（水工结构工程专业论文）面板堆石坝面板脱空问题分析方法研究.pdf

摘要 摘要 随着2 0 0 m 级混凝土面板堆石的出现，面板堆石坝的发展面临新的挑战。堆 石体的流变和面板脱空问题是目前面板堆石坝的研究热点和难点。本文结合实测 资料，在深入分析面板堆石坝特点的基础上，通过参数反分析，应用接触力学法， 对面板堆石坝的面板脱空问题进行了深入的研究和分析，具体内容如下： ( 1 ) 研究了面板堆石坝堆石体的本构模型及其流变特性，通过对用户子程 序的研制，将d u n c a ne b 模型和三参数流变模型嵌入商业通用有限元软件 m s c m a r c 中，并通过分级加载和初始应力应变的加载实现了面板堆石坝的施工 仿真有限元模拟。 ( 2 ) 针对面板堆石坝参数反演的特点，结合实测资料，建立了演化人工神 经网络参数反分析模型，提出了模型建立的具体方法和步骤。 ( 3 ) 在深入分析面板脱空特点及其接触单元模型分析方法的基础上，结合 m s c m a r c 软件实现了面板和垫层的接触特性模拟。基于直接约束算法，研究了 堆石坝面板脱空问题的接触力学分析法。 ( 4 ) 应用前述的理论和方法，对天生桥面板堆石坝面板脱空进行了有限元 分析计算，得到了与实测资料较为吻合的计算结果，分析探讨了面板堆石坝产生 脱空的原因及预防和处理措施。 关键词：面板堆石坝、面板脱空、接触力学、参数反演、演化算法、 人工神经网络、直接约束法 a b s t r a c t a b s tr a c t w i t ht h ec o n c r e t ef a c e dr o c k f i l ld a m ( c f r d ) a b o u t2 0 0 mi nh e i g h ta p p e a r i n g ， t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc f r df a c e sm a n yn e w c h a l l e n g e s p r e s e n t l y , t h ed i f f i c u l t y a n dh o ti s s u eo fs t u d yo nc f r da r ec r e e po fd a mb o d ym a t e r i a l sa n dt h ev o i do f c f r d i nt h i sp a p e r , b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so fc f r d ，t h ev o i do fc f r di sf u r t h e r s t u d i e db yb a c ka n a l y s i so fp a r a m e t e r s ，w i t hc o n t a c tm e c h a n i c sm e t h o d t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf e l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n s t i t u t i v em o d e l sa n dc r e e po fr o c k f i l lm a t e r i a la r es t u d i e d t h e n t h e m s c m a r ci sp r o g r a m m e ds e c o n d l yb yu s e rs u b r o u t i n e so fd u n c a ne bm o d e la n d t h r e ep a r a m e t e r sc r e e pm o d e l ，f o rc o n s t r u c ts i m u l a t i o nw i t hs t e p b y - s t e pl o a d i n g ( 2 ) i na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a c ka n a l y s i so fc f r d b a s e do nt h e i n 。s i t ud a t a ，t h em o d e lo fe v o l u t i o n a r ya l g o r i t h ma n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki s e s t a b l i s h e d t h em e t h o da n d s t e p so fe s t a b l i s h m e n ta r eg i v e ni nd e t a i l ( 3 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv o i do fc f r da n dt h em e t h o d o fi n t e r f a c ee l e m e n t ，t h ec o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nc o n c r e t ef a c ea n dd a mb o d y i ss i m u l a t e db ym s c m a r c i na d d i t i o n ，t h ec o n t a c tm e c h a n i s ma n a l y s i sm e t h o do f v o i do fc f r di ss t u d i e dw i t hd i r e c tc o n s t r a i n t sa l g o r i t h m ( 4 ) a p p l y i n gt h et h e o r i e sa n dm e t h o d sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h ev o i d p h e n o m e n o no ft i a n s h e n g q i a oc f r di sa n a l y z e dw i mf e mm e t h o d t h er e s u l t s t e s t i f i e db yi n s i t ud a t a t h ep o s s i b l er e a s o nf o rv o i do fc f r d t h ep r e v e n t i o n m e a s u r ea n dt r e a t m e n ta r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c f r d ；v o i do f c f r d ；c o n t a c tm e c h a n i s m ；b a c ka n a l y s i so f p a r a m e t e r s ； e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；d i r e c tc o n s t r a i n t s a l g o r i t h m 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己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 矽年髟月确 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) ： 加6 年肜月场日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 面板堆石坝的特点及其发展历程 混凝土面板堆石坝( c f i ) 由防渗体、垫层区、过渡区、堆石区四部分组 成，其中过渡区和堆石区又可合称为堆石体。上游面板是防渗体，用来防止上游 的库水通过坝体向下游渗漏，其材料可以用钢筋混凝土材料或者沥青混凝土材料 等。垫层区位于防渗体与过渡区之间，由高密实度的碾压的小粒径砂组成，该部 分为面板提供了一个平整的浇注平面，并将水压力均匀地向过渡区及堆石区传 递，缓和堆石区变形对面板的影响。过渡区位于垫层区与堆石体之间，用以实现 垫层与堆石的过渡。堆石体一般由级配合理的大小块石堆筑而成，占面板坝体积 的绝大部分，块石与块石之间不采用水泥砂浆或水泥石灰砂浆等胶结材料填充， 因而块石之间存在有空隙，不相互胶结仅相互接触。面板堆石坝在承受水压力、 地震力和其它荷载等作用下，主要依靠堆石的重量和抗剪强度来保持整个坝体的 稳定。 1 1 1 面板堆石坝的发展历程 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【卜3 】： ( 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 ts p r i n gd a m ) ，裂缝竞达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。由于抛填堆石坝导致面板裂缝和大量 渗漏，使其安全成为问题，因而在上世纪4 0 5 0 年代出现了一个停滞时期。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。1 9 5 8 年英国的库契坝( q u o i c h ) 首次引入振动碾进行 河海大学硕士学位论文 薄层碾压，层厚o 6 c m ，先用1 0 t 平碾压平，再用3 5 t 振动碾压实，3 8 m 高坝只 沉降了1 9 c m ，从而开始了由抛填堆石坝向碾压堆石坝的过渡。 ( 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 9 8 8 年至1 9 9 0 年我国建成了首批1 0 座面板堆石坝，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 吲。 1 1 2 现代面板堆石坝的发展 现代面板堆石坝的发展主要表现在如下几个方面【l 】【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。 ( 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。采用滑模浇筑混凝土面板，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。 第一章绪论 1 1 3 现代面板堆石坝的特点 混凝土面板堆石坝在国内外迅速发展，不是偶然的，这是由其自身在技术和 经济上的优势所决定的。与其它坝型相比，面板堆石坝具有以下几个方面的特点 6 - - 7 1 ： ( 1 ) 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1 7 左右，而且水荷载的合力在坝轴线以上传至地基中，有利于坝体的 稳定；堆石体分层碾压后，具有较高的密实度，从而提高了堆石的抗剪强度。堆 石坝的坝体坡度一般定为1 ：1 3 或l ：1 4 ，大致为松散抛填堆石的自然休止角， 大大低于碾压堆石的内摩擦角( 碾压堆石的内摩擦角大于4 5 0 ) 。因此，在实际的 设计工作中，一般不必作抗滑稳定计算。 ( 2 ) 堆石坝的透水性强，几乎可以不受渗透压力的影响。堆石在通过振动 碾压后，由于石块之间的相互挤压作用，石块之间紧密接触，形成一种骨架，承 受堆石体的重量。组成骨架的堆石间相互接触面积小，堆石间摩阻力大，使骨架 中的岩块保持稳定。因此，面板坝不会因为渗透水流而产生显著的沉降。 ( 3 ) 施工方便。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。 由于面板坝坝体结构简单，堆石填筑、面板施工、趾板及其灌浆施工等工序可以 独立进行，工序间干扰少，便于机械化施工，施工进度快。另外，气候条件对堆 石体施工影响很小，只要不是特别恶劣的天气，可以进行正常的施工。 ( 4 ) 造价低，工程效益发挥快。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，充分利用当地材料和枢纽建筑物 的开挖料及软岩料，做到“料尽其用”，降低造价。 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。 1 2 研究的目的和意义 由于面板堆石坝本身的特点，其整体稳定性很少成为工程问题，堆石体具有 较高的强度，可以维持较陡的边坡，粗颗粒形成的骨架能很好地保持其渗透稳定 河海大学硕士学位论文 性，已建工程很少会因整体失稳而导致工程失事。又因为坝体堆石不与水库的水 直接接触，水压力全部作用在混凝土面板上，因此，面板的应力、变形及周边缝、 面板缝的止水结构就成为面板堆石坝安全的关键。 随着建坝数量的增加，坝高的增大，尤其2 0 0 m 级的混凝土面板堆石坝的出 现，面板堆石坝的发展面临新的挑战，如高面板堆石坝的堆石流变现象、分期施 工的面板脱空现象、高面板堆石坝的蓄水后期面板变形问题和止水形式的设计以 及面板堆石坝的安全评价等f 8 叫。同时由于建造高坝很难在一个枯水期内完全建 成，或者中低坝建坝时受当地的各种条件的限制，面板堆石坝的面板有时需要进 行分期浇筑，这样面板的受力就更为复杂，变形也更难准确的预测。许多已建、 在建的面板堆石坝在浇筑二期面板时，一期面板顶部都出现了脱空现象，同样在 三期面板浇筑时也出现同样的问题。面板与垫层的脱空将恶化面板的受力状况， 引起面板开裂，破坏堆石坝防渗体系，进而危及大坝安全。研究造成面板脱空的 原因，预测面板是否会出现脱空及出现脱空值的大小，如何预防面板脱空以及出 现脱空后采取何种措施来进行补救等已成为目前亟待解决的重要问题。 1 3 面板堆石坝研究现状及问题的提出 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 j ，株树桥面板堆石坝面板断裂、止水结构破坏、大 量漏水冲刷严重等【1 1 1 。为了确保面板堆石坝的安全经济运行，优化设计和施工， 国内外对坝体堆石料本构模型，堆石料的流变特性，材料参数分析和反分析，面 板与堆石体的接触面特性模拟等方面进行了深入研究。 1 3 1 堆石料本构模型 堆石料是按照一定的级配经过碾压而成的碎石体，它具有许多复杂的变形特 性，主要表现在：非线性，堆石坝的应力应变关系表现为典型的非线性关系； 压硬性，堆石体的弹性模量随着围压的增大而增加；剪缩性，堆石体受荷时， 颗粒会产生破碎和滑移，引起体积收缩；各向异性，不同方向的应力差异引起 4 第一章绪论 变形刚度不同。实际上没有种本构模型能够准确描述土体的所有复杂变形性 状，各类模型都有它的应用范围和局限性。自从1 9 6 3 年r o s c o e 【1 7 】的剑桥模型问 世以来，所提出的各种岩土本构模型已经多得难以统计。目前，常用的堆石体的 本构模型主要有非线性模型和弹塑性模型两大类。前者考虑土体的总应变，在加 载和卸载的过程中采用不同的计算模式；后者将土的应变分量分为弹性应变和塑 性应变两部分，分别采用不同的理论和计算模式。 常用的非线性弹性模型主要有：19 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( 0 - 一0 3 ) 占关系曲线近似呈双曲线的假定【1 2 】而提出了 d u n c a n e y 模型【1 3 】；1 9 8 0 年d u n c a n 对以上d u n c a n e v 模型提出修改，用切 线体积模量e 代替原d u n c a ne i i 模型中的切线泊松比u ，而提出了 d u n c a n e b 模型【1 4 】【1 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【1 6 1 。弹塑性模型主要有：n a y l o rd j 根 据剑桥模型【1 7 j 作出两点修改提出了连续塑性临界状态模型【1 8 】；1 9 7 5 年p vl a d e ， j m d u n c a n 在真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；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【1 9 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【2 0 1 。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。 1 3 2 堆石料的流变特性 目前，非线性有限元法和弹塑性有限元法广泛应用于面板堆石坝的结构分 析，计算结果在一定程度上反映了大坝结构的工作性态。然而，这些方法都无法 反映大坝结构的时间效应。实际的面板堆石坝工程中的堆石料既不是弹性体，也 不是塑性体，而是具有弹性、塑性和粘滞性的综合体，这类材料的变形除与应力 有关外，还受时间因素的影响，即具有流变性。面板堆石坝观测资料表明，大多 数情况下堆石的流变在实际观测中都比较明显，堆石的流变性对大坝结构的影响 是比较显著的。因此，流变是堆石体的一项重要的变形特性，特别是对于高面板 堆石坝，坝体应力大，流变性更明显。 河海大学硕士学位论文 关于堆石料的流变性，早在1 9 6 2 年w a h l sh e 【2 【1 就利用单向固结仪对堆石 料的流变特性进行试验研究，发现堆石的压缩变形存在类似于粘土的次压缩变 形。1 9 8 5 年，帕克( p a r k i na k ) 2 1 1 2 2 1 用固结仪对堆石进行了流变试验，发现 堆石流变速率与时间在对数坐标下成线性关系。沈珠江等人在应力控制式三轴仪 上进行了低围压下( 最大0 3 = 2 0 0 k p a ) 堆石料流变试验研究【2 3 】，建立了堆石流变 模型，并对部分面板堆石坝工程的观测资料进行了反馈分析【2 4 1 ，得出了软岩、中 硬岩、硬岩和砂卵石的流变参数值。河海大学王勇博士在殷宗泽教授双屈服面模 型的基础上，用双曲线经验公式模拟堆石体的流变特性，并把堆石的体积流变和 剪切流变分别引入到硬化参数中进行面板堆石坝的结构分析【2 5 1 ，引用塞沙那坝 的观测资料进行反馈分析以确定有关参数，然后将其用于面板堆石坝的分析中。 郭兴文、王德信等建议了一个堆石料流变模型【2 6 1 ，给出了有限元求解方法，并对 水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石流变的应力应变分析，表明堆石流变性对结构 的性态会有比较大的影响，特别是对面板的应力状态影响很大。 1 3 3 工程反分析研究 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。 自19 7 1 年k a v a n g h 等【2 7 】提出了反演固体弹性模量的有限元方法以来，岩土 工程反演理论的研究很快成为国内外学者和工程师十分关注的课题。目前在工程 反分析方法研究中取得了大量的成果，为解决材料的非线性、非均质性和不连续 性造成的本构模型及力学参数难确定问题，提供了确实有效的方法。 根据反演分析时采用的测量信息的不同，岩土工程反分析可以分为应力反分 析法、位移反分析法和混合反分析法【2 8 】。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。 按照所采用的计算方法的不同，岩土工程反分析又可以分为解析法和数值 6 第一章绪论 法。解析法主要对于几何性状简单、相应正分析具有解析解的工程问题，因此该 方法在工程实践中普遍适用性较差，难以为复杂的岩土工程问题所广泛采用。数 值法对复杂的岩土工程具有普遍的适用性。根据数值方法实现反演的过程不同， 数值反演可分为逆解法、直接法和图谱法1 2 8 1 。目前，在岩土工程反分析中应用较 多的是直接法。根据直接法中是否利用遗传算法等智能方法，直接法分为传统反 分析法与智能反分析法两大类。在传统反分析法中，采用的是传统确定性优化技 术，而在智能反演方法中，采用的是随机性优化算法，如人工神经网络、遗传算 法等。 在传统反分析法中，传统确定性优化方法是反演求解的关键，一些优化方法， 如黄金分割法、单纯形法、变量替换法、p o w e l l 法、共轭方向法、拟牛顿法和 r o s e b r o k 法等，常被用于求解弹塑性位移反分析问题【2 9 1 。传统反分析方法在岩土 工程中开展时间较长，也取得了许多研究成果。但是，由于传统确定性优化方法 一般要用到目标函数的梯度等数学特征信息，而对于复杂的岩土工程反演问题， 由直接法建立的目标函数通常具有高度的非线性和不可微等特点，这给传统确定 性优化算法在复杂反演问题中的应用带来了困难。 相对于传统反演分析方法而言，智能反演分析方法为解决复杂岩土问题提供 了新的思路和手段。它是通过模拟或揭示某些自然现象或过程而得到发展，其思 想和内容涉及数学、物理学、生物进化、人工智能、神经科学和统计力学等学科， 具有良好的自组织与自适应性、可移植性强、不要求目标函数的数学分析性质等 众多的优点。国外在这方面研究起步较早，国内近年来发展很快，取得了一定成 果，如李立新等【3 0 1 将人工神经网络应用于非线性位移反分析，得到了岩体的粘弹 性力学参数；樊琨等【3 l 】基于人工神经网络方法，建立了非线性力学反分析模型， 用位移反求岩土工程计算中的邓肯参数；葛增杰等【3 2 】对传统的b p 算法进行了改 进，采用逐次投影法，有效地加快了网络训练时的收敛速度，并将人工神经网络 方法应用于深基坑开挖工程中土体参数的识别，得到了较好的反演结果；郭雪莽 等【3 3 】将遗传算法用于土石坝土体参数的反演分析，尝试建立土石坝土料参数反演 的通用程序；张社荣等1 3 4 】在传统的遗传算法中，引入模拟退火的m e t r o p o l i s 接受 准则，并将改进的算法应用于堆石坝主要堆石料的参数反演。向衍等1 35 j 将实数编 码的遗传算法与通用的商业有限元软件m s c m a r c 结合，编写了基于该软件的物 河海大学硕士学位论文 理力学参数的遗传反演程序，并应用于某混凝土重力坝的溢流坝段的坝体弹性模 量和坝基变形模量的参数反演中。 大量的研究已经表明，直接法具有广泛的适用性，该方法可以沿用现有的正 问题计算方法及程序，在原有正问题的计算程序中添加最优化程序即可进行反问 题计算。但是，目前应用的智能算法还有许多问题没有得到解决，如受人为因素 影响较大、收敛速度慢、全局搜索能力差等。因此，目前的算法还有待于进一步 完善和发展。 1 3 4 面板堆石坝面板脱空问题 面板堆石坝面板脱空现象是指，混凝土面板与垫层料由于变形不协调而导致 两者脱开的现象。面板是大坝表面防渗体系的主要部分，也是面板堆石坝结构的 一部分，承担着向下游堆石体传递水压的重任，这是影响面板堆石坝正常运行的 主要因素。混凝土面板与垫层料之间的脱空对面板堆石坝的应力变形整体协调极 为不利，甚至会影响大坝的安全运行，因此越来越受到人们的关注。 张耀威p 6 】对天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝施工过程中产生的脱空现 象进行了原因分析，并介绍了其处理措施；肖化文等f 3 7 】对高面板堆石坝出现的问 题进行了初步的探讨，并对面板的脱空现象进行了有限元分析；卢廷浩等【3 8 】对某 水电站高面板堆石坝进行了三维非线性有限元仿真计算，指出，只要面板不是一 次性施工完成的就有可能出现脱空现象，并从计算结果中预测了脱空的发生；郑 仲寿掣驯采用非线性有限元计算方法，在静力计算的基础上，运用隐单元方法， 对容易产生脱空的区域模拟了面板的脱空现象。张丙印等【7 9 】考虑堆石体的流变特 性，并结合天生桥一级面板堆石坝的现场观测结果，对高面板堆石坝中的面板脱 空问题进行了有限元计算分析，研究了坝体流变变形对面板脱空和垫层亏坡问题 的影响。李艳丽【5 5 j 在三维有限元的基础上分析了各种影响面板脱空因素的影响作 用及面板脱空在各种工况下的变化规律，并探讨了出现面板脱空现象的可能原 因。但由于面板堆石坝面板脱空问题的复杂性，目前对其研究还不够充分，还有 待于进一步的研究和探讨。为此，本文在分析面板堆石坝堆石体本构模型及其流 变特性的基础上，结合实测资料，首先对面板堆石坝典型参数进行反演，然后应 用接触力学方法，研究探讨基于实测资料的面板脱空状况的分析评价方法。 8 第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 本文结合9 7 3 计划题目“多因素相互作用地质工程系统的整体稳定性研究” ( 2 0 0 2 c b 4 1 2 7 0 7 ) ，开展对混凝土面板堆石坝脱空问题的研究和探讨，主要 研究内容如下： ( 1 ) 分析了面板堆石坝堆石体的本构模型及其流变特性，通过用户子程序 二次开发，将d u n c a n e b 模型和三参数流变模型嵌入商业通用有限元软件 m s c m a r c 中。通过分级加载和初始应力应变的加载，实现了面板堆石坝的施工 仿真有限元模拟。 ( 2 ) 针对面板堆石坝参数反演的特点，提出演化人工神经网络反演分析模 型，并深入研究了演化人工神经网络的建立步骤，分别对适应值函数、约束条件 的处理等过程进行了修改，建立了演化人工神经网络模型。并利用基准函数 c a m e l 函数和s c h a f f e r s 函数，对建立的演化人工神经网络模型进行了测试，以 证明演化人工神经网络模型能够快速准确地收敛到全局最优解。结合面板堆石坝 有限元计算，建立了面板堆石坝演化人工神经网络反演分析模型。 ( 3 ) 通过对几种常用的接触面单元的深入分析，应用接触力学分析方法模 拟了面板和垫层料之间的接触特性。结合面板堆石坝脱空问题的有限元计算过 程，研究了基于直接约束算法的接触力学法处理接触问题的具体方法。 ( 4 ) 结合天生桥面板堆石坝，建立了二维和三维有限元模型，利用演化人 工神经网络反演分析模型，对堆石体的材料参数进行反演，并利用得到的反演参 数进行有限元分析，得到了各期面板堆石坝的较为合理的脱空结果。深入探讨了 面板堆石坝产生脱空的原因及预防和处理措施。 9 第二章材料的本构模型及其有限元实现 2 1 概述 第二章材料的本构模型及其有限元实现 面板堆石坝具有投资省、工期短、安全可靠、施工简便、适应性强等众多优 点，已成为当今坝工设计的主选坝型之一。在这近二十年里，我国面板堆石坝发 展迅速，其建坝数量和建坝高度都处于世界前列。同时，随着建坝高度的不断增 加，堆石体流变特性和面板脱空等混凝土面板堆石坝的变形问题更加突出。面板 脱空是面板与垫层料之间变形不协调造成的。堆石体是面板堆石坝的支撑体，其 变形特性在很大程度上决定着大坝其它部分的应力应变水平，以及面板与垫层料 的接触性状，同时随着对已建面板堆石坝的变形的观测发现，坝体在建成蓄水后， 其变形并没有马上结束，在一定时期内仍然发展着，也就是说堆石体具有流变性。 近些年，堆石体的流变性也得到了广泛的研究。因此，合理的模拟堆石体的变形 工作性态及其流变是分析、优化和评价大坝结构、分析面板脱空状况的关键。 为此，本章在充分分析堆石料及其流变特性本构模型的基础上，以m s c m a r c 软件为基础，通过二次开发，引入d u n c a n e b 模型和三参数流变模型，以 实现对混凝土面板堆石坝的非线性有限元分析。 2 2 材料的有限元数值模拟 2 2 1 堆石体的本构模型 堆石体是面板堆石坝结构的主体，其变形性态的合理模拟决定了对整个结构 变形性态预测的可靠性。根据堆石体的常规三轴试验结果，发现堆石体的应力应 变关系曲线与一般土体的应力应变关系曲线有着相似的特征，因此，各种比较成 熟的土体的本构模型也相应地用到了堆石体的本构模型的研究上。但是，堆石体 毕竟有别于土体。目前，国内外用于堆石体数值模拟的本构模型主要有非线性弹 性模型和弹塑性模型两种。 非线性弹性模型是根据广义虎克定律建立刚度矩阵d 1 。不过考虑到非线 性，包含在矩阵f d l 中的弹性常数及不再视为常量，而是看作随应力状态而 1 0 河海大学硕士学位论文 改变的变量。在面板堆石坝结构分析计算中，实际工程主要用到的有：d u n c a n e u 模型、d u n c a n e b 模型和n a y l o r k g 模型。弹塑性模型【4 0 】克服了广义虎 克定律所不能考虑堆石剪胀、剪缩特性的应力引起的各向异性的缺点，引入了塑 性系数来取代硬化参数的概念，从而沿用众所周知的d u n c a n 模型参数进行应力变 形计算，较全面地反映了压硬性、非线性、剪缩性和应力引起的各向异性，用于 面板堆石坝计算，计算结果似更合理。有代表性的弹塑性模型主要有：“南水” 模型和殷宗泽双屈服面模型。 d u n c a n e d 模型将堆石料的塑性变形当作弹性变形来考虑，通过弹性常数 的调整近似考虑这部分塑性变形，不能反映压缩与剪切的交叉影响，不能反映软 化，也不能反映堆石料本身具有的各向异性，计算的坝体位移与实测值差异较大。 d u n c a n e b 模型是对d u n c a n e u 模型的修正，如果能够合理、可靠的选择好 材料参数，就可以比较好的反映坝体和面板的变形性状。d u n c a n e b 模型的主 要优点是可以在参数的选取上有比较成熟的经验，并且确定模型的计算参数简易 方便，可靠性较高。由试验研究确定的d u n c a n 模型参数反算的应力应变曲线和多 组试验实测的应力应变关系曲线符合较好；根据应力应变关系曲线计算和压缩试 验，主应力比相同应力状态的切线变形模量与压缩试验的切线模量基本一致；由 压缩试验计算的割线变形模量和类似工程观测资料反算的割线变形模量相近。由 于积累了相当多的实际工程应用的经验，目前d u n c a n e b 模型在工程上有着广 泛的应用。n a y l o r k g 模型考虑了堆石料的压缩和剪切，但其试验应力路径和 大坝实际的应力路径不同，数据整理方法也不成熟，不一定在每种情况下都能得 到较好的结果。“南水”模型和殷宗泽双屈服面模型都可以反映堆石体各向异性 的本构关系，都能比较合理地反映土石料的剪胀性，计算结果反映的堆石体位移 及面板应力分布比较合理，在理论上优于非线性弹性模型。但是目前由于试验设 备等问题，模型中的某些参数值很难从试验中得到。因此这两种模型的应用目前 尚处于探索阶段，工程应用不多，对它们的分析结果还需大量的工程来验证。 综上所述，本文选用d u n c a n e b 模型来模拟堆石料的变形特性。由于e b 模型是针对二维模型提出的，没有考虑中主应力仉的影响，导致坝体单元的变 形模量、体积模量比实际的小，泊松比比实际的大，有限元计算的水平方向位移 值偏大。为了推广到三维问题，河海大学顾淦斟”】对d u n c a n e b 模型进行了修 第二章材料的本构模型及其有限元实现 正，用平均主应力p 代替第三主应力o - s ，广义剪应力g 代替( q 一吒) ，g ，代替 ( q 一) 。广义e b 模型中考虑了中主应力吼的影响，使得有限元计算结果更 e b 模型主要有切线变形模量巨和体积模量尽，这两个弹性参数都是随应 力状态变化的，其表达式为【3 7 】： e 一( 跏一钳 汜， e 卅口( 去) ” 2 ， 卧5 姒。 q fsg f 一1 回弹模量为 驴驰 其中， ( 2 3 ) ( 2 4 ) p = 吉( q + 吒+ 吧) ，g = 爿( q 一) 2 + ( c r 2 一吒) 2 + ( 一q ) 2 弘 别为广义主应力和广义剪应力；q r 为三向应力状态m o h r - c o u l o m b 破坏准则的广 义破坏剪应力，其值为g - r2 了妻兰甍嚣；以为l 0 d e 应力角，其值 为巳= r g - i ( 一击心) ；心肌蛐力戮其值为心_ 1 - 2 篙；够为 内摩擦角，对于高堆石坝考虑内摩擦角与堆石应力的非线性关系，则 伊= 一妒l g ( 南) ；k 为弹性模量数；刀为弹性模量指数；k ，为卸载模量基数； 心，为卸载模量指数；为体积模量数；加为体积模量指数。 以上各公式共用到9 个参数：c 、纷仍k 、k ，、甩、吩、朋，可以通 1 2 河海大学硕士学位论文 过三轴试验测定这些参数。 在有限元分析中，单元应力一应变转换关系为： 盯= d 6( 2 5 ) 式中：d 为弹性矩阵，对于三维问题，e b 模型的弹性矩阵表达式为： d ：旦 9 b e 3 b + e 3 b e 3 b e 0 o o 2 2 2 混凝土面板本构模型 3 b e 3 b + e 3 b e o o o 3 b e 3 b e 3 b + e o o 0 0 0 0 o 00 0 0 0 e0 o oeo o 0e ( 2 6 ) 混凝土面板一般处于三向受力状态。严格地讲，混凝土在复杂应力状态下的 应力应变关系不是线性关系，在抗压强度的3 0 - - - 5 0 范围内，应力应变关系可视 为直线，在低应力时塑性应变在总变形中所占的比例很小，当应力水平超过0 5 时，塑性应变比例增大。文献【4 l 】根据混凝土三轴试验资料，提出了混凝土材料在 低应力下弹模随反变化的线性模型以及在高应力水平下的弹塑性双屈服模型，并 通过实例分析，指出当混凝土材料中应力不接近破坏状态时，两者之间无大的差 别。在面板堆石坝分析中，混凝土面板多采用线弹性模型。一些研究者认为【4 2 】【4 3 1 混凝土面板变形比较大，应对混凝土面板采用分段线性模型。本文拟采用线弹性 模型。 2 2 3 缝间连接材料计算模型 混凝土面板之间的伸缩缝和面板与趾板之间的周边缝设有各种止水材料，将 其相互连接起来以防止漏水，并允许相对变形。常用的止水材料有铜片、塑料、 不锈钢及各种嵌缝填料。目前对接缝的模拟主要有三种模型：分离缝模型、低模 量薄单元模型和无厚度接缝连接单元模型。 ( 1 ) 分离缝模型 施工面板之间留有一定缝宽，而止水材料极易变形，将接缝界面作为自由面 边界处理。 第二章材料的本构模型及其有限元实现 ( 2 ) 低模量薄层单元模型 施工设计缝宽采用低模量薄层( 厚度l 2 c m ) 单元模拟接缝止水作用。这种 单元的位移模式与一般的混凝土单元相同，只是假定单元受拉时的模量较低，为 混凝土模量的万分之一，受压时的模量与混凝土相同。 ( 3 ) 无厚度接缝连接单元模型 该单元类同于g o o d m a n 单元，分析时不考虑接触面法向应力和剪应力与法 向相对位移和切向相对位移之间的耦合作用。相应方向的劲度由接缝止水材料通 过试验确定。河海大学、四川大学等单位对止水铜片、止水塑料、不锈钢波纹片 等进行一系列试验研究，提出用于连接单元分析的力与相对位移关系式，并用于 面板坝计算分析中】，试验成果如表2 1 所示【4 5 】。王勇博士【4 6 】曾将周边缝取为 3 c m 厚的薄层单元对水布垭面板坝做了计算，但效果没有无厚度接触面单元理 想。本文拟采用无厚度接缝连接单元模型来模拟面板之间的接缝。 表2 - 1 连接单元劲度表达式 一；蕊 止水铜片 止水塑料片 受力情况。 拉b4 ( 1 - 4 6 y y ) 24 以( 屯1 1 5 m m ) 匪k i i ) ， 4 ( 1 一以妨) 24 4 ( 屯1 1 5 r a m ) 剪k 旺4 0 - a , 。如) 2 o 剪k 旺4 l 4 2 ( 妨 1 2 5 m m )4 3 2 3 堆石料流变特性 许多已建的面板堆石坝的观测资料结果表明，坝体在建成蓄水后，其变形并 没有马上结束，在一定时期内仍然发展，这就说明堆石料具有流变特性。一个典 型的实例就是罗马尼亚里苏坝( l e s u ) 【l j ，高约6 0 m ，水库运行2 年后，由于左 坝肩面板与趾板间产生显著的相对位移，导致周边缝止水破坏，漏水逐渐加大。 满库运行4 年后，靠近右岸坝肩面板继续产生了一系列主要裂缝，采用弹塑性应 力应变模型的有限元分析已不能有效地解释这一现象，只有采用与时间效应有关 的流变模型才能将里苏坝所测到的事故反映出来。如果忽略了堆石体流变的影 1 4 河海大学硕士学位论文 响，有限元计算结果会产生较大的误差。 堆石体的流变性质包括：蠕变，即恒定应力作用下变形随时间增长的现象； 松弛，即变形恒定情况下应力随时间衰减的现象；流动，即给定时间的变形速率 随应力变化的现象；长期强度，在长期荷载作用下材料的强度随受荷历时变化的 现象。在模型理论中，采用一些基本元件来代表物体的某些性质，如用“弹簧” 来模拟物体的弹性、“粘壶 来模拟物体的粘滞性以及用“滑块”来模拟物体的 塑性，进而通过这些元件的组合( 用“串联 或“并联”的方式) 来达到反映物 体的粘弹塑性特性。通过模型理论所得到的流变本构方程是一种微分形式的本构 关系。为了实际工程的应用，模型不能太复杂，数学表达式力求简单，模型参数 应有足够的精度，所得结果应符合实测规律。 下边介绍几种在岩土工程中常用的典型模型： ( 1 ) m a x w e l l 模型 m a x w e l l 模型是由弹簧和粘性元件串联起来组成的，可代表既有粘性又有弹 性性质的粘弹性体5 0 1 。这种模型的结构形式为m = 日一，其中日为弹性固体， 为粘性液体，如图2 1 所示。 ! 芝! ， + 、一卜 图2 - 1 m a x w e ii 模型 h 体：c r h = e 8 ( 2 7 ) 体：仃= 刁叠 ( 2 8 ) 因为两个元件串联而成，所以它们的应力仃相同，总的应变是两个元件的应 变之和，即 盯2 0 - m2 0 - n( 2 9 ) l 占2 知+ s ， 由式( 2 7 ) ( 2 9 ) 得到m a x w e l l 方程式( 或称本构关系式) ： 叠：旦+ 旦 ( 2 1 0 ) 占= 一十 l z e 刁 微分方程( 2 1 0 ) 称为m a x w e l l 流变方程。满足这个方程的物体为m a x w e l l 体。由弹性元件和粘性元件串联组成的m a x w e l l 模型，同样具有弹性和粘性。但 第二章材料的本构模型及其有限元实现 由于粘壶的串联，在任何微小的外力作用下，变形总将无限增加，因此，m a x w e l l 体在本质上是液体。 当f = 0 瞬时加载，作用常应力盯= o - o ，对式( 2 1 0 ) 积分得 占( r ) = o e 0 + 0 7 7 0 r ( 2 1 1 ) 当r = o 时，模型出现瞬时变形为岛= 量，应变占将随时间f 逐渐增长。 ( 2 ) k e l v i n 模型 k e l v i n 模型由弹簧和粘壶并联起来组成的，如图2 - 2 ，它能反映弹性后效所 以也称为延迟模型【5 0 1 。 e 由并联法则得 因此得到总应力仃为 图2 - 2k e ivir l 模型 o2 o h + o n 2 h2s n 仃= e 6 - t - 刁叠 在f = 0 时，施加恒定荷载盯= c r o ，代入上式，积分得 占 占：a e i 7 + 旦 e ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由初始条件决定积分常数彳，当f = 0 时，粘壶不可能发生瞬时变形，因此 e o = 0 ，代