来，建立寻找可使计 算位移与实测位移误差最小的参数方法。它不需要建立待求的参数和实测位移之间的关 系式，只需应用最优化理论不断修正未知参数即可。该方法可以广泛用于求解线性和非 线性反分析问题。 ( 2 ) 概率统计法是将反分析计算系统输入的监测值作为随机不确定量，从而使系统 的输出量基本参数也是随机不确定量，将数理统计原理引入反分析的一种方法。这种方 法可以用来研究实测数据的测量误差等对反馈分析得到的参数的影响，也可以用来研究 地基中土层分布的不确定性以及地基中土的力学性质在空间的变化等。此类方法目前主 要有b a y e s 法、极大似然法和卡尔曼滤波法等。 ( 3 ) 逆分析法是在待求参数和实测位移之间直接建立关系式进而求解的方法。其优点 是计算原理直观简明，所需计算机内存少，计算速度较快。在水利和岩土工程中，一 般都为非线性问题，想在模型待求参数与实测位移之间直接建立其关系式是很难实现 的，通常需要借助于有限元方法。 河海大学硬士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 本文结合教育部跨世纪优秀人才培养基金( 2 0 0 3 5 1 2 6 4 3 ) ，开展面板堆石坝坝体变 形监控模型建立方法的研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 探讨了面板堆石坝变形特点，研究了坝体变形影响因子组成，基于d u n c a n - - c h a n g 模型和流变模型理论，综合考虑各影响因素相互作用关系，建立了面板堆石 坝变形综合分析模型。 ( 2 ) 根据系统论，研究了面板堆石坝呈现出的各信息的不确定性关系，以及影响 因素权重确定方法，提出了线性组合赋权方法，并引入信息分配法构建了不确定关系 矩阵的模式，建立了面板堆石坝沉降不确定信息分析模型。 ( 3 ) 基于反分析理论，研究了将b p 神经网络模型与数值分析方法相结合的反分 析方法，建立了相应的面板堆石坝参数反演分析模型。 ( 4 ) 应用所建立的面板堆石坝坝体变形监控模型，对东津面板堆石坝运行期坝体 变形进行了综合分析评价，研究了堆石体材料主要计算参数随时间变化的规律。 第二章面板堆石规变形综合分析模型 2 1 概述 第二章面板堆石坝变形综合分析模型 面板堆石坝变形分为竖直方向的变位( 即沉降) ，上下游方向的水平变位和沿坝轴 线方向的变位三个分量。由于面板堆石坝坝体是多种材料组成的散粒体，在荷载作用 下，坝体变形较大，尤其是沉降变形更为明显。变形的大小是影响周边缝错开、面板 脱空以及大坝安全等的重要因素。 面板堆石坝的变形监测效应量是各种环境量综合作用的结果，其量值大小主要取 决于坝型、材料的物理力学性能及外界荷载的变化情况。为了解各环境量与效应量之 间的关系，可通过数学和力学方法建立它们之间的函数关系式。然而由于面板堆石坝 本身结构、所用材料以及多环境因素综合影响的复杂性，函数关系极为复杂甚至不可 能用显式函数来表示，只能通过确定性函数法，物理推断法及统计相关法来推求效应 量的表达形式，然后再根据优化方法( 如最d - - - 乘法) 确定对应的计算参数，这就是 常说的统计模型。 建立模型的关键是选择影响效应量( 如变形) 的因素( 或因子) 及其数学表达式。 目前常用的分析方法有：根据坝工理论，利用确定性函数考察因子形式；用物理推断 法判断因子组成及其形式：用统计相关法检查因子及其拟合程度。有时这三种方法同 时使用，以便相互印证。 目前面板堆石坝所建统计模型主要影响因素考虑不够全面，以及将各个影响因素 独立考虑，例如：水压分量仅考虑当日水头的影响，时效分量的确定没有综合考虑荷 载与时间的相互作用影响等。因此，本章针对上述问题对现有统计模型中的因子选取 提出部分改进：水压分量不仅考虑当日水头，而且考虑前期平均水位和水力升降速 率等多影响因素；通过分析堆石体的流变特点，借助流变模型，得出堆石体的流变 变形不仅仅是随时间而变化的函数，而是作用荷载( 堆石体自重、水头等) 与时间相 互作用产生的结果，从而确定时效分量的函数表达式。在此基础上，建立综合分析模 型。 下面首先一一介绍土石坝变形统计模型和目前常用的堆石坝统计模型，在此基础 q 河海大学硕士学位论文 上综合考虑多因素影响下，面板堆石坝变形综合分析模型的建模原理。 2 2 土石坝变形统计模型 影响土石坝变形的因素众多，有坝型，割面尺寸，筑坝材料，施工程序和施工质 量，坝基的地形、地质以及库水位的变化情况等等。由于这些因素错综复杂，目前尚 不能全面综合考虑以上诸多因素，常采用抓住主要影响因素建立土石坝变形统计模型， 其中影响因子选择有：施工期主要考虑筑坝高度和时效影响，蓄水期和运行期主要考 虑坝前库水位、温度以及时效影响。 下面以土石坝沉降为例，详细介绍土石坝在施工期和运行期内坝体沉降变形统计 模型的建立。 根据土工原理，土石坝沉降主要分为三个阶段：初始沉降，固结沉降和次固结沉 降川。初始沉降是坝体及其坝基发生的压缩变形，这部分沉降在填筑过程中发生，土 石坝在施工期发生的沉降主要部分就是初始沉降。固结沉降是由于土体固结，土颗粒 间的孔隙水逐渐排出而引起的沉降，一般土石坝竣工后蓄水运行l 2 年内的沉降属于 固结沉降，通常初始沉降和固结沉降很难以明显的界限划分。次固结沉降是土体中颗 粒骨架在持续荷载作用下发生蠕变所引起的，土石坝正常蓄水运行后的沉降主要是次 固结沉降。大量土石坝观测资料表明，土石坝在施工过程中，随坝体填筑高度的增加 而产生的固结变形占相当大的部分。蓄水运行后，主要是土体蠕变引起的次固结沉降， 并且随着库水位的周期循环，坝体变形也有一定的上下波动，但总的变化逐渐趋于收 敛，最终趋于平稳。 根据以上土石坝变形原理，其坝体沉降统计模型建立如下： ( 1 ) 施工期沉降统计模型 土石坝施工期的沉降主要与竖向荷载( 即填土高度) 和含水量有关，即与土体有 效应力有关，因此其统计模型的表达式为 a = b 0 + b l n o - ( 2 1 ) 式中，一压缩率，：竽；色一固结管横梁间的垂直距离；皖压缩量；盯测 第二章面板堆石坝变形综合分析模型 点以上直立的土柱重量( ，居) 扣除测点附近测压计观测的孔隙水压力值，也就是有效应 力，其中，一填土容重，矗一填土高度：6 0 、6 l 一皆为统计参数。 ( 2 ) 运行期沉降统计模型 运行期内土石坝的沉降主要由土体固结和蠕变引起，同时也受库水位和温度等因 素的影响。其中固结引起的沉降也反映了时效的特性。 土体固结和蠕变引起的沉降 根据固结理论，运行期的沉降过程，其实质是土体内孔隙水逐渐排出，孔隙体积 逐渐减小，土骨架和孔隙水所受压力逐渐转移和调整的过程。 某层饱和土体的固结变形可以表示为 纠一争“ ( 2 2 ) 式中，臼一开始固结至观测e l 的时间；卅一待定参数。 从式( 2 2 ) 可以看出，土石坝沉降随时间衰减。考虑到土体的蠕变性质，一般土 体蠕变变形磊( 或瓦) 可用下列多种形式表示： 蟊= c 1 口+ c 2 l n o ( 2 3 ) 磊2 万。焉 2 - 4 ) 岛= c 。0 ( 2 5 ) 以= c t e 6 归 ( 2 6 ) 式中，q 、c ：、q 一皆为待定参数。 水压引起的沉降 水库蓄水后，坝体在水荷载的作用下，主要产生三个方面效应一水压力、上浮力 和湿化变形。综合三个方面的因素，水压引起的坝体沉降为水头日的函数，对其用泰 勒级数展开，并取前3 项，则表达式为 晶= o a h + a = h 2 + 吩日3 ( 2 7 ) 河海大学硕士学位论文 式中，厅一水头；q 、a 2 、码一皆为待定参数a 温度引起的沉降 一般而言，温度变化导致土体线胀变化从而引起的坝体沉降相对较小，所以通常 不考虑温度影响因素，但在高寒地区负温将引起土体冻胀，由此引起的变形应加以考 虑。一般选择温度因子的时候，如果坝体内部布设有足够数量的温度计时，则选用各 温度计的测值作为因子，表达式见式( 2 8 ) ；如果没有坝内温度监测资料，则坝体内 的任一点温度可用一组多周期的谐波作为影响因子，表达式见式( 2 9 ) 。 岛= 艺6 j 正 ( 2 8 ) i = 1 磊；洳c o s 朵蝴i n 罢) ( 2 9 ) 式中， 一般可取9 l o ；鸭一般取1 或2 ，= 1 为年周期，m 3 = 2 为半年周期。 6 f 、6 1 ，、b 2 ，一皆为待定参数。 故运行期土石坝沉降统计模型一般为 瓯：口0 + 壹q h i + 。l p 一晶) + c 2 。一d ( 嘲) ( 2 1 0 ) 对于严寒地区 有坝体温度监测资料可采用 瓦：+ 壹q h + 艺6 j z + q p 一岛) + c 2 e - 叫f 一日】 ( 2 1 1 ) 无坝体温度监测资料可采用 瓦州喜叫+ 孙c o s 等地s 洫等 州) + c 2 e 叫哪) 位 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 中，日一水头：r 一坝体开始填筑日至始测日的时 间；目一坝体开始填筑日至观测日的时间：嘞、q ( f = 1 3 ) 、岛( f = 1 ) 、岛，( j - 1 码) 、 6 2 ，( f _ 1 鸭) 、q 、乞一皆为待定参数a 1 2 - 第二章面板堆石坝变形综合分析模型 以上为土石坝不同时期沉降统计模型的建立方法，虽然土石坝水平位移相对沉降 小很多，但水平位移过大会导致防渗体的裂缝，从而影响到防渗体系的防渗效果，同 时还影响到上下游坝坡的稳定，因此建立土石坝的水平位移统计模型对土石坝变形分 析和维护控制也是相当重要的。在土体的固结和次固结过程中，由于侧向膨胀，在产 生沉降的同时还引起水平位移。以及坝体所受水压力或渗透力的水平分力将产生坝体 水平位移。综上分析表明，土石坝水平位移影响因素与沉降影响因素一样，故土石坝 水平位移统计模型的因子组成及因子形式与沉降统计模型相同。因此，土石坝水平位 移统计模型表达式同沉降统计模型，见式( 2 i 0 ) 、( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 。 2 3 面板堆石坝的统计模型 上一节主要介绍了土石坝变形统计模型的建立，虽然面板堆石坝筑坝材料特性和 坝体组成构架以及坝体变形规律与土石坝有一定的相似之处，但毕竟粗大散粒体堆石 材料与具有一定粘性的细颗粒土体工程特性上仍存在一定的差异。同时随着面板堆石 坝的广泛修建，人们对其研究也越来越深入，包括面板堆石坝统计模型研究，下面将 详细介绍到目前为止常用的堆石坝统计模型。 ( 1 ) 早期对于抛投式心墙堆石坝估算沉降大小常采用经验公式叫： l a w t o n 、l e s t e r 公式 竣工以后至变形终了的沉降为 s = o 0 0 1 h 3 7 2( 2 1 3 ) 式中，s 一沉降值；h 坝高。 s p e e d i e 公式 施工期沉降为 s = 0 0 3 5 ( h - 1 3 、 ( 2 1 4 ) 竣工后5 年的沉降为 竣工后1 0 年的沉降为 l g 墨= 0 0 1 7 h 一1 3 5 ( 2 1 5 ) 1 9 s o = 0 0 1 5 6 h - 1 1 6 1 3 - ( 2 1 6 ) 河海大学硕士学位论文 式中，s 施工期沉降，s 一竣工后5 年沉降，一竣工后1 0 年沉降；日一坝高。 以上经验公式带有很大的局限性，由于当时统计的大坝很少超过1 0 0 m ，但这些公 式某种程度上也反映了抛投式堆石坝的坝体变形很大。按l a w t o n 公式计算，1 0 0 m 高 的坝竣工后至最终沉降为l m ：按s p e e d i e 公式竣工后1 0 年沉降为2 5 m 。相对比现代 所建面板堆石坝的沉降大许多，其原因为：抛投式堆石孔隙率在3 5 以上，故沉降量 大，而现代堆石坝采用重型振动碾压实堆石，其孔隙率可达2 0 2 5 ，沉降量大大减 少，为抛投式堆石坝沉降量的1 5 1 1 0 。 ( 2 ) 1 9 8 8 年c h a r l e sj a 和p e n m a na d m 通过对四座堆石坝的观测分析，提出 了如下计算施工期坝体最大沉降的半经验公式 1 2 i s 。= 0 3 y h 2 d ( 2 1 7 ) 式中，一堆石体容重；一坝高；d + 侧限模量。 同时c h a r l e sj a 通过对l l y nb r i a n n e 坝的观测分析，认为对于现代碾压堆石坝 而言，因碾压密实而且在碾压过程中己加了一定量的水，首次蓄水时湿化变形是可以 忽略不计的。 ( 3 ) 文献【h 锻据堆石体的变形规律提出面板堆石坝沉降经验估算公式。由堆石坝 一般沉降规律可知，堆石体沉降与时间的关系为：开始阶段荷载较小，沉降量也较小， s t f 曲线较平缓，随着填筑体的升高，荷载加大，堆石体沉降发展加快，s f 曲线 较陡，最终沉降变形趋于完成，曲线也趋于平缓。采用函数拟合沉降随时间变化的曲 线，常见的两种函数有 s = ( 1 - a e 4 ) ( 2 1 8 ) s = 南墨 ( 2 1 9 ) 式中，4 、b 、口一皆为待定参数；s t 一最终沉降量，待定。 ( 4 ) 文献 m 1 对面板堆石坝的沉降和水平位移分别提出如下对数型统计模型 沉降 鼠= s o + d 舻+ b l g ( 1 + f l l t ) ( 2 2 0 ) 水平位移 邑- - = a 0 + t h h + a 2l g ( 1 + a t ) + a 3 f ( 2 2 1 ) 第二章面板堆石坝变形综合分析模型 式中，q 、层、口2 、岛、y 一皆为试算参数：s o 、a 、6 、a 0 、q 、a 2 、坞一皆为 统计回归参数；矗一测点以上堆石高度；啊一库水头。对于表面沉降和表面水平位移， h = 0 。 ( 5 ) 文献从坝体沉降主要影响因素，以及各影响因素所选因子组成形式的多样 性考虑，提出采用多项式表示的面板堆石坝沉降统计模型 施工期沉降统计模型 s 2 4 + 4 h 4 + 4 h 6 + 4 h 。+ 心+ 4 ( - 岛) + 4 ( e 一。一e 一) ( 2 2 2 ) 式中， 一测点以上坝体填筑高度；t o 一开始填筑到开始观测之间的时间；r 一从开始 填筑起计的时间；口、b 、c 、d 、4 、4 、4 、呜、a 4 、4 、4 、d 一皆为统计 回归参数。 运行期沉降统计模型 s 2 4 + a t h 4 + 4 月6 + 鸣日。+ 4 日。+ 4 ( 一r o ) + 4 ( p 一e - d r 。) + 4 丁 ( 2 2 3 ) 式中，h 一库水头；r 一气温；口、b 、c 、d 、4 、4 、4 、4 、a 4 、4 、4 、4 、 d 一皆为统计回归参数。 ( 6 ) 文献1 1 9 1 根据工程徐变力学理论和相关坝工知识，提出面板堆石坝旌工期沉降 统计模型 鼠= & + s( 2 2 4 ) s o = 4 + a t h 4 + 4 h 6 + 鸽 。+ 4 。 ( 2 2 5 ) 式中，鼠一施工期坝体沉降：s o 一填筑堆石体自重引起沉降：厅测点以上坝体填筑 高度；d 、b 、c 、d 分别取值0 5 、0 7 5 、1 、2 ：4 、4 、4 、4 、以一统计回归 参数；s 一时效引起的变形，一般选取( 1 一。一“) 、( f + 1 n f ) 、1 0 9 l t l + o o c 厂 ( 7 ) 文献口州基于堆石坝沉降产生机理，综合考虑坝体堆石应力与时间的耦合影响， 提出面板堆石坝沉降统计模型如下 河海大学硕士学位论文 s = s o + 砌。( b g 一皿1 ( 2 2 6 ) 式中，s 一沉降量；墨为漏测沉降量；i l 坝9 点以上坝体填筑高度；，一时间；s o 、a 、 b 、口、声一皆为统计回归参数，先采用单纯形法对b 、口和卢进行统计分析，然后 对s 和a 进行线性回归分析，两步交叉进行，可得出5 个统计参数。 2 4 面板堆石坝变形综合分析模型 由面板堆石坝监测资料分析可知，面板堆石坝坝体变形常滞后于坝前库水位的变 化，而且库水位急剧变化对坝体变形也有一定的影响。据众多面板堆石坝统计分析可 知，堆石体的流变变形是坝体变形的重要组成部分，尤其是运行期内。堆石体的流变 变形是指堆石体在一定荷载作用下随时间变化发生的变形，其大小应该是作用在堆石 体上的荷载与时间因素相互作用的结果。而上节介绍的目前常用面板堆石坝统计模型 在运行期内未考虑到前期平均水位和水力升降速率对坝体变形的影响，而且众多模型 中流变变形并末考虑荷载与时间之间的相互作用影响。因此本文从面板堆石坝变形特 点着手，根据d u n c a n - - c h a n g 模型和流变模型理论，对现有面板堆石坝统计模型中的 因子选取进行修正，提出了面板堆石坝变形综合分析模型。 对于面板堆石坝而言，坝体变形过程以及变形机理与土石坝有一定的相似之处， 堆石体变形过程为：首先是外力做功变形阶段，即外力做功( 如振动碾压) 使堆石体 逐步密实，这一变形过程称为主压缩变形，相当与土石坝沉降变形中的初始沉降，其 特征是压密变形的时间很短，外力做功完成后，变形也基本完成。此阶段堆石颗粒之 间以脆性接触为主，主要表现为颗粒的分解细化、相对变位、相互充填和结构调整， 也伴有堆石颗粒棱角大量的破碎，而且随着碾压功的增加，颗粒破碎也越来越厉害， 向孔隙充填的进程也在迅速加快，但外力做功有限，细化颗粒对孔隙的充填不可能很 充分，变形也只能停留在一个相对稳定的水平。其次是流交变形阶段，这时对堆石的 振动碾压虽已结束，但由于骨架应力的重新分布导致粗大颗粒棱角或者软弱颗粒少量 的破碎、细化，颗粒排列进一步得以调整，这在宏观上表现为堆石体的缓慢变形。这 一变形过程对应于土石坝沉降变形中的固结沉降和次固结沉降。在面板堆石坝首次蓄 1 6 第二章面板堆石坝变形综合分析模型 水及以后的运行过程中，上述重排列现象还将受到环境因素的影响从而加剧了堆石块 的破碎过程( 如：库水渗透、降水引起的堆石的湿化等原因导致堆石强度降低) 。这种 高接触应力、堆石块破碎和重新排列、应力释放、调整和转移的过程不断重复并越来 越慢，最后趋于相对静止。宏观上表现为在荷载作用下堆石的变形增量逐渐减小，但 总的变形趋势非常明显，所以这个过程需要相当长的时间才能完成，直至不再发生破 碎。由此可见，上述面板堆石坝的变形过程和呈现的变形规律与土石坝有一定相似之 处。根据d u n c a n - - c h a n g 模型和流变模