（水工结构工程专业论文）面板堆石坝变形特性及分析模型研究.pdf

摘要 摘要 面板堆石坝是一种较特殊的坝型，其堆石体和面板的变形在很大程度上影 响整个坝体的稳定性和安全性。本文对面板堆石坝变形特性及分析模型进行了较 为深入的研究，主要内容如下： ( 1 ) 分析了堆石体变形的主要影响因素，探讨了堆石体在这些影响因素作 用下的变形特性；研究了堆石体流变机理，分析了四种常见的流变模型；探讨了 多因素时变分析模型的建模思路和求解方法，建立了堆石体施工期、运行期沉降 多因素时变分析模型。 ( 2 ) 分析了面板变形的主要影响因素，探讨了面板在这些影响因素作用下 的变形特性；推导了温度应力分量和收缩应力分量的数学表达式，建立了面板应 力多因素时变分析模型；考虑水压及堆石体变形对面板挠曲变形的影响，推导了 水压分量的数学表达式，建立了面板挠眭变形的空间多因素时变分析模型。 ( 3 ) 研究了面板堆石坝材料的本构模型，在m a r c 软件基础上进行二次开 发，实现了堆石体自重的分级加载，编制了d t m c a n e - - b 模型子程序、堆石流变 子程序和水压加载子程序，建立了面板堆石坝三维有限元分析模型。 ( 4 ) 以大坳面板堆石坝为例，分析了堆石体和面板变形特性；利用实测资 料验证所建立的多因素时变分析模型的合理性；利用m a r c 软件及编制的子程序 对大坳面板堆石坝进行三维有限元计算，分析了考虑堆石流变和不考虑堆石流变 两种情况下面板堆石坝的变形特性。 关键词：面板堆石坝、流变、多因素时变分析模型、本构模型、二次开发、 三维有限元 a b 砒t a c t a b s t r a c t c o n c r e t ef a c e dr o c k f i l l d a m ( c f r d ) i sas p e c i a lt y p e o fd a m ，t h e d e f o r m a t i o n so fr o c k f i l la n dc o n c r e t ef a c ei n f l u e n c et h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fc f r d i nl a r g ee x t e n t t h ed e f o m a a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y s i sm o d e la r e s p e c i a l l y s t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o u o w s ： ( 1 ) t h em a i ni n f l u e n cf a c t o r so fr o c k f i l ld e f o r m a t i o na r ea n a l y z e d t h e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h e s ef a c t o r si ss t u d i e d t h er h e o l o g ym e c h a n i s m a n dr h e o l o g ym o d e la r es t u d i e d 髓et h e o r ya n ds o l u t i o no f t i m e - v a r y i n gm o d e lb a s e d o n m u l t i p l e f a c t o r sa r ep u tf o r w a r d t h es e t t l e m e n tm o d e l so fr o c k f i l lu n d e r c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o na r ee s t a b l i s h e d ( 2 ) t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so f c o n c r e t ef a c ed e f o r m a t i o na r ea n a l y z e d t h e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e rt h e s ef a c t o r si ss t u d i e d t h em a t h e m a t i ce x p r e s s i o n s o ft e m p e r a t u r es t r e s sa n dd r ys h r i n k a g es t r e s sa r ed e d u c e d t h et i m e v a r y i n gm o d e l b a s e do nm u l t i p l ef a c t o r so fc o n c r e t ef a c es t r e s si se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e e f f e c t so fw a t e rs t r e s sa n dr o c k f i l ld e f o r m a t i o no nc o n c r e t ef a c ed e f l e c t i o n ，t h es p a c e t i m e - v a r y i n gm o d e lb a s e d o nm u l t i p l ef a c t o r so fc o n c r e t ef a c e d e f l e c t i o ni s e s t a b l i s h e d ( 3 ) t h ec o n s t i t u t i v e m o d e l s o f c f r d a r es t u d i e d t h es e c o n d d e v e l o p m e n t b a s e d o nm a r ci sm a d e t h es t e p b y s t e pl o a d i n go fr o c k f i l ld e a dl o a di sr e a l i z e d t h e s u b r o u t i n e so fd u n c a n e - - bm o d e l ，r o c k f i l lr h e o l o g ya n dw a t e rs t r e s sl o a d i n ga r e p r o g r a m m e d t h e3 df e m o fc f r di se s t a b l i s h e d ( 4 ) a c c o r d i n gt od a a oc f r d t h em o n i t o r i n gd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r o c k f i l la n dc o n c r e t ef a c ea r ea n a l y z e d b a s e do nm o n i t o r i n gd a t a ，t h er a t i o n a l i t yo f t i m e v a r y i n gm o d e lb a s e do nm u l t i p l ef a c t o r si st e s t i f i e d t h e3 df e mo fd a a oc f r d i sc a l c u l a t e db a s e do nm a r ca n di t ss u b r o u t i n e s ，t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t h a n dw i t h o u tt h e o l o g yc a l c u l a t i o no f r o c k f i l la r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：c f r d ；r h e o l o g y ；t i m e v a r y i n gm o d e lb a s e d o nm u l t i p l ef a c t o r s c o n s t i t u t i v em o d e l ；s e c o n dd e v e l o p m e n t ；3 df e 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) ： 交亟邋叫“年月叫日 学位论文使用授权说明 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) ： 葭墨兰遮和噼 弓月 2 ，1 日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 混凝土面板堆石坝是咀堆石体为支撑结构，并在其上游表面设置钢筋混凝土 面板作为挡水防渗结构的一种堆石坝。该坝型因其断面较小、安全性好、施1 二方 便、适用性强、造价低等优点，受到国内外坝工界的广泛重视，得到普遍的推广 和应用，产生了巨大的社会经济效益。“八五”和“十五”期间，我国都将面板 堆石坝的研究列为国家重点科技攻关项目，经多方协同攻关，面板堆石坝的设计 水平和施工技术已步八国际先进行列。目前，新型机械设备的不断投入运行，施 工工艺的不断改进，如采用薄层碾压工艺、馄凝土挤压边墙、超长面板一次滑模 成型等，使得堆石体密实度提高，沉降量大幅度降低，面板坝的工作性态大为改 善。随着坝高的不断增加，对堆石料工程特性、堆石体及面板应力变形的研究 逐渐深入。特别是对于2 0 0 m 以上级的高面板堆石坝以及特殊地形地质条件下的 面板堆石坝，目前还没有成熟的工程经验可循，因此理论研究成果成为工程设计 及运行维护的重要指导依据。 1 2 面板堆石坝的发展和研究现状 i 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，而板堆石坝的发展经 历了个多世纪，其大致经历了以下三个阶段1 1 4 】： ( 1 ) 1 8 5 0 年至1 9 4 0 年为初期阶段。美国加利福尼亚希拉l i l 脉的金矿开采区 最早出现了面板堆石坝的雏形：用木板作为防渗面板，用抛填石料作为木面板的 支撑。后来由于技术的进步和更高的生产要求，术面板逐渐被混凝土面扳所替代。 这一时期所建的具有代表性的面扳堆石坝有美国1 9 2 5 年建成的高8 4 m 的狄克斯 河( d i xr i v e r ) 坝和1 9 3 1 年建成的高1 0 0 m 的盐泉( s a l ts p r i n g ) 坝。这时梵 j 堆石邕的施工都采用抛填作业，堆石的密实度很低，雄石的变形模量相应较低 堆石医的施工都采用抛填作业，堆石的密实度很低，雄石的变形模量相应较低， 河海大学硕士学位论文 沉降和水平位移量较大。随着坝高的增加，堆石体在自重和水压力下产生较大的 变形，混凝土面板难以承受更大的变形，从而导致严重的开裂和大量的漏水。当 时最高的盐泉坝，蓄水后面板发生严重裂缝和渗漏，致使该坝多年不能正常使用。 上述问题的出现使人们对面板堆石坝的安全可靠性产生了怀疑，以致在这之后较 长一段时期内，这种坝型的发展处于停滞状态。 ( 2 ) 1 9 4 0 年至1 9 6 5 年为过渡阶段。随着筑坝高度不断增加，刚性的混凝土 面板不能适应抛填堆石的变形而开裂，导致渗漏问题日趋严重；相反，带有反滤 层的粘土心墙却能适应抛填堆石的较大变形而保证其防渗性能。1 9 4 0 年以后，面 板堆石坝逐步被土质心墙坝和土质斜心墙堆石坝所替代，土坝施工中的薄层碾压 技术逐步渗透到堆石坝的旌工中。例! t l h 9 5 8 年完建的库契( q u o i c h ) 坝 ”，坝高 3 8 m ，堆石体采用每层厚度6 0 c m ，先用1 0 t 平碾压平，后用3 5 t 振动碾振动压实的 方式进行填筑，其后监测到的施工期最大沉降仅为i 9 c m ，表现出良好的性态。 1 9 6 0 年美国土木工程师协会召开的关于堆石坝的专题会议上，著名土力学家太沙 基( t e r z a g h i ) 分析了抛填堆石产生较大变形的机理【6 l ，同时指出薄层碾压筑坝 可以提高堆石密实度，减小变形。 ( 3 ) 1 9 6 5 年至今为面板堆石坝的现代发展阶段。1 9 6 0 年以后，随着大型振 动碾的问世，心墙堆石坝和面板堆石坝完成了由抛填筑坝到薄层碾压筑坝方式的 过渡。采用振动碾薄层碾压堆石作业，使堆石坝对堆石料的要求得以放宽，而堆 石体的密实度和变形模量却大大提高，坝体的变形进一步减小，面板的工作性态 大为改善，从而使面板堆石坝又重新崛起。1 9 6 7 年西班牙皮迪斯( p i e d i a s ) 坝 首次采用滑模施工工艺浇筑面板获得成功，形成面板堆石坝的另一个技术特点。 另一个发展趋势是建设重点向发展中国家转移，面板堆石坝起源于美国，然后传 到澳大利亚，继而传到南美洲的巴西和哥伦比亚，2 0 世纪8 0 年代中期中国引进 这一坝型后，也有了很大发展。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 n1 9 9 9 年建成天生桥一级工程【8 】，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 1 9 。0 1 ，是当今世界上最高的混凝土面板堆石坝。 1 2 2 面板堆石坝的特点 面扳堆石坝在国内外迅速发展，有其自身在技术上和经济上的优势。与其它 第一章绪论 坝型相比，面板堆石坝具有以下几个方面的特点 】 1 h 3 ) ： ( 1 ) 安全可靠性方面 面板堆石坝具有良好的抗滑稳定性，坝体堆石全部在面板下游，水荷载作用 于面板，整个堆石体重量及面板上部水重均在抵抗因水荷载作用引起的水平推 力。水荷载的水平推力大致为堆石体和水重的1 7 左右，而水荷载的合力在坝轴 线以上传到地基中，有利于坝体稳定：堆石碾压密实后抗剪强度比较高，而且堆 石透水性强，几乎不受渗透压力的影响。因此，在实际的设计工作中，一般不作 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l 临时工程的费用。根据坝体各部分的 受力情况，各分区的石料和压实度可有不同的要求，可以充分利用当地材料，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旌工简单、造价低、 工期短、适应性强等优点。 1 ，2 3 面板堆石坝的研究现状 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，如西北口面板堆石坝面板的严重裂缝 【1 4 ，沟后砂砾石面板堆石坝的溃决【1 5 】，株树桥面板堆石坝面板断裂、止水结构 破坏、大量漏水【1 6 】。因此，随着面板堆石坝数量越来越多，工程规模不断扩大， 对坝体堆石料的模型试验研究、结构静动力分析以及应用监测资料反馈大坝结构 性态等多方面已成为目前面板堆石坝的主要研究课题。 ( 一) 堆石体的稳定分析研究 早期抛填堆石坝的坡度多在l ：o 5 左右，比松散抛填堆石的天然休止角 河海大学硬士学位论文 ( 1 ：1 3 ) 要陡，其稳定性要作分析。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。现代堆石坝 经过薄层振动碾压，堆石体比较密实，抗剪强度高，其临界边坡远大于1 ：1 3 的天然休止角，一般可不进行稳定性分析。这种提法是从技术适用的角度出发的， 而非理论上的阐述。一些研究者也提出了专门针对堆石这一特殊材料的不同破坏 准则用于核算稳定性，其中值得一提的是关于堆石的非线性强度准则。文献表明 1 7 】，在设计中堆石、砂砾卵石等粗粒料采用非线性强度准则，能够反映它们的实 际强度，粗粒料形成的坝坡宜采用非线性强度进行稳定分析，从而反映其强度随 应力水平而变化的特性。 ( 二) 堆石料力学性质研究 堆石料的力学性能决定着坝体的变形，从而对防渗面板和周边缝止水产生影 响，因此堆石料的力学性质决定了面板堆石坝的基本工作性态。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。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，如软岩料、风化料、石渣料等，从而促使试验设备和研究手段 不断发展。早在1 9 5 9 年j b r a u n s 和k k a s t 就已经进行了h = 1 8 m 、d = 1 0 m 的三 轴试验【1 即；1 9 7 0 年t l e a p s 根据试验成果最早整理了按单圆法确定的摩擦角与 法向应力的关系，认为两者的关系呈非线性【l9 】；柏树田对堆石在平面应变条件下 的变形性质进行了试验研究，认为平面应变条件下的强度指标比常规试验条件下 的强度指标略高一些口0 1 。 ( 三) 抗震稳定性和动力分析研究 根据面板堆石坝的结构特点和若干堆石坝经受地震考验的实例，一些国际坝 工专家认为薄层振动碾压填筑的面板堆石坝具有良好的抗震性能。国内外许多学 者在面板堆石坝的抗震稳定性和动力分析方面作了大量专门性研究与探讨1 2 i l 2 2 1 ，一般结论认为地震等动力因素不会在堆石体中产生孔隙水压力，或者孔隙水 压力不足以危及坝体的稳定：地震作用时幽于混凝土面板与堆石的振动频率存在 第一章绪论 差异，两者之间的相互协调比较重要，面板一旦产生开裂与漏水并不会威胁大坝 的稳定，但变形有一定程度的增加。国外关于面板堆石坝的抗震分析，对面板及 面板与堆石体之间的相互作用都不作特殊处理，地面运动也只考虑水平地震输 入。我国在面板堆石坝动力计算与抗震分析方面更加深入细致一些。河海大学顾 淦臣教授于2 0 世纪8 0 年代就开始了二维及三维的面板堆石坝抗震反应分析 2 3 l ， 在面板与堆石体之间设置接触面单元，考虑面板与堆石间的动力相互作用和模拟 周边缝、面板缝的张开和压紧情况，在实际工程的计算分析中预测了面板堆石坝 的工作性态，为坝体抗震结构设计提供依据。沈珠江院士根据对破碎后的堆石料 进行振动三轴试验【2 4 1 ，测得试样在振动过程中的体积动态变化，提出了一个计算 面板堆石坝地震永久变形的计算模式。 ( 四) 应力应变分析研究 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【2 5 瑚 ，已取得了丰硕的成果。 我国自1 9 8 5 年以来，经过十多年的努力，在面板堆石坝的应力应变分析方 面做了大量的研究工作0 1 - 3 5 ，已从探索逐步走向成熟。目前国内面板堆石坝数值 分析中堆石料采用的的本构模型一般可分为非线性弹性模型和弹塑性模型两大 类，其中非线性弹性模型主要有d u n c a n e - - u 模型、d u n c a n e - - b 模型、清华k g 模型，弹塑性模型主要有“南水”双屈服面模型【3 6 】和殷宗泽双屈服面模型【3 7 1 。 与实测资料相比，d u n c a n e - - b 模型由于没有考虑堆石体的剪缩性，计算所得的 水平变形偏大，但它能反映堆石体的主要变形特性，参数测定简单，应用方便， 目前仍然得到较为广泛的应用。 ( 五) 堆石流变的分析研究 非线性弹性和弹塑性有限元法用于面板堆石坝的应力应变分析，其计算结果 在一定程度上反映了大坝结构的工作性态，但是上述分析方法都无法反映大坝结 构的时间效应3 8 1 。实际上面板堆石坝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。面板堆石坝监测资料表明，大多数情况下堆石 河海大学硕| j 学位论文 的流变在现场监测中都比较明显，堆石的流变特性对大坝结构的影响比较显著 1 3 9 - 4 0 。研究堆石流变特性主要有三个途径【4 1 】：一种是理论方法，采用力学元件分 别描述弹性、塑性和粘性，这些元件组合成为流变模型，模型参数通过试验测出； 二是根据室内试验，研究堆石的流变性质，得出相关规律和参数，从而建立堆石 的流变模型；三是通过对已建工程监测资料的反分析，在宏观上得出描述堆石流 变的某种规律和参数，进而类比分析其它工程。理论上流变参数可通过室内或现 场试验测定或通过反演分析确定【4 2 】，但是，堆石流变参数在室内进行试验的难度 较大，反演分析确定流变参数可以较真实地模拟现场加载历史，但获得的参数是 一种外界环境因素综合影响的结果，不便于分析各因素的影响效应。因此，对面 板堆石坝的流变分析无论在模型的建立方面，还是在参数的确定方面还处于探索 阶段，如何合理模拟堆石料的流变特性，进而分析大坝结构，特别是防渗体系的 工作性态，将是一项艰巨的工作。 ( 六) 大坝监测分析研究 目前，大坝监测已成为客观反映大坝应力变形特性的有效手段 4 3 1 ，通过大坝 监测，不仅可以对已建坝进行安全监控，而且也可以为拟建坝的设计提供依据， 同时反过来验证理论分析的合理性，对进一步完善面板坝的设计理论有重要意 义。大坝监测资料分析一般分为正分析和反分析。 ( 1 ) 大坝监测资料正分析 国外的大坝监测资料分析工作起步较早m 出】，意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡 萄牙的罗卡( r o c h a ) 等人从1 9 5 5 年开始应用统计回归方法定量分析大坝的变形 监测资料，法那林等又于1 9 7 7 年提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模 型，将有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来，以监控大坝的安全状况。 我国的监测资料分析工作起步相对较晚，1 9 7 4 年以后，在河海大学陈久宇教授 的创导下4 6 】 4 7 】，应用统计回归方法分析大坝监测资料，将分析成果以物理成因 解释，使其逐渐用于监控大坝的安全运行和评价大坝的工作性态。2 0 世纪8 0 年 代中期，吴中如教授等从徐变理论出发推导了坝体顶部时效位移的表达式 4 8 5 们， 用周期函数模拟温度、水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计；同期 还提出裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位移的时间序列分析法 以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法；吴中如、顾冲时等人通过引入空间三 第一章绪论 维坐标【5 ”，提出了混凝土坝空间位移场的时空分布模型，将单测点模型拓宽至空 间三维；黄明、李珍照等人提出了重力坝位移二维分布模型【5 ”，并对水压因子进 行了物理含义的推导；河海大学顾淦臣、沈长松对面板堆石坝施工期( 即填筑期) 和运行期( 即竣工后) 分别提出了不同形式的统计模型口习；南京水利科学研究院 郦能惠等基于面板堆石坝沉降产生机理【4 2 】【5 3 ，建立了沉降统计模型。 ( 2 ) 大坝监测资料反分析 大坝监测资料反分析包括两方面内容 5 4 - 5 8 】：一是本构模型参数反分析；二是 流变模型参数反分析。工程实例表明，本构模型参数反分析不能反映坝体的实际 变形特性，比如一些工程实测沉降明显比预测值大，反分析时调低模量等参数， 使坝体沉降趋于实侧值，但水平位移偏大，与实测值不符。因此，大坝监测资料 反分析主要是对流变模型参数反分析。对于面板堆石坝流变分析来说，理论相对 落后于实践，而对面板堆石坝的性状的预测与实际结果常常有较大差别。人们在 进行大坝监测资料反分析的同时，有的通过实测变形资料反演坝料的数值模型参 数，有的则建立衰减型流变模型进行流变分析。沈珠江院士根据鲁布革心墙坝的 实测变形，在室内试验的基础上，建立了一个比较简单实用的三参数流变模型， 并通过四座已建坝的反分析确定了从软岩到砂卵石四种不同质地堆石料的流变 参数，对堆石流变的研究具有重大意义。 1 3 本文研究的主要内容 本文结合”9 7 3 ”计划项目，开展面板堆石坝变形特性及分析模型研究，主要 研究内容如下： ( 1 ) 分析堆石体变形的主要影响因素，探讨堆石体在这些影响因素作用下 的变形特性；研究堆石体流变机理及四种常见的堆石流变模型；根据坝工原理， 从物理成因上推导填筑分量、水压分量和时效分量的数学表达式，建立堆石体施 工期和运行期沉降多因素时变分析模型。 ( 2 ) 分析面板变形的主要影响因素，探讨面板在这些影响因素作用下的变 形特性；考虑非均匀温差产生的温度应力及于缩应力的作用，推导温度应力分量 和收缩应力分量的数学表达式，建立面板应力多因素时变分析模型；考虑水压及 堆石体变形对面板挠曲变形的影响，引入水荷载模量瓦，推导水压分量的数学 河海大学硕士学位论文 表达式，建立面板挠曲变形的空间多因素时变分析模型。 ( 3 ) 研究堆石体、混凝土面板及趾板、接触面单元及接缝单元的本构模型； 对m a r c 软件进行二次开发，实现堆石体自重的分级加载。编制o u n c a n e - - b 模 型子程序、堆石流变子程序和水压加载子程序，建立面板堆石坝三维有限元分析 模型。 ( 4 ) 以大坳面板堆石坝为例，分析堆石体沉降特性及面板应变特性；利用 实测资料验证堆石体施工期沉降多因素时变分析模型和面板应变多因素时变分 析模型的合理性；利用m a r c 软件及编制的子程序对大坳面板堆石坝进行三维有 限元计算，分析考虑堆石流变和不考虑堆石流变两种情况下面板堆石坝的变形特 性。 本文主要研究内容框架如图1 1 所示。 第二章 面板堆石坝变形特性及分析模型研究 堆石体变形特性及分析模型 堆 石 体 变 形 特 性 分 析 堆 石 流 变 机 理 及 分 析 模 型 沉 降 多 因 素 时 变 分 析 模 型 竺三里 面板变形特性及分析模型 面 板 变 形 特 性 分 析 第四章 基于m a r e 的三维有限元分析 基 于 m a r c 的 一 次 开 笈 维 有 限 兀 计 算 模 型 第五章 运用上述理论，结台大坳面板堆石坝进行工程实例分析 图1 1 本文主要研究内容框架图 面板挠曲空问多因素时变分析模型 面板应力多因素时变分析模型 第二章堆石体变形特性及分析模型 2 1 概述 第二章堆石体变形特性及分析模型 堆石体是面板堆石坝最重要的组成部分，其变形在很大程度上影响大坝的稳 定性和安全性。堆石体变形主要为垂直方向的沉降和水平方向位移，由于堆石体 是多种材料组成的散粒体，在堆石体自重和水压荷载作用下，坝体变形较大，沉 降变形尤为明显。 了解和掌握面板堆石坝变形真实性态的- - l o e 有效的途径是根据已建工程变 形监测资料，通过有关物理理论的分析，建立相应的数学模型来揭示各类环境影 响因素对变形的影响程度 5 9 4 5 4 】。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。 本章在分析堆石体变形影响因素及变形特性的基础上，推导填筑分量、水压 分量和时效分量的数学表达式，建立堆石体施工期和运行期沉降多因素时变分析 模型。 2 2 堆石体变形影响因素分析 影响面板堆石坝堆石体变形的因素很多，本文主要考虑堆石料工程特性、荷 载及河谷形状等的影响。 2 2 1 堆石料的工程特性对堆石体变形的影响 堆石料的工程特性决定着堆石体的变形，从而对防渗面板和周边缝止水工作 性状产生很大影响。下面从堆石料的破碎特性、压缩变形性质、压缩模量和抗剪 强度四个方面进行分析。 ( 1 ) 碾压堆石的破碎特性。堆石坝的变形尤其是高坝的变形主要是由堆石 破碎引起的。堆石颗粒在受力( 包括自重与外荷) 情况下将产生破碎，颗粒破碎 导致其受力前后的级配发生变化，因而明显影响其强度和变形。颗粒破碎后，碎 河海大学硕士学位论文 块充填孔隙引起整个堆石体体积收缩。堆石破碎的程度( 即破碎率) 同堆石颗粒 的大小、形状、岩质、级配、密度、受力情况等因素有关，一般颗粒粒径愈大， 岩质、级配愈差，密度愈小，颗粒愈易破碎。 ( 2 ) 堆石料的压缩变形性质。堆石料作为一种有坚固颗粒的散粒材料，经 碾压后具有较高的密实度和较小的孔隙比。堆石料压缩变形总量小，压缩变形速 度快。因为堆石没有孔隙水压力，不存在渗透固结问题，其压缩变形只是骨架颗 粒的变形，堆石料这一性质使堆石体沉降在施工期已基本完成。堆石料在荷载作 用下受到压缩，体积减小，通常由以下三个部分组成： a 堆石颗粒在外荷作用下，克服颗粒间的摩擦阻力后，产生滑动和滚动而 易位，移动到较为密实的更稳定的平衡位置上去，产生孔隙体积压缩，伴随着孔 隙比不断减小，堆石体更加密实，使整个体积减小，这是堆石压缩的主要部分。 b 堆石颗粒在外荷作用下产生破碎，充填到孔隙中去，或颗粒棱角局部破 碎，造成整体体积较小，这是堆石压缩的次要部分。 c 堆石骨架颗粒在外荷作用下产生弹性变形，引起堆石整体的体积压缩， 由于这部分在数量上极少，对堆石压缩变形影响不大。 ( 3 ) 堆石料的压缩模量。对于面板堆石坝，多以压缩模量为堆石压缩变形 性质指标。堆石的压缩模量可以表征堆石体的压实质量及预测其变形的大小。依 其产生与工作条件的不同，分为垂直压缩模量和水荷载模量。这两种压缩模量分 别根据堆石体压缩沉降和面板挠曲的实测值确定。 垂直压缩模量，通常指堆石坝施工期堆石的压缩模量。在堆石坝坝轴线附 近堆石的压缩沉降，可近似地认为是在侧面受限制的条件下进行的。按照压缩模 量的定义，垂直压缩模量的一般计算公式为： e ：r h _ s t ( 2 1 ) s 式中：，一填筑堆石密度；h 一测点以上填筑堆石的高度；t 一测点以下堆 石层的厚度；s - n 点以下堆石实测沉降量。 水荷载模量e 是随着面板堆石坝的的发展而出现的一种堆石压缩变形指 标，是该坝特有的一种指标。它是指水库蓄水后，水荷载通过混凝土面板作用于 堆石坝的上游堆石而产生的压缩模量。水荷载模量可用下式来表示： 第= 章堆“体变形特性及分析模型 b ：掣 ( 2 2 ) j 式中：y 水的密度；h 一相应于面板最大挠曲处的水深；d 一面板最大挠 曲值处垂直于面板方向的压缩层厚度；厂一面板在水荷载作用下的最大挠曲度。 ( 4 ) 堆石的抗剪强度性质。作为散粒体结构的堆石，不同于其他连续固体 材料，它很少承受拉应力，即使承受拉应力，当其达到失稳状态时，破坏形态也 是一部分堆石相对于另一部分堆石沿某一分界面产生滑移，即剪切破坏。堆石料 的强度变化主要由剪胀性、颗粒破碎和颗粒的重新定向与排列所控制。堆石的抗 剪强度具有如下三个特点： a 堆石达到剪切破坏以后，其抗剪强度并不消失，依其密实程度的不同， 仍维持原值或略有降低。也就是说，对于堆石，即使发生剪切破坏，仍具有抵抗 外荷的能力。 b 堆石体抗剪强度不仅与反映堆石材料自身特性的c 、妒两个参数有关，而 且也与外荷在剪切滑移面上引起的正应力有关。 c 在高应力条件下，强度包络线不再符合摩尔一库仑强度理论，随着应力 水平的增加，抗剪强度将有所下降，逐渐趋于某一稳定值。 2 2 2 荷载及河谷形状等对堆石体变形的影响 ( 1 ) 面板堆石坝挡水后，水荷载通过面板传递到堆石体上，使堆石体产生 变形。水位上升和下降对堆石体变形的影响效果不同。 ( 2 ) 堆石体上的外荷载不变情况下，由于坝基的沉降、堆石体的流变、堆 石体块石间接触面破碎效应等影响，也会使堆石体的变形随时间的发展而变化， 这就是时效对堆石体变形的影响。 ( 3 ) 一般而言，温度变化对堆石体沉降影响相对较小。温度上升时堆石体 膨胀，位移向堆石体体积增大的方向变化；温度下降，则堆石体向体积缩小的方 向变化。堆石体变形对应于温度变化反映出热胀冷缩的物理规律。在高寒地区负 温将引起堆石体冻胀。 ( 4 ) 坝址处河谷形状对堆石体的变形有影响。这种影响主要反映在两岸坡 河海大学硕士学位论文 的堆石体上，两岸坡越陡，则该部位的堆石体向河床中间位移的倾向越明显。陡 窄河谷中的堆石受陡坝肩的围岩作用，产生拱效应，导致坝体较低的中间坝段垂 直荷载减小，因此初期变形较小。由于堆石的流变作用，随时间增长变形将有所 增加。例如在宽河谷中的阿里亚坝，两岸没有明显的拱效应，实测坝顶沉降在3 年后就停止了，而在窄河谷中的塞沙那和安其卡亚坝，明显地持续了相当长时间。 2 3 堆石体变形特性分析 面板堆石坝中堆石体占整个坝体体积的9 0 左右，堆石体的变形特性无疑 是这种坝应力应变的决定因素。从某种意义上说，现代面板堆石坝的发展正是建 立在堆石体的变形控制上，最大限度地减少堆石体的变形，保证面板与其接缝止 水防渗的可靠性。堆石体的变形主要为沉降和水平位移。坝体随着不断的填筑升 高，在自重和碾压的双重作用下，施工期会完成大部分的沉降变形。然而，由于 堆石料是一种松散的结构，具有流变性，因此，坝体填筑完、混凝土面板浇筑后， 一直到水库蓄水前的这段时间内，堆石体仍会继续沉降。 堆石体变形过程主要为两个阶段”1 1 ：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。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。其次是流变变形阶段， 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。在面板堆石坝首次蓄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。 第= 章堆石体变形特性及分析模型 根据己建国内外面板堆石坝的监测情况及有限元计算结果可知 7 5 1 ，堆石体 的变形具有以下三个特点： ( 1 ) 施工期堆石体的沉降量很小，竣工后的沉降量更小。如表2 ，1 所示， 施工期的最大沉降量与坝高之比，除关门山坝极小，阿里亚坝很大之外，一般约 为0 1 3 o 4 5 ；而竣工后的最大沉降量与坝高之比，一般只有约0 1 ，萨尔 瓦兴娜坝只有约为o 0 3 ，如表2 1 所示。大量的监测资料和有限元分析表明， 施工期坝体自重引起的沉降在坝轴线沿深度的分布近似于二次抛物线，如图2 1 所示。 表2 1国内外部分面板堆石坝沉降监测性态统计表 建成年代坝高 最大沉降量最大沉降量与 坝名堆石类型坝高之比( ) ( 年) ( m ) ( m m ) 施工期，蓄水期 塞沙那 1 9 7 11 1 0 石英岩 4 4 9 1 0 0 5 00 4 i o 0 9 安奇卡亚 1 9 7 41 4 0 角砾岩 6 3 0 ，1 3 00 4 5 0 0 9 阿里亚 1 9 8 01 6 0 玄武岩 3 5 8 0 2 0 022 3 o 1 3 萨而瓦兴娜 1 9 8 41 4 8 沙砾岩 7 3 0 1 0 0o 2 7 ，o 0 3 谢罗罗 1 9 8 31 2 5 花岗岩 9 4 0 ，6 60 7 5 o 0 5 西北口 1 9 9 09 5 白云质灰岩 3 2 0 0 3 6 关门山 1 9 8 85 8 5 安山岩 6 7 1 50 1 2 ，o 0 3 成屏一级 1 9 8 97 4 ，6 凝灰岩 2 8 2 2 9 50 4 5 图2 1 西北口面板堆石坝施工期沉降分布横剖面图 ( 2 ) 蓄水后的沉降量分布，在坝的横剖面上呈现下游区小，上游区大，而 ；缶近上游坡的下部1 3 1 2 区域的沉降量最大，如图2 2 所示。 河海大学硕士学位论文 图2 2 谢罗罗坝蓄水后的沉降分布横剖面图 ( 3 ) 大坝施工期和运行期坝轴线上游部位处的堆石变形模量比常规三轴试 验条件下得出的变形模量要大。应力路径对堆石的变形模量有影响，大坝在施工 期、水位上升和水位下降三种工况下，坝轴线上游部位处的变形模量不同。水位 上升时，坝轴线上游部位处的平均正应力处于加载状态，剪应力处于卸载状态， 其变形模量为施工期的2 3 倍；水位下降时，坝轴线上游部位处的平均正应力 处于卸载状态，剪应力处于加载状态，其变形模量为施工期的5 1 0 倍；水位下 降时的变形模量为水位上升时的2 3 倍。 2 4 堆石体流变机理及分析模型 一些己建成蓄水的面板堆石坝的原型监测结果表明，堆石体的变形在一定时 期内并未结束，说明堆石具有流变的性质。国外报道过有关堆石的流变效应引起 混凝土护面局部破碎的实例【j 】，国内一些单位对天生桥面板堆石坝和成屏面板堆 石坝的实测资料做过大量的研究与分析工作，堆石体的沉降变形监测结果充分显 示堆石具有流变的性质，计算分析中考虑堆石流变特性所得的成果能够较全面真 实地反映大坝的实际工作性态。 2 4 1 堆石体流变机理分析 堆石流变主要由颗粒破碎引起，主要表现在两方面，一是堆石颗粒破碎细化 的程度与坝体应力的大小有关：二是颗粒破碎在某一级应力持续作用下随时间发 生变化。从概念上分析，堆石流变机理及其规律等方面与土体或岩体的流变性质 相类似，但也有其自身的特点。堆石的流变性质与其母岩的岩性、岩质和堆石的 第二章堆石体变形特性及分析模型 排列结构、填筑密度、颗粒形状、级配组成、应力水平等因素有关，其中堆石的 结构是一个重要因素。堆石的结构是经过爆破开采、施工运输、填筑碾压等环节 逐步形成的颗粒空间排列与接触方式。堆石是以块状颗粒的空间排列和多点或多 面的接触为主要特征的结构类型。块状颗粒的空间排列实际上是无序的，这种无 序性在排列过程中起到了抵消分选性的效果，因而堆石的颗粒排列不具有分选 性。堆石的自然堆积，是以自重和粒间摩擦相互作用的力平衡来维持的，其结构 呈疏松的单粒结构，通过施工碾压，这种力的平衡被打破，块状颗粒细化、分解， 尖锐棱角破碎，形成密实的单粒结构。堆石体主要以粒间摩擦力( 咬合力) 的自 稳来维持高度密实状态，自重作用属次要因素。无论堆石的密实状态如何，堆石 块状颗粒之间的孔隙总是存在着，这就为流变创造了条件。 根据上述思想旧，设某堆石颗粒，与其他颗粒间的接触有 个，外荷施加 到堆石后，颗粒之间的作用力为只，相应接触面积为4 ，作用力# 与接触面的夹 角为瑾，( i = 1 , 2 靠) 。取单个接触面来研究，该接触面上的正应力q 、剪应力l i 分别为： o ：墨口j (23)i s i n 2 苔 呸 u 。j f ：- p tc o s 口( 2 4 ) 1 | 26 。o ， 、? _ q j 该颗粒表面所受总的正应力( 不计颗粒自重影响) 为： 巳2 喜扣吼 s ， a 的合力方向总体上对该颗粒形成压应力，使其产生累积挤压效应。在一般情 况下，这种累积挤压应力盯，远小于堆石颗粒的破损强度吒( 屈服强度或破坏强 度) ，即盯，听，因此绝大多数堆石颗粒不会受到累积挤压应力作用而导致破 碎。但是，在堆石颗粒一些棱角或边缘接触的局部软弱界面( 统称为堆石颗粒破 损表面) ，其接触挤压应力常常大于破损强度，其中有m 个颗粒破损表面将受到 挤压而达到表面破损程度，有表达式： 河海大学硕士学位论文 o - , m ( m = 1 , 2 ，m ) ( 2 6 ) 这些颗粒破损表面将产生压碎、细化等物理现象。从宏观上看，堆石颗粒破损表 面将会产生一定的塑性压缩变形，其总量为： q ：m “一p 厶 ( 2 7 ) 由式( 2 4 ) 可知，剪应力在颗粒破损表面上形成大致切向应力，相对于该颗粒 重心，剪应力在接触面上存在力矩，其表达式为： 乙= 靠 ( 2 8 ) 式中：一接触面距颗粒重心的力矩半径 通过颗粒重心某一局部坐标( 毒一，7 平面) 的所有剪应力力矩之和为： = 薹骗= 薹毒c o s 磊 眩， = 乙厶= 譬c o s 磊 ( 2 9 ) 爷薹瓦= 争m = l 占m s 吼 (210)1 = 瓦= y 照c o s a 。 ( 2 o l 式中：品、r l , - n 部a k 标投影系数。 力矩乙f 、l 。一般不为零，因此挤压破碎的颗粒在这些力矩作用下，会