（水工结构工程专业论文）堆石蠕变对面板堆石坝变形性态影响的研究.pdf

摘要 摘要 混凝土面板堆石坝日益受到青睐，然而，在混凝土面板堆石坝的运行实践 中，堆石的蠕变现象比较明显，由此对坝体特别是对面板的应力和变形的影响也 比较显著。目前，面板堆石坝中有关蠕变的工作开展的较少。本文结合拟建的下 六甲混凝土面板堆石坝的工程实例，在综合阐述堆石体的本构模型和面板堆石坝 非线性有限元基本原理的基础上，运用数学、力学和坝工理论研究堆石的蠕变， 对几种蠕变的模型进行了比较分析，并对它们的实际应用作出综合评价。 归纳起来本文的主要工作如下： 1 综述了目前土石坝有限元分析中常用的本构模型并作了比较。为了合理地 预测面板堆石坝的应力变形特性，对堆石料常用的两种本构模型，从理论与实践 应用方面进行了评述与分析选用广义邓肯e b 模型对面板堆石坝进行应力应变 分析。 2 结合拟建的六甲面板堆石坝工程实例，对该坝进行三维非线性有限元分析， 计算研究了坝体应力和变形。对坝体的工作性态做出了客观明确的评价，为下六 甲坝的设计提供了依据。 3 。参数灵敏度分析是工程实践中解决多参数辨识问题的一个主要方法，本 文在进行三维有限元分析的基础上，进行了参数灵敏度分析。得出了一些有用的 结论，为下六甲面板堆石坝多参数辨识问题提供了依据。 4 从土石料的流变性质出发，阐述了几个流变模型。在此基础上推得在三维 情形的m e r c h a n t 模型本构方程及有限元解。最后用该模型对下六甲面板堆石坝 作了三维有限元蠕变分析，得到坝体在不同时期的应力及变形规律，预测了坝体 长期的工作性态。从而得到一些有意义的结论。 关键词：面板堆石坝、广义邓肯模型、三维非线性有限元、参数灵敏度分析、 m e r c h a n t 模型、蠕变变形 垒! 里型 一 a b s t r a c t t h ec o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m ( c f r d ) i sf a v o r e dd a yb yd a y b mt h ec r e e p d e f o r m a t i o no ft h er o c k f i l lb o d yi sr a t h e rd i s t i n c tw h e nc f r di si nu s e ，t h e r e f o l - ei t h a sa no b v i o u se f f e c to nt h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t eo f t h ed a m b o d y , e s p e c i a l l yo n t h a t o ft h ef a c e a sp r e s e n t ，s t u d i e sr e l a t e dt ot h i sa r e aa r ev e r yf e w i nt h i sp a p e r , t h e3 d n o n l i n e a rf f ms t a t i c a n a l y s i so fc f r dw a sp e r f o r m e d b a s e do na n a l y z i n gt h e c o n s t i t u t i v em o d e l so fr o c k f i ua n dt h e p d n c i f i i n s o fn o r d i n e a rf e m c o m p r e h e n s i v e l y t h ep a p e rs r u d i e s o nt h ec r e e pd e f o r m a t i o no f t h er o c k f i i i b o d yb y u s i n gt h ek n o w l e d g eo fm a t h m e c h a n i c sa n dt h e o r yo f d a m e n g i n e e r i n g n ep a p e r a l s om a k e c o m p r e h e n s i v e l ys t u d yo n t h et h r e ec r e e pm o d e l so ft h er o c k f i l lb o d ya n d e v a l u a t e st h ep r a c t i c eo f t h e m c o m p r e h e n s i v e l y i ns u m m a r y , t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 1 t h ca u t h o rs t m m m r i z e sa n dc o m p a r e sc o n s t i t u t i v em o d e lu s e di nf e m a n a l y s i si nc f r d i no r d e rt or a t i o n a l l yp r e d i c t i n g t h es t r e s s - s t r a i nb e h a v i o ro f c f r d ，t h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la n a l y s i so nt h ec o n s t i t u t i v em o d e l so fr o c k f i l l e d w a sp e r f o r m e d n eg u a n g - y id u n c a ne - bm o d e lw a sa p p l i e di nt h es t r c s s - s t r a i n a n a l y s i so f c f r d 2 a c c o r d i n gt o t h ee n g i n e e r i n gx i al i u i i ar e s e r v o i r , t h r e ed i m e n s i o n sf e m a n a l y s i s ，t h es t r e s sa n ds t r a i na b o u tt h ed a ma r ec a r d e do u t ，ac o m m e n ta b o u tw o r k c h a r a c t e ri so b t a i n e dc l e a r l y , w h i c hw i l lb eu s e df o r t h ex i a l i u j i ad e s i g nr e f e r e n c e 3 t h ea n a s l y s i so fs e n s i t i v i t yh a v eb e e nc o n s i d e r e dt ob eo n em a i nm e t h o r di n t h es o l u t i o nt oi d e n t i f i c a t i o no f m a n yp a r a m e r t e r si nm a n ye n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , i nm eb a s eo nt h r e ed i m e n s i o n sf e ma n a l y s i s 1 1 1 e a n a s l y s i so fs e n s i t i v i t y i s f i n i s h e d n m ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r ed r a w n w h i c hw i l lb eu s e df o rt h ex i a l i u j i ai d e n t i f i c a t i o no f m a n yp a r a m e r t e r s 4 b a s e do nt h er h e o l o g yc h a r a c t e ro fs o i la n ds t o n e s o m er h e o l o g ym o d e l si s s e tf o n 1 o nt 1 i sb a s i s 。c o n s t i t u t i o n a le q u a t i o no fm e r c h a n tm o d e la n df e ma r e d e d u c e d w i t l lt h em o d e l t h r e ed i m e n s i o n sf e m r h e o l o g ya n a l y s i st ox i al i u j i ai s f i n i s h e d ，a n dt h es t r e s sa td i f f e r e n tt i m ed i s t o r t i o nr u l ea r eg a i n e d t h el o n g - t e r mw o r k c h a r a c t e ri sf o r e c a s t t h u ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r ed r a w n k e y w o r d s ： c o n c r e t ef a c er o c k f i l l d a m ；g u a n g - y i d u n c a ne b m o d e l ；e d i m e n s i o n sn o n s t r a i g h t - l i n e f e m ；p a r a m e t e ra n a s l y s i s o fs e n s i t i v i t y ；m e r c h a n t m o d e l ；c r e e pd e f o r m a t i o n 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的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) 垄! 逸 2 0 0 5 年3 月2 5 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文件。本入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，允许论文被杏附r ，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) 盔垒：经 2 0 0 s 年- 3 月2 5 日 塑塑奎兰堡圭兰垡垫苎 一 一 第一章绪论 1 1 面板堆石坝的发展 混凝土面板堆石坝是以堆石体作为支撑结构，并在其上游设置钢筋混凝土面板作为 挡水防渗结构的一种堆石坝。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，是目前极有应用前途的一种坝型。一般来说，只要在坝址 附近能开采到适用于建筑堆石体的石料修建堆石坝要比混凝土坝节省大量水泥。因此， 堆石坝特别适合于交通不便、水泥运费昂贵和附近缺乏混凝土天然骨料的坝址。堆石坝 对坝基地质条件的要求要比混凝土坝低，可较广泛地适用于地质条件较差的坝址。采用 混凝土，沥青混凝土、钢板或木板等建筑防渗体的堆石坝，般可不用土料或仅用极少 量的土料，即使采用土斜墙或土心墙的堆石坝，所用土料也远比均质土坝少，因而堆石 坝也适宜于多雨或附近缺少土源的地区。据统计，土石坝已占到全世界坝的7 5 以上“， 其中堆石坝占据了相当大的比例，面板堆石坝在现在所建坝中的比例正在迅猛增长。 自开始建筑堆石坝以来，随着经验的累积，新型施工机械的制成和投入使用，堆石 坝的设计和施工技术以及坝的结构形成，都得到不断的发展。其发展过程可大概划分为 三个阶段“。：1 9 世纪中期至2 0 世纪早期为抛填堆石阶段；1 9 4 0 年以后的2 0 年，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，此期间，还出现了土石堆石坝；1 9 6 0 年以后，面板堆石坝进入现代 发展阶段，主要以碾压堆石为特征同时亦在坝体结构与料物分区、防渗面板和施工方 法等筑坝技术的研究上有了很大发展，所筑坝体的高度也由原来的十几米上升到百余 米。趋势正在向混凝土高面板堆石坝方向发展。 第一阶段( 1 8 5 0 1 9 4 0 ) 。面板堆石坝最早出现在美国加利福尼亚希拉山脉的金矿开 采区，由于采矿需要水冲采矿工人又熟悉爆破技术，再加上当地缺乏土料这传统建材， 于是出现了用木板作为防渗面板，用抛填石料作为木面板的支撑，由此形成面板堆石坝 的雏形。起始时，所建的坝高较低，一般不超过2 5 m ，后来由于技术进步和更高的生产 要求，木面板被混凝土面板所替代。以承受更高的水压力。 1 9 0 0 年以后，面板堆石坝基本上已成为一种典型坝型。在这时期中所建筑的堆石 坝，经常采用钢筋混凝士面板作为防渗体。钢筋混凝土面板一般为一层，但也有采用两 层( 层间涂刷沥青) 复合而成。当钢筋混凝土面板所承受的最大库水压力水头小于9 0 m 时，面板在顶部的最小厚度一般为0 3 m ，其底部最大厚度为承受的最大压力水头的1 0 。 面板内设置有两向钢筋，每向钢筋的含钢率一般均为0 5 。当面板厚度小于0 6m 时， 两向钢筋都设置在面板厚度的中部。钢筋混凝土面板大都在水平与上下方向上，每隔9 至1 8 m 各设有伸缩接缝，使面板较能适应堆石体的变形和防止面板因干缩和水泥水化熟 而产生的冷缩裂缝。 第一章绪论 这一时期所建的具有代表性的面板堆石坝有美国1 9 2 5 年建成的高8 4 m 的迪克斯河 ( d i xr i v e r ) 坝和1 9 3 1 年建成的高l o o m 的盐泉( s a l ts p r i n g ) 坝。这一阶段，由 于振动碾尚未问世，故所建的大多数面板堆石坝堆石区的施工都采用抛填作业，一般在 堆石区的施工时大都先架设高架栈桥，从栈桥上用自卸卡车或侧卸火车车厢将块石抛掷 填筑在堆石区范围内，或自岸坡上高处用自卸卡车将块石倾抛入堆石区，利用块石下落 的动力，相互撞击。碰断块石的棱角，使块石与块石间能有较良好的接触，以提高其密 实度。但上述堆石区的抛填施工方法，一般难以获得所需要的密实度，且变形模量较小， 堆石体在库水压力、自重和地震力等的作用下，往往会产生较大的变形，抛填堆石坝坝 体施工期沉降量一般为坝高的5 ，竣工后在水荷载作用下的沉降量仍到占坝高的1 2 “。从而使钢篾混凝土面板产生较严重的裂缝；在水库死水位以下面板如发生裂缝，则 因难于修理会造成长期渗漏；木面板虽较能适应堆石体的变形，但在水库死水位以上的 面板，由于经常地处于于湿交替的状况易于腐烂而需要定期修补或更换；钢面板也存在 受大气和库水的锈蚀等等问题，在这一阶段内，都未能获得较满意的解决。当时最高的 盐泉坝，蓄水后面板发生严重裂缝，致使该坝多年不能正常使用。由于上述问题的出现， 使人们对面板堆石坝的安全可靠性产生了怀疑，以致在以后较长一段时间后，这种坝型 的发展处于停滞状态。 第二阶段( 1 9 4 0 1 9 6 0 年) 。由于早期混凝土面板堆石坝的严重渗漏问题，使设计 者们认识到，面板裂缝导致渗漏主要起因是混凝土面板与抛填堆石体的变形不协调。自 1 9 4 0 至1 9 6 0 年期间，随着土力学、土工试验技术与土壤碾压设备的发展，于是人们把 研究和实践的重点转移到以土料作防渗体的堆石坝上来。土防渗体具有较高的塑性，比 钢筋混凝土面板易于适应堆石体的变形。由于这一时期土力学理论、土心墙施工、地基 处理等技术的发展，从而使抛填堆石土心墙坝显得比面板堆石坝安全，于是土质心墙坝 和土质斜心墙堆石坝获得了发展和推广。只要土料的成分与特性能满足作为防渗体材料 的要求，坝址附近土源充足，经过精心设计和严格施工，土防渗体一般都能长期良好地 运行。1 9 4 0 年以后，混凝土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。 由于这一土质防渗体在堆石坝中的应用，使得土坝施工中的薄层碾压技术逐步渗透到堆 石坝的施工中。例如1 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l o 平碾压平，后用3 5 振动碾振动压实的方式进行填筑，其后观测到的 施工期最大沉降仅1 9 c m ，表现出良好的状态。但是土心墙和土斜墙堆石坝，也具有以 下一些不足之处： 1 ) 坝址附近须有符合特性要求和储量满足需要的土源。否则，从远处运输土料， 将增加造价。 2 ) 土斜墙堆石坝的上游坝坡和土心墙堆石坝的下游坝坡，一般都娶分别比面板堆 石坝的上、下游坡平缓，因而它们的工程量与造价一般也都大于面板堆石坝，且工期较 2 河海大学硬士学位论文 长。 3 ) 由于坝体工程量的增加，以及某些情况下，因坝体各部位的施工相互制约而不 能全坝面同时填筑，导致工期的相对延长，将使土斜墙和土心墙堆石坝的施工导流，增 加了复杂因素。 4 ) 在多雨地区，土斜墙和土心墙堆石坝的斜墙与心墙的施工常受雨天的影响，有 可能会因此延长工期及增加造价。 5 ) 反滤层需审慎设计、严格施工，增加了施工的复杂程度。 第三阶段( 1 9 6 0 一至今) 。5 0 年代末，堆石坝施工用的振动碾问世，引起堆石坝的 设计与施工技术，发生了一次突破性的发展。无论是心墙堆石坝、还是面板堆石坝都开 始采用或部分采用薄层碾压旌工技术，到1 9 6 5 年，实质上已完成了由抛填筑坝到薄层 碾压筑坝方式的过渡。用振动碾碾压的堆石体，可比以往用抛掷法填筑的堆石体具有更 高的密实度和更大的变形模量，使堆石体在各种荷载作用下的变形量大幅度降低，而且 对石料的要求也可以适当放宽。堆石体变形减小后，又因为钢筋混凝土面板堆石坝的面 板接缝的止水设施经过改进，使钢筋混凝土面板能适应这种较小的变形而运行良好，从 而解决了以往钢筋混凝土面板经常会产生裂缝和漏水的问题；于是以往曾一度被认为是 无发展前途的钢筋混凝土面板堆石坝又被重视起来。随着堆石坝观测设备和试验技术的 改进，有限元计算方法的创立和滑模在混凝土面板旖工中被广泛地采用，钢筋混凝土面 板难石坝的设计与施工又有了新的发展，创造了新型钢筋混凝土面板堆石坝。这种新型 钢筋混凝土面板堆石坝具有工程量较小、施工较简单、工期较短、造价较低和运行安全 等优点，因而在此阶段的二十余年中得到了迅速的发展。最早建成的坝高大于1 0 0m 的新型钢筋混凝土面板堆石坝是新埃克斯奇格( n e we z c h e g u e r ) 坝，于1 9 6 6 年建成。 1 9 6 7 年西班牙皮迪斯( p i e d i a s ) 坝”1 首次采用滑模施工工艺浇注面板获得成功，形成 面板堆石坝的另一个技术特点：1 9 7 1 年澳大利亚建成1 1 0 m 高的塞沙那( c e t h a n a ) 坝“1 ； 巴西于1 9 8 0 年建成的福兹多埃里阿亚( f o zd oa r e i a ) 坝1 在坝高、设计和施工技术 以及运行性能上都是混凝土面板堆石坝的典范；1 9 8 5 年哥伦比亚建成的高1 4 8 m 的萨尔 瓦金娜( s a l v a j i n a ) 坝”1 ；1 9 9 3 年墨西哥建成的当前世界最高的阿瓜密尔巴( a g u a m i l p a ) 坝“1 ，坝高1 8 7 m 。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，继两传到南美洲的巴西和哥伦比亚，8 0 年代中期中国引进 这一坝型后，也有了很大发展，成为当今世界上修筑面板堆石坝最多的国家。新型混凝 土面板堆石坝与第一、第二阶段的堆石坝相比，具有以下改进之点n 1 1 ) 除了利用振动碾碾压堆石区可获得较高的密度与较大的变形模量，已如上所述 外：还可利用振动碾碾压过渡区的面板垫层，代替了以往用人工堆砌或吊车铺设的施工 方法，大大简化了施工，加快了施工进度。 2 ) 采用粒径较小、级配良好的石料，用振动碾碾压过渡区垫层，提高了垫层的密 第一章绪论 实度与均匀性，而且具有低透水性，可起临时挡水的作用。 3 ) 放宽了对堆石区石料的条件要求。 4 ) 根据堆石体各部分在库水压力下的受力情况，将堆石区又划分为若干分区；视 各分区的受力情况，分别提出对各分区的石料和碾压要求。这样，可使堆石料的要求更 为合理，并可加快施工，降低造价。 5 ) 混凝土面板取消了水平向伸缩接缝，改为旋工接缝，便于利用滑模连续浇筑， 简化了旋工，可加快施工进度。 6 ) 改进了混凝土底座的结构型式，从以往的截水齿槽式底座改为趾板式底座，可 避免槽挖，简化施工。 7 ) 改进了面板与底座闻周边接缝和面板上下向伸缩接缝内的止水设施，能更好地 适应周边接缝与伸缩接缝两侧的相对变位，避免止水遭受损坏，减少渗漏。 1 2 面板堆石坝堆石蠕交的影响 通常堆石体的变形对坝体运行的影响有： 1 ) 堆石体在自重和库水压力的垂直分力作用下，产生垂直沉陷，使坝顶下降，减 低了坝的高度： 2 ) 堆石体在为水压力的水平分力作用下，产生向下游的水平变形。该水平变形与 垂直变形相结合，使堆石体上游面与面板产生法向挠曲变形。由于堆石体各横剖面的高 度与大小不同，在河床深处部位的挠曲变形一般要大于靠近两岸部位的挠曲变形，使整 个上游坝面中间部位的向下游的法向变位大于其上下和两侧部位的向下游的法向变位， 而呈向下游凹镜式挠曲面，这样变形的结果，将使面板沿垫层上游坡面在近水平方向上 从两侧向河谷中央部位移动；使靠近两岸的上下向伸缩接缝被拉张开，河谷中央部位的 上下向伸缩接缝被压挤紧：同时使周边接缝两侧的底座与面板产生较大的相对错动。在 上述各种影响中，如果面板法向挠曲变形过大，导致面板受压侧压应力过大，使面板可 能被压碎破坏 堆石体的蠕变包括在堆石体的总变形之中。经过多年以后，仍在极缓慢地增加。由 于堆石体的蠕变导致堆石体的总变形加大，如果在设计面板坝时忽略蠕变的影响，会使 我们对堆石体的变形估计偏于保守，而实际运行中计入蠕交堆石体的总变形对坝体运行 的影响比不计蠕变的影响大很多，以至于使坝体运行更加偏于不安全。 1 3 面板堆石坝结构分析 1 3 1 面板堆石坝结构分析现状 面板堆石坝的结构分析，目前使用线弹性的限元法、非线性有限元法和弹塑性有限 元法。计算结果在一定程度上能反映结构的工作性态。然而，实际中的工程材料既不是 4 河海大学硕士学位论文 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材料，材料的变形除与 应力有关外，还受时间因素的影响。在堆石坝中反映为堆石料的蠕变。根据若干已建面 板堆石坝的观测结果，大坝在建成蓄水后，其变形并未结束，在一定时期内仍然发展着。 而且大多数情况下堆石的蠕变在现场观测中都比较明显“”，这种附加变形必然会对防 渗系统的应力、变形状态有较大的影响。经典的弹塑性分析中未计入材料的蠕变效应， 理论分析结果总不能令人满意。对于面板堆石坝这一坝型，堆石体的变形性态对防渗体 系的应力、变形状态起着主导作用，这一点已经成为共识。另外，对面板堆石坝进行运 行监控和大坝的安全评估，也需要了解堆石体的流变特性。一个典型的实例就是罗马尼 亚里苏坝( l e s u 坝高约6 0 m ) ，水库运行2 年后，由于左岸坝肩面板与趾板间产生显著 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 继续产生了一系列裂缝“，采用不计入蠕变的有限元分析已不能清楚地说明这一现象， 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变形反映出来。国外还有关 于堆石的流变效应引起混凝土护面局部破碎的实例而且在大多数情况下堆石的流变在 现场观测中都表现得比较明显。国内一些地方利用岩性单的软岩或多种岩性软硬相兼 的石渣料作为坝体堆石料，这些材料的流变性也是比较显著的。在面板堆石坝设计中， 堆石的流变是目前尚未深入探讨的问题之一。回顾各种堆石料的本构模型，均未计入堆 石体变形的时间效应即流变性的影响，因而有限元数值分析结果与实际观测结果往往有 着较大差异，甚至存在无法解释的现象。当前，混凝土面板堆石坝在世界上是一个发展 方向，特别在我国一批高面板堆石坝工程正在修建，也迫切要求进一步研究堆石流变的 变形特性。因此，随着计算和试验方法的发展，以及有关理论研究的进展，进行计入时 间效应的应力应变分析，无论从理论上还是实践上都是必要的，也是可行的。这些研究 工作将有助于工程技术人员更加全面地了解面板堆石坝的力学性态。 1 3 2 考虑堆石体蠕变的应力应变分析 堆石坝竣工以后仍会产生一定的后期沉降，从已有的坝顶沉降资料看，竣工后的沉 降一般占坝高的1 左右，其中一部分是由水位变化或其它原因引起的，另一部分则是 堆石体的蠕变效应引起的。 随着工程实践经验的积累以及认识的不断深入，人们在经典弹塑性分析理论的基础 上，开始在面板堆石坝的竖向位移分析中考虑计入时效因素的影响。吉斯托( j u s t o ) 等在进行马丁贡莎洛维堆石坝的有限元分析中，通过增加2 0 自重的荷载来模拟堆石的 蠕变特性1 ；凯亥里德( k h a l i d s ) 等人在面板堆石坝的有限元分析中按四种不同的 方法计入蠕变效应( t 3 1 ；国内沈珠江院士等人在结合室内试验成果的基础上，提出了用 于反映堆石流变特性的三参数模型：河海大学沈长松教授、顾淦臣教授借助统计分析方 法建立坝体变形和影响因素之间的数学模型，提出了交集域优选法，并用于堆石坝非线 性材料参数反演”1 ；沈长松教授、莫莉硕士依据薛夫曼模型( s c h i f f m a n ) 模拟堆石的 第一章绪论 蠕交效应，进行了面板堆石坝蠕交变形参数的识别及结构性态方面盼研究“”；河海大 学王勇博士在殷宗泽教授的双屈服面模型基础上，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分析 “”。他们取得了较好的成果。 1 4 问题的提出及本文主要工作 在多座已建面板堆石坝的运行实践中，坝体堆石的蠕变现象都比较明显，有关学者 就观测资料进行统计回归分析，对考虑时效因子和不考虑时效因子两种情况做了对比， 结果表明施工期堆石的流变较为可观。对于面板堆石坝这一坝型，堆石体的变形性态对 防渗体系的应力、变形性态起着主导作用，堆石流变产生的附加变形必然会对防渗体系 的应力、变形状态带来产大的影响。因此，进行计入时间效应的应力应变分析，无论从 理论上还是实践上都非常重要，而且可行。这将有助于人们更加全面地了解面板堆石坝 的性态，对检测预报分析具有重要意义。因此，对面板坝进行安全监控和包括蠕变影响 在内的安全评估，具有重要的研究意义，它不仅可以为拟建坝的设计、施工提供科学依 据，而且可以为已建坝的科学和安全运行进行合理指导。对原型观测资料进行全面的研 究，国内外学者做了不少工作，包括对不同的本构模型、面板和垫层间的不同模拟以及 周边缝的不同模型进行了分析研究，但由于未计入堆石变形的时间效应，理论分析结果 总不能令人满意。本文在最常用的邓肯e b 模型的基础上，用广义邓肯e b 模型，结合 拟建的下六甲混凝土面板堆石坝进行分析，考虑面板坝坝体堆石的蠕变效应，分析面板 堆石坝的实际运行特性。本文所做的主要工作有： ( 1 ) 着重讨论了堆石料的两大类常用本构模型，即非线性弹性模型和弹塑性模型。 详细分析了两大类模型中的各种模型各自的优缺点，通过比较分析，最后认为用广义邓 肯e b 模型进行三维非线性有限元分析比较合适。并用广义邓肯e b 模型结合拟建的下 六甲面板堆石坝进行了三维非线性有限元分析。 ( 2 ) 在三维有限元分析程序的基础上，开发了计入蠕变的计算程序。有限元方法 在许多领域得到了广泛应用，但在面板坝的研究中，由于对堆石的蠕变研究工作开展得 较晚，用于面板堆石坝的有限元程序很少能考虑蠕变的影响。本文在前人研究的基础上 开发了计入堆石蠕变影响的三维有限元程序。 ( 3 ) 介绍了确定材料参数的两种方法，指出两种方法在确定材料参数时存在的不 足，得出了在试验和反分析确定堆石材料参数时，注意对灵敏度较大的参数的必要性， 同时在进行三维有限元分析的基础上，进行了参数灵敏度分析。 ( 4 ) 分析了堆石孀变的机理，详细介绍了当前进行堆石蠕变分析的理论模型以及 常用的确定堆石材料参数的几种方法。为进行蠕变计算提供了依据。 ( 5 ) 堆石蠕变模型的选择。随着人们对面板坝坝型的重视，已有很多学者研究了 6 河海大学硕士学位论文 坝体堆石变形的时间效应，但是堆石的变形特性与土体和岩石既有相似之处也有不同的 地方，目前，比较有说服力的蠕变模型几乎没有，因此，对堆石蠕变特性的研究首先面 临的是堆石蠕变模型的选择。通过对堆石蠕交几种模型的分析，本文选择了麦钦特 i e r c h a n t 模型，用初应变法编制蠕变程序，结合拟建的下六甲混凝土面板堆石坝、分 两种工况进行蠕变分析。 7 第二章堆石奉构模型 第二章堆石本构模型 混凝土面板堆石坝在我国仍属于一种较新的坝型，设计上主要根据前人的经验进行 虽然实践上已经达到令人满意的程度，但在理论上，特别是变形规律的理论上尚未取得 突破性的进展。因此，重视和研究混凝土面板堆石坝的变形问题是非常必要的。在混凝 土面板堆石坝的结构组成中，堆石体的体积占到了大坝体积的9 9 以上，因此堆石体的 承载变形不仅决定了大坝的沉降和变形，还会影响混凝土面板的应力和变形。而准确预 测坝体的变形、面板的应力和变形以及周边缝、垂直缝的张开量、压缩量等对指导坝体 结构设计有重要意义。自从1 9 6 7 年有限元首次用于土石坝应力应交分析之后，有限元 法已经成为土石坝结构应力应变分析的主要手段。 堆石的本构模型就是反映堆石的应力应变关系的数学表达式“，是本构关系的数学 描述。在有限元法用于面板堆石坝分析以后，反映堆石体的应力应变关系的本构模型被 应用于面板坝的数值分析。 自从1 9 6 3 年r o s c o e 及其同事提出著名的剑桥模型以来，各种本构模型已多得难以 统计。但是，广泛地被应用于实际工程计算的仍只有为数不多地几个。归纳起来可分为 非线性弹性模型和弹塑性模型“7 1 两大类。 2 1 非线性弹性模型 非线性弹性模型是根据广义虎克定律建立刚度矩阵 d 。不过考虑到非线性，包含 在矩阵 d 中的弹性常数e 、扯，不再视为常量，而是看作随应力状态而改变的变量。众 多的非线性弹性模型中，用于面板堆石坝结构分析的主要有邓肯e - v 模型、邓肯e b 模型、e k 模型和奈勒k g 模型等。 2 1 1 邓肯d u n c a ne - v 模型“” 早期的面板坝应力应变分析多采用邓肯一张的e - v 模型。1 9 7 0 年邓肯和张根据 k o n d n e r 关于土料三轴试验的p l 一吒j 毛关系曲近似呈双曲线的假定，为说明土、砂 的非线性应力应变特性，采用下列双曲函数拟合三轴试验应力应变曲线： 仃i 一叮3 2 l 一- s 4 r f ( 2 1 1 ) e 。( 盯i 一盯3 ) ， 式中：( q 一码) ，一试样破坏时的主应力差；毛轴向应变；互一初始切线模量： q ，吒一最大和最小主应力；髟一破坏比，是破坏时主应力差与应力应变双曲线的 渐近线的纵坐标值的比值。 = = 苎 t v 4 - d s l 8 陀一1 - 2 ) 河海大学硕士学位论文 由于吼= 常数，再假定参数e f 、”r 等只与吼有关，对上述两式再按下面两式定义求导 其中 e = a o j v = 一a t 3 a o ， 可得： e = 巨( 1 一r z d , ) 2 破坏比r ，的值为 b 。杀苦 ( c - c ) ，= ( 2 c c o s f a + 2 c 以s i n 妒) ( 1 一s i n p ) 驴6 ( d - i 叻。孝击 ( 2 1 - 3 ) ( 2 1 - 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - i - 7 ) ( 2 1 - 8 ) ( 2 一l - 9 ) 根据詹布( j a n b u ) 的试验研究，初始切线模量e j 与固结压力之间的关系可表示为 巨= 乳( 睾) “ ( 2 1 1 0 ) 式中：p a 一大气压力；k ，n 一待定的试验常数；k 一弹性模量系数；n 一弹性模量指 数。 咋则用下列对数函数表示： v ，= g f l d 旦i l 见 r 2 1 1 1 ) c 、妒、, k f 、k 、n 、d 、g 和f 为8 个计算参数，可以由常规三轴试验测定。 在加载情况下，邓肯( d u n c a n ) 等人根据k o n d n e r ，j a n b u 等人的试验研究得到任一 应力情况下切线模量的表达式为 纠1一丝糕2kpa(暑aa)“(2-1-12)2ccosp a + 2 吼s i n 舻。 9 第二章堆石本构模型 在卸载再加载情况下，应力与应变接近直线关系，如图2 - 1 所示。这时弹性模量仅 取决于周围压力d ，而与( 口，一o ，) 无关，其数值按下式计算 髟= k ，p a ( 0 3 p a ) ” ( 2 - 1 - 1 3 ) 式中：兄，一卸载和再加载时的弹性模量系数；”一卸载和再加载时的弹性模量指 数。 ( a ) 8 嚣 。 上 o 。 j o 苦 l b ；。o 图2 - 1 双曲线匣力应变关系 ( c ) 2 1 2 邓肯d u n c a ne b 模型“” 随着土与堆石体性质试验研究的深入和计算技术的进步，邓肯e - v 模型的缺陷日益 突出，主要是由式( 2 - 1 1 1 ) 计算的v 值偏大，且在求取g 、f 、d 值时带有不定性。1 9 8 0 年邓肯等人将该模型进行了修正，建议用下列切线体积模量代替切线泊松比v 。 口：坐l 。3 唧 r 2 1 1 4 ) 量0 3 的变化规律仿照式( 2 1 8 ) 得出 耻配( 2 - 1 - t 5 ) 式中：心，m 一待定试验常数i 吒一体积模量系数；m 一体积模量指数。 引入切线体积模量b 。后，相当于假定土的泊松比为 匕= 圭( 1 一乓( 3 毋” ( 2 1 _ 1 6 ) 其中，3 b , es 1 7 b , ，以满足q o s h m 9 。 此外，考虑到粗粒料的莫尔包线往往不是直线，又可采用下列公式计算内摩擦角 伊= 伊。一妒l g ( 鲁) ( 2 - 1 1 7 ) 1 0 河海大学硕士学位论文 这时，式( 2 一l 1 5 ) 中两个参数a a 和m 将代替三个参数g 、d 和f ，式( 2 - 卜1 7 ) 中妒l 和妒将代替c 和妒。 此模型需要用三轴试验测定k ，n ，吩，瓦，m ，c ，妒，e ，九个参数。 2 1 3 广义邓肯e 。b 模型m ， 试验表明堆石料的应力一应变曲线形状都受中主应力o2 的影响。但由于邓肯e - b 模型是针对二维问题提出的，没有考虑中主应力o2 ，所算得的变形值偏大。为了推广 到三维问题，河海大警顾淦臣教授对邓肯e - b 模型进行了修正，提出用广义应力p 代替 叽，以q 代p z 一) ，用g ，代替( q 一吒) ，。 p = ；( q + 巴+ 如) ( 2 - 1 - 1 8 ) q 2 = 寺【( q c r 2 ) 2 + ( 吒一) 2 + ( 码一q ) 2 ) 】 ( 2 1 1 9 ) 口，：害! ! 垫生i 竺! ! ! 生 “3 。o s o + s i n 声s i n 以 2 0 ) 其中巴为洛德( l o d e ) 应力角 以呱1 ( 一扣 ：1 一生 曼2 盯l 一口3 相应地，在三维有限元分析中考虑中主应力影响时： e 2 弛i - r q q ：r 式中k 、n 、砖为试验参数，只为大气压，p 和q 为广义应力。 e 啾 舻锻“挑( 夸 当土体处于卸荷时有： = 如啦) ” 计算中当满足下列两个条件时，认为处于卸载与再加载状态 ( 2 - 1 2 d f 2 - 1 - 2 2 ) ( 2 - i - 2 3 ) r 2 1 - 2 4 ) f 2 1 - 2 5 ) 第二章堆石本构模型 1 、墨 0 9 5 s 一i 2 ) 吼0 9 5 q ，一i 其中s | 。q j q ，为匣力水平， 2 1 4e k 模型 一维情形下，竖直应力和应变关系可假设为 d ，= a e e a 占1 以 式中：只为大气压，a 。，坑为不受尺寸影响的常数。对该式微分得： e = 等锻只( 者 。”以 ( = o r 。) 可假设为与吼呈线性变化 k 。= a + b o 詈- - 这里4 ，岛是另两个与尺寸无关的试验常数。 对( 2 - - l 一2 8 ) 微分，得到一个切线k 。值。 2 等2 4 犯鼠号 从弹性理论，切线泊松比和弹性模量可由e 。和求得： 垆去 e ：坠掣生丝e 。 l v 卸载时需增加c 0 和d 0 代替4 和风以确定卸载的k o ， e = 1 。因此e 。卸载时为常量e 只。 2 1 5 n a y l o rk - g 模型叫1 n a y l o rd j 认为体变模量随平均法向应力增加而增大， 增加而增大，随广义剪应力增加而减少。所以 k = 足，+ 口：盯 ( 2 - i - 2 6 ) ( 2 1 - 2 7 ) ( 2 - 1 - 2 8 ) ( 2 - 1 2 9 ) ( 2 1 3 0 ) ( 2 - 1 3 1 ) 用e 代替一。，使卸载时 剪切模量随平均法向应力 g = g ，+ 口吕盯+ p g “盯。 其中 巳= ( t + q + 巳) 2 = 圭【( 吒一町) 2 + ( q t ) 2 + ( 吒一吒) 2 十6 ( 弓+ + ) 】 1 2 ( 2 - i - 3 2 ) ( 2 - 1 - 3 3 ) ( 2 - 1 - 3 4 ) 河海大学硕士学位论文 式中 k l 、a 、g i 、声均为试验参数。 2 2 弹塑性模型 2 2 1“南水”模型。” 南京水科院的沈珠江在总结大量实践的基础上，吸收了邓肯模型和剑桥模型的优 点，提出了双屈服面弹塑性模型，该模型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，从雨沿 用众所周知的邓肯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。“。该模型在面板 堆石坝的结构分析中得到较多的应用。下面对 该模型做一简单介绍。( 如图2 - - 2 ) f 石2 p 2 4 - y 2 9 2 ( 2 - 2 - 1 ) l 五= q 5 p j p 图2 2 双屈服面 式中：r 为椭圆函数f 的长轴和短轴之 比，s 为幂函数的幂次。 p = ( 盯l + 盯2 + 0 5 ) 3 ，为八面体正应力； q = 4 ( 0i 一盯2 ) 2 + ( 盯2 一仃，) 2 + ( o - 一口i ) 2 ，为八面体剪应力。 2 - 2 2 殷宗泽双屈服面模型。” 殷宗泽于1 9 8 8 年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如 下的双屈服面模型( 参见图2 3 ) ： ，2 = p + 志= p 。= 了_ = ；暑乏孑i f l ；a _ q q g 式中 g 为剪切模量， p = ；( q + c r 2 十吧) 9 2 = 要 ( 吼一吒) 2 + ( c r 2 一毋) 2 + ( 吗一q ) z ) 】 g 蝴( 爿 k g 、n 、m l 、m 2 、& 、h 、d 为试验参数。 ( 2 - 2 - 2 ) ( 2 - 2 3 ) 第二章堆石本构模型 伊 ， ， 一 ， ， ， 图2 - 3 殷宗泽双屈服面模型 2 3 堆石模型比较分析 ( 1 ) 堆石的应力应变关系本质上具有非线性、塑性的特征。邓肯e - v 模型用于混 凝土面板堆石坝的应力应变分析，计算的坝体位移与实测值差异较大；邓肯e v 模型不 太适宜于混凝土面板堆石坝的应力应变分析。邓肯e - b 模型是对邓肯e - v 模型的修正， 把总变形的塑性部分当作弹性变形处理，通过弹性系数的调整近似地考虑这部分塑性变 形。如果能够合理、可靠地选择好材料参数，邓肯e b 模型可以比较好的反映坝体和面 板的变形性状，用于增量计算，能反映应力路径对变形的影响。邓肯e v 模型和邓肯 e b 模型相比，邓肯e b 模型计算的竖直位移规律较好。 ( 2 ) 邓肯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。由试验研究确定的邓肯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，目前邓肯e - b 模型在工程上有着广泛的应用。广义邓 肯e b 模型由于考虑了主应力o2 的影响，计算结果更符合实际情况。 ( 3 ) n a y l o rk - g 模型考虑了堆石的压缩和剪切，考虑了中主应力的影晌。k g 模 型和邓肯e b 模型相比，k g 模型计算的竖直位移比邓肯e b 模型大，水平位移比邓肯 e b 模型小，混凝土面板的应力规律都不太好。另外，n a y l o rk - g 模型的试验应力路径 和大坝实际路径不同，数据整理方法不成熟，不一定在每种情况下都能得到较好的结果 龉】 o