（水工结构工程专业论文）混凝土面板极端破坏情况下堆石坝渗流与应力变形特性研究.pdf

摘要 论文题目：混凝土面板极端破坏情况下堆石坝渗流与应力变形特性研究 学科专业：水工结构工程 作者姓名：李炎隆 签名：壁毫臣 指导教师：王瑞骏教授 摘要 签名： 混凝土面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一。大坝主体由堆石或砾石组成，起支 承作用，其上游面设置混凝土面板起防渗作用。面板坝具有对基础要求低、导流简易、 造价较低、施工简便快速等特点，是目前许多工程的首选坝型之一。现代混凝土堆石 坝的发展趋势是坝越建越高、工程规模越来越大，因此，准确预测面板极端破坏情况 下堆石坝的渗流与应力变形特性，对面板堆石坝的设计及运行管理具有重要意义。但 目前国内外对于混凝土面板极端破坏情况下堆石坝的渗流及应力变形特性问题的研究 还未引起足够的重视，或者研究的深度还十分有限。 本文首先结合两座已建的面板堆石坝工程，对混凝土面板极端破坏的特点、成因 及危害进行了系统分析。然后，基于等宽缝隙水流运动规律，结合混凝土面板堆石坝 的渗流机理，研究建立了面板接缝及面板裂缝的渗流计算模型、密集裂缝型面板渗流 计算的等效准连续介质模型及面板极端破坏情况堆石坝的渗流计算模型，通过渗流场 与温度场计算原理的相似性的对比分析，论证了用通用软件a d i n a 的“t 模块进行面 板堆石坝渗流场分析的可行性；利用a d i n a 通用软件的二次开发平台，在其材料库中 加入了邓肯一张e - b 本构模型，获得了基于通用软件进行面板堆石坝应力变形三维有限 元计算的有效途径；在对非线性有限元计算研究分析基础上，研究探讨了面板堆石坝 应力变形计算中诸如接触、分级加载、面板裂缝与接缝等特殊边界模拟的问题，并通 过二次开发，在a d i n a 软件中实现了上述特殊边界的模拟。最后，结合公伯峡面板堆 石坝工程，针对正常及面板极端破坏等计算工况，进行了混凝土面板堆石坝渗流与应 力变形的三维有限元计算，获得了各工况大坝渗流与应力变形的有限元计算结果，并 将大坝蓄水期渗流与应力变形的计算结果与相应的实测结果进行了对比分析，结果表 明，二者吻合程度较高，说明本文的计算结果是较为合理和准确的。 本文所建立或提出的上述模型及方法，为混凝土面板极端破坏情况下堆石坝渗流与应 力变形特性的研究和预测奠定了必要的理论基础，所获得的分析计算成果对类似工程也具 有重要的参考和应用价值。 关键词：混凝土面板；极端破坏；堆石坝：渗流特性：应力变形 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：s t u d yo nr o c k f i l ld a ms e e p a g ea n ds t r e s sa n dd e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c su n d e re x t r e m ed a m a g ec o n d i t i o no fc o n c r e t e f a c es l a b s m a j o r ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g n a m e ：y a n l o n gl i s u p e r v i s o r ：p r o f - r u u u nw a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： c o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m ( c f r d ) i so n eo ft h em a i nt y p e so fe a r t h r o c kd a m t h e p r i n c i p l ep a r to f t h ed a mw h i c hp l a y sas u p p o r t i n gr o l ei sm a d eo fm o r a i n e sa n dg r a v e l sa n di t s u p s t r e a mf a c es e t t i n g c o n c r e t ef a c e p l a y sa na n t i s e e p a g er o l e c f r dh a v i n gm a n y c h a r a c t e r i s t i c so fl o wr e q u i r e m e n t sf o rb a s e ，e a s y d i v e r s i o n ，l o wc o s t ，r a p i da n ds i m p l e c o n s t r u c t i o na n ds oo ni so n eo ft h ep r e f e r r e dt y p e so fd a mf o rm a n yp r o j e c t s t h ed e v e l o p m e n t t r e n do fm o d e mc o n c r e t er o c k f i l ld a mi st ob u i l dh i g h e ra n dh i g h e ra n dt h es i z eo ft h ep r o j e c ti s l a r g e ra n dl a r g e r t h e r e f o r e ，t oa c c u r a t e l yp r e d i c tt h es e e p a g ea n ds t r e s sv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fr o c k f i l ld a mu n d e re x t r e m e d a m a g ei si m p o r t a n t t oc f r dd e s i g na n do p e r a t i o n m a n a g e m e n t b u td o m e s t i ca n da b r o a dh a v en o tb r o u g h te n o u g ha t t e n t i o nt ot h es e e p a g ea n d s t r e s sv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho fr o c kf i l ld a mu n d e re x t r e m ed a m a g eo rt h ed e p t ho f r e s e a r c hi sv e r yl i m i t e d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rs y s t e m i c l ya n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c a u s e sa n dh a z a r d so f c o n c r e t es l a bu n d e re x t r e m ed a m a g e 谢廿lt w oc o n s t r u c t e dc f r dp r o je c t s t h e n ，b a s e do nt h e e q u a l w i d t hs l i tm o t i o nl a wa n ds e e p a g ef l o wm e c h a n i s mo fc f r d ，s e e p a g ef l o wc a l c u l a t i o n m o d e lo fs l a bj o i n ta n ds l a bc r a c k ，e q u i v a l e n tq u a s i - c o n t i n u u ms e e p a g ef l o wm o d e lo ff a c es l a b 、析mi n t e n s i v ec r a c k sa n ds e e p a g ec a l c u l a t i o nm o d e lo fr o c k f i l ld a mu n d e re x t r e m ed a m a g e a r ee s t a b l i s h e d t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc a l c u l a t i o np r i n c i p l e ss i m i l a r i t yb e t w e e n s e e p a g ef i l e da n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ef e a s i b i l i t yo fc f r ds e e p a g ef i e l da n a l y s i sw i t hg e n e r i c s o f t w a r ea d i n a t m o d u l ei s d e m o n s t r a t e d u s i n ga d i n a sr e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， d u n c a n - c h a n ge - bc o n s i t i t u t i v em o d e li sa d d e dt ot h es o f t w a r e sm a t e r i a ls t o r e r o o m ，a n dt h e e f f i c i e n t a p p r o a c ho ft h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nf o rc f r ds t r e s sa n d d e f o r m a t i o ni s a c q u i r e d b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o n ，s o m es p e c i a lb o u n d a r ya n a l o g yi s s u e ss u c ha sc o n t a c t s ，g r a d i n gl o a d ，f a c es l a b c r a c k sa n dj o i n t sa n ds oo na r ed i s c u s s e d ，a n dw i t ht h er e d e v e l o p m e n ti nt h ea d i n a s o f t w a r e ， t h ea b o v e m e n t i o n e ds p e c i a lb o u n d a r ya n a l o g yi sa c h i e v e d f i n a l l y , u n i f i e st h eg o n g b o x i a a b s t r a c t c f r dp r o j e c t , i nv i e wo fn o r m a la n df a c es l a be x t r e m ed a m a g ew o r kc o n d i t i o n s ，c f r d s e e p a g ea n ds t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ni s c a r r i e d ，a n dc a l c u l a t i o nr e s u l t si nv a r i o u sw o r kc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d w i t hc o m p a r a t i o n a n a l y s i sb e t w e e nc a l c u l a t i o na n da c t u a lr e s u l t so fs e e p a g ea n ds t r e s sa n dd e f o r m a t i o ni nw a t e r s t o r e a g et i m e ，i ts h o w st h a tt h et w or e s u l t st a l l yc l o s e l y s ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si nt h i sp a p e r a r er e a s o n a b l ea n da c c u r a t e i nt h i sp a p e r , t h ea b o v e m e n t i o n e dm o d e l sa n dm e t h o d sl a ya n e c e s s a r yt h e o r e t i c a lb a s i si n f o rt h er e s e a r c ha n df o r e c a s t i n go fr o c k _ f i l ld a ms e e p a g ea n ds t r e s sa n dd e f o r m a t i o n , a n dt h e a n a l y s i sc a l u c a t i o na c h i e v e m e n ta l s oh a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u et ot h e s i m i l a rp r o j e c t s k e y w o r d s ：c o n c r e t ef a c es l a b ；e x t r e m ed a m a g e ；r o c k f i l ld a m ；s e e p a g e p r o p e r t y ； s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n i i i 独创性一声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：4 + 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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 l 一 ， 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我_ 同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明_ 并已致谢。 。 j i ， 。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：，。：蕉兰匿二：，j 彻蹄j 月叫自 学位论文使用授权声明 本人：耋斟至在导师的指导下创作完成毕业论文- ，本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，。即1 一i ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料复等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览； 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 睁文作者签名：雄导师签名i3 举 。年1月目 独，创，性j 声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明f 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成果：尽我所知，除特别加以标注和致谢 一 一 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。、与我一同工作的同志对本文所研究的王 j 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 一本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 年月，目 ；本人 一l 二：在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，、同意 i 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权。即：i ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印叫缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布，( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 一 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：!。，导师签名：年月日 1 研究背景及意义 1 研究背景及意义 1 1 混凝土面板堆石坝的发展 混凝土面板堆石坝( c o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m ，简称c f r d ) ，是以堆石体为支撑 结构，并在其上游设置混凝土面板作为防渗结构的一种堆石坝。该坝型因其断面较小、安 全性好、施工方更、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，是目前极有发展前途的一种新坝型。 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经历了 一个多世纪，这个历程亦是面板堆石坝工程经验不断积累、不断丰富的过程。其发展一般 可划分为三个阶段：早期抛填堆石阶段、抛填堆石向碾压堆石过渡阶段和以堆石薄层碾压 为特征的现代混凝土面板堆石坝阶段 1 - - 3 j 。1 8 5 0 年至1 9 4 0 年为早期抛填堆石阶段，在美 国加利福尼亚希拉山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，木面板逐渐 被混凝土面板所替代。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 的狄克斯河( 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。这一时 期堆石区的施工都采用抛填作业，堆石的密实度很低，堆石的变形模量相应较低，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 状态进入二十世纪6 0 年代，随着大型土石方施工机械，尤其是大型振动碾的出现，为 堆石坝筑坝技术的发展注入了新的活力。著名土力学家太沙基在1 9 6 0 年提出采用碾压堆 石修筑面板坝的构想。他认为，碾压堆石变形很小，可以改善面板堆石坝混凝土面板的工 作状况，因而可以建更高的面板坝，堆石体也可以使用较软弱的岩石。太沙基的这些论述 对于混凝土面板堆石坝的再次兴起起了重要的作用。从此，面板堆石坝堆石体的填筑施工， 均采用薄层碾压的施工方法。至1 9 6 5 年，基本完成了由抛填堆石向碾压堆石的过渡1 4 - e l ， 面板堆石坝进入以堆石薄层碾压为特征的现代混凝土面板堆石坝发展阶段。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。在此后的数十年里，混凝土面板堆石坝这种新坝型在全世界范围内得到了广泛的应用， 相应的设计理论和施工技术也得到了不断的发展和完善，从而使其成为一种颇具竞争力的 坝型。 我国是于二十世纪八十年代初期开始从国外引进混凝土面板堆石坝筑坝技术的。虽然 起步较晚，但从1 9 8 5 年，我国开始建设第一座混凝土面板堆石坝湖北西北口大坝( 坝 高9 5 m ) 至今的二十多年时间内，我国的面板堆石坝筑坝技术取得了长足的发展，无论从 西安理工大学硕士学位论文 建坝数量，还是建坝高度都处于世界前列。据2 0 0 4 年的不完全统计n 1 ，我国己建和在建 的坝高3 0 m 以上的混凝土面板堆石坝有1 5 0 座左右，其中坝高大于等于l o o m 的有3 7 座， 已建成的天生桥一级坝高1 7 8 m ，居世界第二，而其库容、坝体体积、面板面积等指标均 居世界同类工程之首。在建的水布娅大坝高2 3 3 m ，为目前世界上第一高混凝土面板坝。 面板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。与其它坝型相比， 现代混凝土面板堆石坝具有以下几个方面的特点n 盯：( 1 ) 安全可靠性。面板坝具有良好 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 i 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 ) 施工简单、造价低。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，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。( 3 ) 适应性强。混凝土面板坝不但可以 修建于一般气候地区，还可修建于高气温地区与严寒地区，适应于深山峡谷和丘陵平原的 大流量河流，也适应于各种各样的河谷形态。 正是由于上述诸多优点，近年来，混凝土面板坝在国内外获得了广泛的推广和发展， 同时带动了混凝土面板堆石坝设计理论和计算方法的研究发展。我国在“七五 、“八五” 及“九五”期间均对混凝土面板堆石坝进行了科技攻关，取得了混凝土面板坝二维、三维 有限元分析的一批科研成果，对于混凝土面板堆石坝筑坝技术的进一步发展起到了积极的 促进作用。随着混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展，混凝土面板堆石坝越建越高、工程规 模越来越大，现已逐渐成为现代面板堆石坝发展的基本趋势n 1 。 1 2 混凝土面板堆石坝研究的进展及存在的问题 1 2 1 混凝土面板堆石坝研究的进展 混凝土面板堆石坝作为一种富有竞争力的坝型已在实际工程中得到了广泛应用，国内 外对混凝土面板堆石坝的若干关键技术问题开展了大量卓有成效的研究工作，取得了许多 富有价值的研究成果。近年来，国内外关于混凝土面板堆石坝研究的重点主要集中在以下 几个领域： ( 1 ) 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，亦对防渗面板和周边缝止水产生影响，所以 2 1 研究背景及意义 堆石料的力学性质亦决定了面板堆石坝的基本工作状态。堆石模型参数由试验得出，试验 研究的主要内容是堆石筑坝材料的强度和变形特性，垫层和过渡层材料抗渗性能，为坝体 设计合理的料物分区，既满足工程安全，又能降低工程造价。目前，筑坝材料的试验研究 己成为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获得对筑坝料的 认识。堆石筑坝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；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也被用作筑坝材料， 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。早在1 9 5 9 年 j b r a u n s 和k k a s t 就己经进行了h = 1 8 m ，d = 1 o m 的三轴试验( t r i a x i a l c e l lt e s t ) 1 0 j g s o w e r s 和e f u m a g a l l i 等分别在1 9 6 5 年和1 9 6 9 年用固结仪研究了堆石的侧限变形 性质；1 9 7 6 年j a c h a r l e su u 进行堆石单轴压缩试验并在此基础上根据弹性理论对堆 石坝的变形进行了分析；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n 2 1 3 1 ；r j m a r s a ln 钉与柏树田n 5 1 对 堆石在平面应变条件下的变形性质进行了试验研究，并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。 ( 2 ) 混凝土面板堆石坝应力变形研究 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 应力变形分析以来，已取得了丰硕的成果。1 9 7 0 年，n 0 b r o u g h t o n 用弹性有限元的方 法对3 6 米高的w il m o t 坝进行了分析计算n 盯，但他没有考虑面板和堆石界面的滑动，并 采用等应变三角形单元，因此不能真实反映面板与堆石的应变值。另外，j k w i l k i n g s 等人对c e n t h a n a ，a l t oa n c h i c a y a 和f o zd oa r e i a 坝的有限元分析均未能较好地表述这 些坝的实际工作状态，主要表现为：数值分析求得的坝体变形在坝下游大部分范围内竖向 位移小于水平位移，与实际结果不相一致，仅在下游坝脚附近数值分析结果与实测结果相 接近；数值分析得出的面板拉应力区亦较实测结果大。i n a i z u m ih 和s a r d i n h a ae 等 人认为这主要是由于泊松比的取值、各向异性以及混凝土面板等因素对坝坡位移的影响所 致，他们发现当泊松比接近于零时，理论值与实测值在变化规律上时较为一致的。显然， 上述各因素对坝体位移和面板的应力大小存在一定的影响，但泊松比接近于零的推断却值 得商榷。国外在面板堆石坝的应力应变分析研究方面做了大量的工作 1 7 1 。 我国自1 9 8 5 年以来，经过二十多年的努力，在面坝的应力变形分析和堆石料本构模 型研究方面，已从探索逐步走向成熟。目前国内面板堆石坝应力变形数值分析中堆石料采 用的的本构模型主要有邓肯一张e u 本构模型、邓肯一张e - b 本构模型、“南水 双屈服面 模型、剑桥模型、清华k g 模型n 8 1 。其中，以邓肯一张e - b 模型应用最为广泛。目前， 许多土力学专著都对堆石体的本构模型详细介绍 2 0 2 2 ，一般分为非线性模型和弹塑性模 3 西安理工大学硕士学位论文 型两大类。非线性模型以邓肯一张e u 模型和邓肯一张e - b 模型为代表；弹塑性模型则以 “南水”双屈服面模型为代表。堆石体的变形特性一般可归结为四个主要方面：非线性， 堆石体的应力应变关系表现为典型的非线性关系；压硬性，堆石体的变形模量随着围压的 增加而增加；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；应力引起 的各向异性，不同方向应力差异引起变形刚度不同。早先，面板堆石坝应力变形分析较多 采用邓肯一张e u 模型，该模型的8 个模型参数，可由室内常规三轴试验结果整理出来。 与实测资料相比，邓肯一张e p 模型计算得到的坝体水平位移、面板拉应力区域和拉应力 值明显偏大。邓肯一张e b 本构模型和邓肯一张e u 本构模型的区别在于用切线体积变形 模量b 。代替切线泊松比u 。，模型参数由室内常规三轴试验结果整理。邓肯一张e - b 本构 模型计算结果要比邓肯一张e _ u 本构模型合理，但由于其不能考虑堆石体的剪缩性，计算 所得的水平位移仍然偏大。这是因为非线性模型一般只能反映堆石料的非线性和压硬性， 因而造成计算所得的应力变形特性与实际情况存在较大的差异。虽然邓肯一张e - b 本构模 型的计算结果不尽合理，但由于它能反映堆石体的主要变形特性，而且应用方便，参数测 定简单，所以仍然得到较为广泛的应用。 近年来，随着电子计算机的发展，面板堆石坝应力变形有限元分析发展较快，成功的 开发了不少平面和空间有限元计算程序，考虑因素也越来越多，为面板堆石坝筑坝技术的 发展提供了技术支持。利用计算机强大的计算功能以及有限单元法的优势，结合大型通用 软件与专用程序，已经成为当今混凝土面板堆石坝的应力变形数值模拟仿真的主要技术手 段。 ( 3 ) 混凝土面板堆石坝渗流特性研究 混凝土面板堆石坝的安全性比较高，但一旦防渗系统失效，大坝的稳定性如何，仍需 要充分的估计并在设计过程中考虑有效的防范措施 2 3 1 。面板坝的渗流分析成果直接关系 到工程的运行安全和经济效益，是面板板石坝的一个关键技术问题玎1 。但是，好多学者认 为面板堆石坝产生渗透破坏的可能性远远小于一般土石坝，因此渗流可不作为其设计计算 的主要内容，甚至可以不考虑 2 4 | p 这种观点导致人们对面板坝的渗流研究不够深入。 关于混凝土面板堆石坝的渗流特性问题，目前为数不多的研究成果“5 1 主要反映在以 下两个方面：混凝土面板的渗漏估算模型( 方法) 研究。在这一方面，部分专家提出了 关于面板接缝( 周边缝及面板分缝) 和面板裂缝渗流的若干估算模型( 方法) “2 ，这些 渗流估算模型存在仿真度低、对接缝和裂缝渗流的影响因素考虑较少等不足，而且这些模 型只局限于估算面板单一或全部接缝及裂缝的渗流量，不能确定接缝或裂缝的其它渗流要 素，也无法引入到大坝整体渗流计算中去。正如文献【1 】、 2 6 】所分析指出的，现有的 这些估算模型( 方法) 都不成熟，仍需要进行更多的研究和原型观测验证。混凝土面板 堆石坝渗流机理研究。目前关于面板堆石坝渗流机理的研究主要是针对坝体填筑材料( 垫 层、过渡层及堆石体) 进行的，极少涉及混凝土面板及其接缝系统渗流机理的研究，尤其 是在面板接缝止水失效、面板出现各种裂缝等情况下关于面板渗流机理的研究成果甚少。 4 1 研究背景及意义 ( 4 ) 面板接缝止水结构研究 为了适应堆石体的沉降变形，避免面板开裂，混凝土面板堆石坝中存在着周边缝( 面 板和趾板之间的接缝) 和面板缝( 包括水平缝和垂自缝) ，这些接缝的结构及其止水是面 板堆石坝防渗体系中的关键环节。接缝止水结构的设置经历了一个由简到繁有由繁到简的 过程，面板坝接缝止水最早只简单地设置一道塑胶或铜片止水，后来发展到顶部为加筋橡 胶薄盖保护的马蹄脂( i g a s ) ，中部为p v c 止水，底部为铜片止水的三道止水结构，这种 止水布置的目的在于当接缝发生位移后，顶部的马蹄脂在水压力作用下流淌至缝内封闭接 缝，防止渗漏，以期达到任何一道止水出现局部破坏后，接缝的止水效果仍能够达到令人 满意的结果。经过“九五 攻关以后，目前中国水利水电科学研究院，针对坝高大于l o o m 的高面板坝，又研制出了新型的复合型止水结构吻1 。在周边缝和主面板分缝处仍保留了 底部的铜止水，同时在周边缝顶部铺设自愈性粉细砂材料，代替过去常用的马蹄脂，并在 水库蓄水时趋于张开的面板纵缝的项部安装蘑菇形氯丁橡胶或e p d 或铺设自愈性土料。接 缝止水水结构不仅要具有足够的强度还要能够适应三向大变形，具有足够的塑性，良好的 抗渗性、延伸性：耐温性，并且满足耐久性的要求。此外，由于周边缝止水是一个嵌入构 件，给滑模的施工带来了不便，并且其运行性状很难预测。因此，更加有效的接缝止水结 构的设计仍需继续深入的研究。 ( 5 ) 现代施工技术的研究 伴随着施工机具的发展，面板堆石坝的施工技术近年来得到了很大的提高。石料高效 爆破开采技术的研究与应用，提高了坝料的开采速度，降低了堆石坝的工程造价；混凝土 面板滑模浇筑方法的应用，提高了面板坝的施工速度；挤压式边墙技术的应用，大大改善 了面板的应力分布嘲1 ；斜坡碾压机具的研制与应用汹1 ，大大提高了混凝土面板堆石坝的 的施工质量，将混凝土筑坝技术推向了一个新的高度。 1 2 2 混凝土面板堆石坝研究过程中存在的问题 近年来，面板堆石坝凭借自身的优点与开展的大量有价值的科研成果，受到了坝工界 的青睐，在不同的国家和地区修建了几座高面板堆石坝，运行情况十分良好，成为面板坝 发展史上的经典力作，如澳大利亚的c e t h a n a 坝啪1 ，哥伦比亚的s a l v a j i n a 和a l t o a n c h i c a y a 坝 3 1 1 巴西的f o zd oa r e i a 坝，墨西哥的a g u a m i l p a 坝等。国际上通过各种 方式交流总结了修建面板坝的经验和方法，对于该坝型的技术与理论的研究也取得了丰硕 的成果n 嘲”2 0 国内外通过对已成工程的实践，逐步完善了现有的关于面板坝的设计资 料和技术规范，并用于指导具体工程的设计。 混凝土面板堆石坝技术发展很快，混凝土面板堆石坝越建越高、工程规模越来越大， 一旦大坝发生安全事故，造成的危害将十分严重。因此，正确认识混凝土面板发生极端破 坏情况下堆石坝的安全度是十分必要的。目前，对于混凝土面板发生极端破坏情况下堆石 坝研究还不够全面，研究的力度也不够深入。 关于大坝渗流及应力变形的研究，一般只对其常规的正常或非常工况进行研究，极少 5 西安理工大学硕士学位论文 涉及关于面板极端破坏情况下的预测性研究。在这里有必要对本文提出的“混凝土面板极 端破坏情况做一简要说明。混凝土面板堆石坝的防渗系统是由混凝土面板与面板接缝( 包 括竖缝与周边缝) 止水共同组成，所谓混凝土面板极端破坏情况指的是面板接缝止水及面 板防渗失效的极端工况，在文献【2 3 中，又将面板极端破坏情况细分为：混凝土面板及 竖缝未开裂，周边缝完全开裂；混凝土面板未开裂，周边缝完全开裂，竖缝部分开裂；面 板及止水防渗完全失效3 种极端工况。“九五 攻关期间，中国水科院结合水布垭面板堆 石坝做了混凝土面板极端破坏情况下大坝的工作性态研究，尽管对有些问题的研究不够深 入或者说不够全面，但也引起了人们对面板极端破坏情况下堆石坝预测性研究的重视，本 文正是受文献1 2 3 的启发，对混凝土面板极端破坏情况下堆石坝的预测性研究做点滴的 补充完善。 在面板接缝和裂缝的渗流及应力变形有限元模拟方面，还缺乏系统的理论研究和应用 研究。对于面板坝的垫层和过渡层而言，通过级配和压实度控制，其渗流雷诺数一般较小， 渗透规律可以用d a r c y 定律描述。但对于堆石体，情况要复杂得多，目前国内外对其渗流 机理的研究还较少。一些研究者认为；通过垫层和过渡层到达堆石体的渗流剩余水头已经 很小( 一般小于总水头的1 0 ) ，因此其流速相应很小；尽管堆石体的颗粒平均粒径较大， 但仍可获得较小的渗流雷诺数，所以其渗透规律仍可用d a r c y 定律描述n 1 。但也有一些学 者认为：如果堆石体中的细颗粒含量偏少时，其渗透规律可能偏离d a r c y 定律2 3 3 3 1 。由 于缺乏必要的试验资料，本文研究中假定堆石体中的渗流仍符合d a r c y 定律。 1 3 研究目的及意义 1 3 1 研究目的 本文的研究目的是：( 1 ) 通过实例分析及理论分析，研究提出混凝土面板极端破坏的 成因及其产生的危害。( 2 ) 在对渗流理论进行深入分析的基础上，推导并建立混凝土面板 极端破坏情况下堆石坝渗流计算的数学模型及有限元模型。( 3 ) 研究建立面板裂缝及接缝 的应力变形有限元模型。( 4 ) 通过对商业软件a d i n a 的学习研究，基于v i s u a lf o r t r a n 进行a d i n a 二次开发，实现本课题所涉及问题及其他相关问题有限元分析计算的可视化及 功能化。( 5 ) 基于上述研究得到的方法、模型及a d i a n 软件计算平台，进行公伯峡面板堆 石坝渗流及应力变形特性有限元分析。 1 3 2 研究意义 众所周知，混凝土面板是面板堆石坝的防渗主体，面板的安全直接关系到工程的运行 安全与经济效益。由于面板裂缝成因的复杂性及某些因素的不可预见性，混凝土面板裂缝 一般很难避免，因此，充分认识并合理预测混凝土面板极端情况下混凝土面板堆石坝的渗 流及应力变形特性，是十分必要的。哥伦比亚的格里拉斯面板堆石坝，由于周边缝的止水 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；我国的西北口面板堆 6 1 研究背景及意义 石坝面板的严重裂缝；沟后砂砾石面板堆石坝的溃决，株树桥面板堆石坝面板断裂、止水 结构破坏、大量漏水等等。混凝土面板堆石坝这些事故的出现，主要是因为防渗系统失效， 坝体在渗流场与应力场的相合作用下产生了渗透破坏。坝体包括混凝土面板的应力变形状 态与大坝的渗流场密切相关，面板应力变形状态的恶化致使面板断裂、接缝张开直至接缝 止水失效等面板极端破坏情况的发生，均将促使坝体的渗流状态相应恶化，而渗流状态恶 化、演变的结果又反过来进一步影响坝体包括面板的应力变形状态。综上所述，充分认识 并合理预测面板极端破坏情况下面板堆石坝的渗流特性及应力变形特性，对更深入研究面 板堆石坝来说，是亟待解决的问题。 随着电子计算机的发展，以有限元为代表的数值仿真技术已经成为坝体优化分区、模 拟混凝土面板堆石坝施工过程、研究其渗流及应力变形特性的的重要手段。通过理论方面 的研究，建立混凝土面板极端破坏情况下堆石坝渗流及应力变形的有限元模型，并对商业 软件a d i n a 进行二次开发，实现上述问题的仿真模拟，对于指导当前我国大规模水利水电 建设中混凝土面板堆石坝的设计、施工、运行、监测和维护等工作，具有广阔的实用价值 和工程应用前景，可以为类似工程问题的研究提供一种借鉴和参考。同时，研究开发这样 的软件，涉及水工结构、岩土力学、有限元理论与数值求解技术和软件开发平台等多个学 科，是一个跨学科的交叉研究领域，具有重要的理论意义。 1 4 本文的主要内容 本文的研究工作主要是是针对混凝土面板极端破坏情况下堆石坝的渗流及应力变形 特性而开展的，其主要研究内容如下： ( 1 ) 混凝土面板极端破坏情况发生的成因及其危害研究。通过实例分析及理论分析 相结合的方法，研究混凝土面板极端破坏情况发生的成因，及其对面板堆石坝渗流场与应 力场的危害，以使本文建立在全面系统的基础上。 ( 2 ) 混凝土面板极端破坏情况下堆石坝的渗流计算模型研究。首先，针对可能发生 的面板极端破坏情况( 工况) ，分析研究面板裂缝及面板接缝渗流的物理特性及水力特性， 借助渗流水力学的有关理论，在对渗流理论进行深入分析的基础之上，推导建立面板极端 破坏情况下堆石坝渗流计算的数学模型。其次，合理模拟混凝土面板堆石坝不同极端工况 下的防渗系统，建立大坝的渗流有限元模型，有限元网格划分在各层面上采用人工剖分， 按简单实用原则选取单元，面板堆石坝的稳定渗流基本微分方程的定解条件为边界条件， 研究建立面板极端破坏情况下堆石坝渗流计算的有限元模型。最后，根据渗流控制方程和 热传导控制方程的相似性，将a d i n a 软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析，并利用 算例验证a d i n a 热分析模块计算渗流的合理性。 ( 3 ) 面板裂缝及接缝应力变形分析的有限元模型研究。通过对面板裂缝、接缝的有 限元模拟方法的研究，建立面板裂缝，接缝应力变形分析的有限元模型。学习研究商业软 件a d i n a ，基于v i s u a lf o r t r a n 进行a d i n a 二次开发，使其具备进行面板堆石坝应力变 形非线性有限元分析计算的功能，并利用算例验证所建模型及所开发程序的可靠性与准确 7 西安理工大学硕士学位论文 性。 + ( 4 ) 应用实例研究。以公伯峡面板堆石坝为例，建立大坝渗流的有限元模型，求解 正常工况及面板极端破坏情况下的渗流场；利用开发的a d i n a 平台，建立公伯峡面板堆石 坝的三维有限元模型，对正常工况与最不利工况分析面板堆石坝的应力变形；整理蓄水期 实测数据，将蓄水期的计算结果与实测结果进行对比分析，验证本文计算结果的准确性。 8 2 混凝土面板极端破坏的成因及其危害 2 混凝土面板极端破坏的成因及其危害 2 1 混凝土面板极端破坏的工程实例分析 2 1 1 实例1 ：西北口面板堆石坝 西北口坝是我国第一座混凝土面板堆石坝泓峭1 ，是我国关于该种坝型的一座具有代 表性的试验坝，是“七五国家重点科技攻关项目。由于种种原因，在施工及运行初期 该坝混凝土面板出现了大量的浅表性及贯穿性裂缝，周边缝也发生了张开 3 4 1 0 对西北口 面板堆石坝进行混凝土面板极端破坏的成因及其产生危害的分析，能够使我们更加清醒地 认识混凝土面板堆石坝极端破坏的形式，形成极端破坏的原因，以及混凝土面板极端破坏 对大坝产生的危害。 西北口混凝土面板堆石坝工程位于长江一级支流黄柏河东支中游、宜昌县境内。大坝 坝高9 5 m ，坝顶长2 2 2 m ，坝顶宽8 m ，上、下游坝坡1 ：1 4 。钢筋混凝土防渗面板底部厚 o 6 m ，顶部厚o 3 m ，中间厚度呈直线变化。面板由垂直缝分成2 5 块，其中河床中部1 2 块( 每块板宽1 2 m ) ，左、右岸1 3