【优秀硕士博士论文】混凝土面板堆石坝面板开裂机理及效应研究

论文题目混凝土面板堆石坝面板开裂机理及效应研究学科名称水工结构工程摘要混凝土面板堆石坝具有对不同地基条件适应性强、施工快、工期短、投资省等优点，无论是大型还是中小型水电工程，都成为首选比较坝型，与碾压混凝土坝和高拱坝并列成为最有发展前景的三类坝型。对混凝土面板堆石坝而言，面板及其接缝止水组成的防渗系统是大坝的主要防渗结构，面板的防裂问题是关系到坝体安全和运行性状的一个重要课题。我国在面板堆石坝建设20多年的时间里，取得了一定的成绩，但也有一些失败的教训。西北口面板堆石坝的大量结构性裂缝、株树桥面板堆石坝面板的塌陷以及沟后面板砂砾石坝的垮坝等事故都昭示着我们进行混凝土面板堆石坝面板破坏机理及效应研究具有重要意义。目前，关于混凝土面板堆石坝面板应力变形的分析研究，主要集中在计算其在水荷载和自重作用下的应力变形，而认为面板尺寸相对较小，将温度应力忽略不计，这显然与混凝土面板堆石坝尤其是处于日温差和年温差较大的寒冷地区的面板坝面板的实际应力变形情况不符。国内外关于面板堆石坝面板裂缝成因的研究结果表明面板裂缝尤其是贯穿性裂缝的产生主要是由于坝体的不均匀沉降及面板的温度应力共同作用的结果。针对这方面问题，本文模拟混凝土面板堆石坝的施工过程，建立考虑面板温度应力、水荷载及自重等情况的应力变形有限元计算模型，全面系统的研究混凝土面板的应力变形特性，基于断裂力学的基本原理，分析混凝土面板裂缝的产生机理及开裂过程。在充分掌握混凝土面板裂缝分布规律的基础上，预测分析了混凝土面板开裂情况下堆石坝的渗流及应力变形特性。首先，针对面板缝隙的物理特性，以等宽缝隙水流运动的规律为基础，研究建立了面板缝隙渗流的计算模型。然后，以堆石体的孔隙率为桥梁，对多孔岩土介质渗透系数与体积应变之间的数学表达式进行了推导，研究建立了混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型、有限元计算模型。最后，应用本文建立的计算模型，对公伯峡面板堆石坝进行了渗流场、渗流场与应力场耦合分析有限元仿真计算，预测分析了假定的面板开裂情况下公伯峡混凝土面板堆石坝的渗流场及应力变形分布规律，计算结果与实测结果的对比分析表明，本文的计算方法与计算模型是合理准确的。本论文的研究成果，可以方便、快速、准确地计算面板的应力变形分布规律，研究分析面板裂缝产生的机理及破坏过程，预测分析面板开裂情况下，堆石坝的渗流与应力变形特性，是进一步研究混凝土面板堆石坝的理论基础。关键词混凝土面板堆石坝；面板裂缝；开裂机理；渗流特性；应力变形特性TITLERESEARCHONTHEMECHANISMANDEFFECTOFCONCRETEFACEROCKFILLDAMCRACKINGMAJORHYDRAULICSTRUCTUREENGINEERINGNAMELIYANLONGSIGNATURESUPERVISORPROFLISHOUYISIGNATUREPROFWANGRUIJUNSIGNATUREABSTRACTCFRDHASALOTOFADVANTAGESSUCHASSTRONGADAPTABILITYTOTHEDIFFERENTSOILCONDITIONS,FASTCONSTRUCTION,SHORTCONSTRUCTIONPERIOD,LESSINVESTMENTANDSOON,WHETHERLARGEORSMALLANDMEDIUMHYDROPOWERPROJECTS,CFRDHASBECOMETHEFIRSTCHOICEOFDAMTYPECOMPARISONITISPARALLELTORCCANDHIGHARCHDAMWHICHARETHEMOSTPROMISINGTHREETYPESOFDAMFORCFRD,FACESLABANDJOINTSEALINGCONSTITUTETHESEEPAGESYSTEMOFMAINDAMFACESLABCRACKINGPROBLEMISANIMPORTANTTOPICRELATEDTOTHEDAMSAFETYANDOPERATIONCHARACTERISTICSINOURCOUNTRY,THEREARESOMEACHIEVEMENTSAREOBTAINEDINTHECONSTRUCTIONOFCFRDINTHELAST20YEARS,BUTALSOSOMEFAILURESMANYACCIDENTSSUCHASLARGENUMBEROFSTRUCTURALCONCRETECRACKSINTHEXIBEIKOUCONCRETEFACEROCKFILLDAM,THECOLLAPSEOFZHUSHUQIAOCONCRETEFACEROCKFILLDAM,ANDTHEDAMFAILUREOFGOUHOUCONCRETEFACEROCKFILLDAMARECLEARTOTELLUSTHATITHASGREATSIGNIFICANCESTORESEARCHONTHEMECHANISMANDEFFECTOFTHEFACEFAILUREINCFRDATPRESENT,THEANALYSISOFTHESTRESSANDDEFORMATIONINCFRDAREMAINLYINTHECALCULATIONOFTHESTRESSANDDEFORMATIONUNDERTHELOADSOFITSWEIGHTANDWATERPRESS,INWHICHCASETHESIZEOFFACESLABISRELATIVELYSMALL,THETEMPERATURESTRESSISNEGLIGIBLE,THATISOBVIOUSLYDIFFFRERENFROMTHEACTUALSTRESSANDDEFORMATIONOFCONCRETEFACEROCKFILLDAM,ESPECIALLYINTHECOLDREGIONSWHERETHEDAILYTEMPERATUREDIFFERENCEANDYEARTEMPERATUREDIFFERENCEAREVERYLARGETHERESULTSOFRESEARCHONTHERESONSOFTHEFACEROCKFILLDAMCRAKSATHOMEANDABROADSHOWEDTHATFACESLABCRACKS,ESPECIALLYPENETRATINGCRACKSAREMAINLYDUETOBOTHUNEVENSETTLEMENTOFTHEDAMANDTHETEMPERATURESTRESSOFFACESLABFOCUSINGONTHISPROBLEM,SIMULATINGTHECONSTRUCTIONPROCESSOFCONCRETEFACEROCKFILLDAMINTHISPAPER,THESTRESSDEFORMATIONFINITEELEMENTMODELISESTABLISHEDWHICHHASCONSIDEREDTEMPERATURESTRESSWEIGHTANDWATERPRESSETCTOCOMPREHENSIVELYANDSYSTEMATICALLYANALYSISTHESTRESSANDDEFORMATIONPROPERTIESOFCONCRETEFACESLABTHEMECHANISMOFCONCRETESLABCRACKSANDTHECRACKINGPROCESSAREANALYSEDBASEDONTHEBASICPRINCIPLESOFFRACTUREMECHANICSTHESTRESSANDDEFORMATIONPROPERTIESANDSEEPAGECHARACTERISTICOFROCKFILLDAMAREANALYSEDANDPREDICTEDBASEDONFULLYGRASPINGTHEDISTRIBUTIONOFCRACKSINCONCRETESLABFIRST,ACCORDINGTOTHEPHYSICALCHARACTERISTICSOFFACESLABGAP,THECALCULATIONMODELOFFACESLABGAPFLOWISESTABLISHEDBASEDONTHEMOVEMENTLAWOFWATERFLOWINTHEEQUALWIDTHCRACKSSECOND,USETHEPOROSITYOFROCKFILLASABRIDGEANDDEDUCETHEMATHEMATICALEXPRESSIONBETWEENPERMEABILITYCOEFFICIENTOFPOROUSSOILMEDIUMANDVOLUMETRICSTRAINANDTHENTHECOUPLINGANALYSISMODELOFSEEPAGE/STRESSANDFINITEELEMENTMODELOFCFRDAREESTABLISHEDFINALLY,USETHEMODELESTABLISHEDTOCALCULATETHESEEPAGEFIELDANDCOUPLINGANALYSEOFSEEPAGE/STRESSTHESTRESSDEFORMATIONDISTRIBUTIONLAWOFGONGBOXIACFRDISPREDICTEDINTHECASEOFHYPOTHETICALFACESLABCRACKSTHECOMPARATIVEANALYSISOFCALCULATEDANDMEASUREDRESULTSSHOWTHATTHECALCULATIONMETHODANDCALCULATIONMODELISREASONABLEANDACCURATEWITHTHERESULTOFTHISPAPER,THESTRESSDEFORMATIONDISTRIBUTIONLAWCANBECALCULATEDEASILY,QUICKLYANDACCURATELYRESEARCHINGANDANALYZINGTHEMECHANISMOFTHESLABCRACKSANDDAMAGEPROCESSOFPRODUCTION,PREDICTINGANDANALYZINGTHESEEPAGEANDSTRESSANDDEFORMATIONPROPERTIESINTHECASEOFFACESLABCRACKS,WHICHARETHETHEORYFOUNDATIONTOTHEFURTHERSTUDYINCFRDKEYWORDSCONCRETEFACEROCKFILLDAMFACESLABCRACKCRACKINGMECHANISMSEEPAGECHARACTERISTICSTRESSANDDEFORMATIONPROPERTIES目录1绪论111混凝土面板堆石坝发展概况112混凝土面板开裂机理研究进展2121面板开裂影响因素研究现状2122混凝土面板堆石坝面板温度应力的研究现状3123混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究现状413混凝土面板堆石坝的渗流及应力变形特性研究进展6131混凝土面板堆石坝渗流特性研究现状6132混凝土面板堆石坝应力变形特性研究现状6133混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析研究现状714本文研究内容和方法9141本文研究内容9142预期目标10143研究方法和技术路线1015研究意义及创新之处11151研究意义11152本论文的创新之处112混凝土面板堆石坝温度应力仿真计算研究1321混凝土水化热温升变化规律13211水泥水化热变化规律13212混凝土的绝热温升变化规律1322热传导理论14221热传导的基本微分方程14222热传导方程的定解条件1523混凝土面板温度应力分析的弹性基础梁法1624混凝土面板温度应力分析的有限元法17241稳定温度场有限元分析17242非稳定温度场有限元分析18245温度应力有限元分析2125混凝土面板的温度徐变应力23251混凝土材料的徐变23252混凝土徐变应力分析2526公伯峡混凝土面板堆石坝面板温度应力仿真计算27261公伯峡混凝土面板堆石坝工程概况27262计算基本条件28263计算工况30264有限元计算模型31265计算结果分析31266计算结果与观测结果的对比4127本章小结423混凝土面板应力变形特性有限元分析4331面板堆石坝应力变形数值计算的材料本构模型43311混凝土面板的本构模型43312散粒体材料的本构模型44313中点增量法4532混凝土面板与垫层之间的接触面4533基于ADINA软件的面板堆石坝应力变形仿真计算47331ADINA软件的二次开发47332ADINA软件对几个关键问题的模拟49333ADINA软件计算流程5034公伯峡混凝土面板堆石坝应力变形有限元分析52341有限元计算模型52342计算参数52343计算工况53344计算结果分析53345计算结果与观测结果的对比分析5635本章小结584混凝土面板开裂机理及破坏过程研究5941混凝土面板结构特征5942混凝土面板初始微裂缝的形成机理61421面板与垫层结合关系的描述61422面板微裂缝形成机理的定性分析63423面板微裂缝形成机理的定量分析6443基于断裂力学原理的混凝土面板裂缝破坏过程研究66431断裂力学的基本原理66432应力强度因子的有限元计算方法68433应力强度因子的线性拟合求解方法70434混凝土面板裂缝断裂力学分析模型71435混凝土面板裂缝扩展过程分析7144本章小结725面板开裂情况下堆石坝的渗流计算模型研究7351稳定渗流计算的基本理论73511达西定律73512稳定渗流的连续性方程74513稳定渗流基本微分方程75514稳定渗流基本微分方程的定解条件7552三维稳定渗流有限元计算原理7653混凝土面板堆石坝面板缝隙渗流计算模型77531面板缝隙稳定流的运动规律77532面板接缝的渗流计算模型78533面板裂缝的渗流计算模型8054混凝土面板堆石坝渗流有限元计算模型8455应用工程实例85551计算工况85552有限元计算模型86553计算参数87554计算结果分析87555与实测结果的对比9056本章小结916面板开裂情况下堆石坝的渗流场与应力场耦合分析研究9261岩土多孔介质饱和渗流的基本规律92611非稳定渗流的微分方程92612非稳定渗流基本微分方程的定解条件96613有限元方程9762混凝土面板堆石坝渗流场与应力场的耦合原理98621渗流场对应力场的影响98622应力场对渗流场的影响10063面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的有限元方程100631应力场有限元方程100632渗流场有限元方程101633渗流场与应力场耦合分析的有限元方程10264面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的步骤10265应用实例103651计算模型103652计算参数104653计算结果分析105653计算结果分析10566本章小结1087结论与展望10971结论10972展望110致谢111参考文献112附录1181绪论11混凝土面板堆石坝发展概况混凝土面板堆石坝（CONCRETEFACEROCKFILLDAM）是以堆石分层碾压填筑成坝体，在上游面布置混凝土面板作为防渗体的一种土石坝【1】。混凝土面板堆石坝具有安全性高、造价较低、适用性强、施工方便等优点，因此，在实际工程中得到了广泛应用和发展。美国的莫拉MORENA坝是世界上第一座面板堆石坝，坝高54M，修建于1895年，距今已有100多年的历史。著名的混凝土面板堆石坝工程专家库克（JBCOOK）【2，3】认为，混凝土面板堆石坝的发展主要经历了三个阶段，分别为1850年1940年的早期抛填堆石阶段，1940年1965年的抛填堆石向碾压堆石过渡阶段以及1965年以后的堆石薄层碾压为特征的现代阶段【4】。早期抛填堆石阶段1850年1900年正值美国的淘金热，在美国的加利福尼亚州由于淘金的需要修建蓄水库，最初的面板堆石坝是用抛填块石作为坝体，表面覆盖木板作为防渗面板，直到十八世纪末，随着筑坝技术的进步，才开始修建混凝土面板堆石坝。1931年建成的美国盐泉坝（高100M）及1955年建成的葡萄牙帕拉德拉坝高112M，混凝土面板难以适应堆石体较大的变形，水库蓄水后，面板出现严重的开裂和大量的漏水，因此，这一坝型的发展在20世纪4050年代处于停滞状态。过渡阶段1960年美国土木工程师协会发表了美国一次堆石坝学术会议的论文集，在CMROBERTS的讨论文章【5】中，介绍了最早采用薄层碾压堆石坝的工程实例即1958年完成的QUOICH坝。土力学家太沙基提出，堆石体经过碾压后，变形就会很小，混凝土面板的应力变形状况就会大大改善，也就可以修建更高的面板堆石坝。同时，施工机械的发展，尤其是大型振动碾的发明，为混凝土面板堆石坝的再次兴起起到了推进作用。从此，堆石体的填筑施工均采用薄层碾压堆石代替抛填堆石【68】。以堆石薄层碾压为特征的现代混凝土面板堆石坝阶段1965年以后，由于堆石体采用分层填筑碾压的施工方法，使得密实度和变形模量大大提高，因此坝体的变形也大为减小。1971年建成的澳大利亚CETHENA坝（高110M），奠定了现代混凝土面板堆石坝的技术基础。此后，在学者、专家及工程技术人员的共同努力下，混凝土面板堆石坝在世界范围内得到了迅速发展，筑坝技术也越来越成熟。从目前已建的工程看，大多数混凝土面板堆石坝运行状况良好，有的工程还成为了坝工史上的经典力作。我国以现代技术修建混凝土面板堆石坝始于20世纪80年代初期【1】。1985年，我国第一座开工建设的混凝土面板堆石坝是坝高为95M的湖北西北口大坝，第一座完工的是辽宁关门山水库大坝，坝高为585M。中国的混凝土面板堆石坝建设与国外相比，虽然起步较晚，但起点高，发展快。目前，我国的混凝土面板堆石坝无论是在建坝高度、建坝数量，还是在筑坝技术方面，都处于世界领先地位。据统计【9】，截止2004年我国的混凝土面板堆石坝有150多座，其中，坝高超过100M的有37座。我国的清江水布娅面板坝，是目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，坝高为2332M。与其它坝型相比，混凝土面板堆石坝在筑坝技术方面、适用性方面以及经济方面均拥有独特的优势【10】，在国内外获得了广泛的推广和发展，设计理论和施工技术水平也不断得提高，因此，工程规模越来越大，坝越建越高是混凝土面板堆石坝发展的基本趋势【11】。12混凝土面板开裂机理研究进展121面板开裂影响因素研究现状混凝土面板是以堆石体为支撑结构，它承担着向下游堆石体传递水压力及大坝防渗的重任【12】，对大坝的安全与工程的运行起着决定性的作用。从空间结构看，面板的长度较长，宽度较小，而厚度相对来说很小，是一块长条形的薄板，因此，受环境温度的影响较大，尤其是高坝及处于高寒地区的混凝土面板堆石坝【13】，在气温骤变条件下，面板内将产生拉应变，再加上坝体的沉降及其它不确定性因素，面板很容易出现裂缝。从国内外修建的面板堆石坝看，面板开裂的情况比较普遍，个别的坝还相当严重【1417】，因此，面板的抗裂问题是面板堆石坝的重要课题。国内外研究表明混凝面板的温度应力、外界荷载（主要为水荷载）以及堆石体变形是面板开裂的主导因素。A混凝土力学特性及荷载对面板开裂的影响混凝土面板开裂问题，实质上是面板中的破坏力与抵抗力之间的较量。破坏力主要指的是由外因及内因引起的面板应力，抵抗力则指的是面板混凝土的强度。面板应力主要受混凝土的力学性能、面板的自重、外部荷载以及坝高、河谷形状等因素的影响。混凝土力学特性及荷载对面板开裂的影响主要体现在以下几个方面（1）混凝土材料内部物理化学作用引起的面板应力。混凝土中的碱骨料反应、钢筋锈蚀、混凝土的徐变以及混凝土遭受冻融循环等因素引起的面板应力。（2）混凝土面板的温度应力、干缩应力。面板的温度、湿度变化会产生引起结构变形，由于面板不能自由变形，则会产生应力。面板的温度、干缩应力主要受环境气温条件、面板的保温保湿条件、极限拉伸及线膨胀系数等影响。（3）水荷载及自重荷载引起的结构应力。施工期，面板的挠度变形主要由自重引起，因此，其值较小。运行期，面板挠度变形的主要影响因素为库水压力，水压力越大，混凝土面板挠度相应越大。同时，坝高、混凝土面板的结构尺寸、堆石的材料特性及河谷形状对面板的应力变形也有影响。（4）作用于面板上的库水结冰荷载、地震作用等也会引起面板的开裂破坏。（5）施工过程及质量。工程实践表明【13】，面板混凝土的施工质量与养护，坝体材料分区、填筑次序与压实质量、水库蓄水与泄水过程、垫层坡面的保护方式等是影响面板开裂的因素。此外，在周边缝位置，如果面板相对于趾板的变形（张开及剪切变形）过大会破坏止水结构，也会引起面板的开裂。周边缝的变形主要受水荷载、面板变形、坝体变形、趾板的几何形状以及河谷坝肩的形状等因素的影响。B堆石体变形对面板开裂的影响混凝土面板以堆石体为支撑结构，因此，面板的应力变形除了受混凝土力学特性及荷载对面板开裂的影响外，还受堆石体变形的影响。尤其是运行期，在水压力的作用下，面板开裂与否主要由堆石体变形决定，因此，堆石体变形的影响因素亦是混凝土面板变形特性的影响因素。大量监测数据及数值计算结果表明【18,19】，在堆石体的流变、湿化变形以及库水位升降的影响下，堆石体的变形呈现出随时间而变化的趋势，则混凝土面板的应力变形也随之变化。混凝土面板堆石坝的坝体是分层碾压填筑的，在自重及碾压力的作用下，堆石体会产生竖直和水平位移，浇筑在垫层上的面板变形如果不能适应坝体的变形，就会出现垫层料脱空，此时，面板失去了坝体的支撑作用，在水压力的作用下，其应力变形特性会发生变化，主要表现为脱空部位的面板被压向垫层料，在水压力及垫层反力的作用下，内部产生较大的应力，当应力超过混凝土的强度则会产生裂缝，发生开裂破坏。综上所述，混凝土面板发生裂缝的原因主要是堆石体变形和面板的温度应力两个方面。由温度变化引起的混凝土收缩，加之基础约束将导致面板出现大量密集的有规律的水平裂缝。由坝体的不均匀变形引起的拉应力，将导致面板出现较大的裂缝，甚至出现断裂。122混凝土面板堆石坝面板温度应力的研究现状国内外关于混凝土面板堆石坝面板温度应力的计算方法主要有解析计算法（简化条件下）和有限元数值计算法【20】，相比较而言，有限元法可以考虑混凝土的水化热温升、徐变、弹性模量、自生体积变形等参数随龄期的变化，考虑气温、水温、自重、水压、寒潮、等诸多因素的影响，计算结果更为准确可靠。有限元数值计算方法分为不考虑接触面影响的有限元法和考虑接触面影响的有限元法。不考虑接触面影响的有限元法，是将面板与垫层之间的接触面按弹性约束处理，不考虑接触面非线性变形特性对面板温度应力的影响，在混凝土面板堆石坝温度场的计算结果上，计算面板的温度应力。面板与垫层之间的关系按“弹性约束”处理，夸大了垫层对面板的约束作用，因此计算结果的准确性不够准确。考虑接触面影响的有限元法，是将面板与垫层之间的接触面按摩擦约束处理【21】，假定面板与垫层之间为点面接触，在法向面板与垫层之间用弹簧联接，切向则为摩擦接触。文献【21】根据摩尔库仑准则，采用嵌接处罚法建立了面板与垫层之间接触面的附加刚度和附加摩擦力荷载矩阵，模拟了接触面锁定和摩擦两种接触状态。显然，文献【21】研究建立的力学模型考虑了接触面非线性变形特性及不连续变形特性对面板温度应力的影响，但也存在明显的不足，如该计算模型没有考虑面板与垫层之间脱开的自由状态；对于面板与垫层之间的导热关系，该模型没有明确表述等。混凝土面板堆石坝面板温度应力的计算模型及方法的研究还处于初步探索阶段，仍有大量科研难题值得深入研究。面板接缝（周边缝、垂直缝与水平缝的统称）止水结构的模拟是混凝土面板温度应力研究的关键技术问题之一，尤其是对于高坝，面板的变形会严重影响接缝缝间止水的工作性态。因此，在面板堆石坝的有限元数值仿真计算中，必须考虑面板接缝的非连续变形。目前，模拟面板接缝一般采用以下几种模型节理材料模型受压时材料的模量与面板混凝土的模量相同或接近，接缝一定程度上可以传递压力和剪力、有应变和位移；受拉时，将模量取为一个极小值，近似认为材料不承受拉应力。复合模型将面板与接缝简化为复合材料，在复合材料的刚度中考虑接缝的特性，将其均化在复合材料之中，把面板处理为各向异性板。经验模型按照试验获得的数据提出数学拟合表达式，将其作为接缝的本构模式进行分析。上述几种模型虽然有所不同，但是均不同程度地考虑了接缝可以受压难以受拉的变形非连续特性。123混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究现状断裂力学是利用力学的成就，研究含缺陷材料和结构的破坏问题。和其他科学一样，断裂力学是在生产实践中产生和发展的，是从20世纪70年代发展起来的一门新兴学科。尽管起步较晚，但实验与理论均发展迅速，在实际工程中得到了广泛应用。A混凝土的断裂过程混凝土材料的拉伸、压缩和弯曲等力学性能是混凝土结构设计的重要依据，而试验则是揭示混凝土力学性能的主要方法。从国内外的试验资料可知混凝土是典型的非均匀材料，其中含有夹碴、气泡、孔穴等，其变形、强度以及破坏过程均与裂纹的扩展有关。混凝土的裂纹可以分为两大类【22】一类是随机分布的微裂纹，微裂纹的存在决定了混凝土的抗压与抗拉强度；另一类是宏观裂纹，它使得混凝土的力学性质呈现各向异性。混凝土的破坏是由混凝土的微裂纹与宏观裂纹共同作用，一方面微裂纹的存在影响宏观裂纹的萌生，另一方面微裂纹对主裂纹产生屏蔽和劣化的双重作用【23】。混凝土的破坏过程实质上是其中微裂纹萌生、扩展、贯通，直至微裂纹变成宏观裂纹，进而导致混凝土失稳破裂的过程。B混凝土断裂力学的研究现状1920年，GRIFFITH在研究玻璃的强度时首次提出了断裂力学理论，此后，经过IRIN和OWEN的补充和完善，在20世纪50年代适用于高强度钢材的线弹性断裂力学体系基本形成。1961年，KAPLAN首先将断裂力学的概念引用到混凝土中，用断裂力学的理论研究混凝土的破坏机理，并进行了混凝土的断裂韧度实验。此后，国内外诸多学者专家在混凝土断裂试验方面做了许多研究，积累了大量的实测资料，并提出了一系列应力强度因子的计算方法和经验断裂判据。根据受力情况的不同，裂缝可以分为三种基本类型（1）张开型裂缝，作用力与裂缝面及裂缝前缘均垂直；（2）滑开型裂缝，作用力与裂缝面平行，而与裂缝前缘垂直；（3）撕开型裂缝，作用力与裂缝面及裂缝前缘均平行。图11为三种类型的裂缝示意图。（1）张开型裂缝（2）滑开型裂缝（3）撕开型裂缝（1OPENNINGMODECRACK（2）SLIDEMODECRACK（3）TEARMODECRACK图11三种类型的裂缝FIG11THETHREETYPESOFCRACK断裂力学中，能量释放率G是衡量裂缝扩展的重要指标，是指扩展单位裂缝表面积上裂缝体释放的应变能。能量释放率G的表达式为（11）LULBL1IM0式中B平行裂缝前缘且平行于裂缝面的裂缝宽度；L裂缝扩展的长度；U裂缝体释放的应变能；L垂直于裂缝前缘且平行于裂缝面的长度。在断裂力学中，还有一个表示抗断裂性能的指标，即裂缝尖端的应力强度因子K，它代表了裂缝的应力场强度。假设为裂缝位置上按无裂缝计算的应力，A为裂缝的深度，引入一个表征裂缝大小、位置等的形状系数Y，应力强度因子可以用下式表示（12）K对于张开型裂缝，裂缝尖端应力强度因子K与能量释放率G之间存在如下关系（13）EG1其中，EE（平面应力情况；（平面应变情况。2滑开型裂缝同张开型裂缝是相同的。对于撕开型裂缝（14）EKG21式中，V为泊松比；E为杨氏弹性模量。C混凝土面板断裂损伤研究现状目前，关于混凝土结构的断裂损伤研究主要集中在大体积混凝土结构、碾压混凝土拱坝、混凝土重力坝方面，而对于面板堆石坝混凝土面板断裂方面的研究甚少。混凝土面板对环境温度的变化较敏感，再加上坝体的沉降，面板很容易出现裂缝。因此，基于断裂力学研究混凝土面板微裂纹萌生、扩展、贯通，直到产生宏观裂纹的破坏机理，对于面板的抗裂，大坝的安全运行具有重要意义。13混凝土面板堆石坝的渗流及应力变形特性研究进展131混凝土面板堆石坝渗流特性研究现状混凝土面板堆石坝以堆石体做为支撑结构，安全性较高，许多学者认为混凝土面板堆石坝不会发生渗透破坏，因此，对面板坝的渗流分析研究不够重视，甚至在设计时不作为计算的主要内容。混凝土面板是大坝防渗的主要结构，一旦发生开裂破坏，将直接危及到工程的安全与经济效益，应当引起足够的重视【24】。混凝土面板堆石坝的渗流分析对于工程的设计、运行及管理具有重要的意义【25】。关于混凝土面板堆石坝的渗流计算模型或计算方法，国内外研究甚少，澳大利亚的伦吉卡希纳得通过工程实例渗漏观测数据的分析，利用面板的结构尺寸、面板的坡率及水深与面板裂缝渗漏量的关系，获得了半经验性的化引表面渗透系数，即表面渗透性法【1】【25】，该方法将面板作为各向同性的均质体，且面板裂缝中的渗流符合达西定律。表面渗透性法忽略了垫层、过渡层等面板基础的渗流，只能估算面板裂缝及接缝的渗漏量，不能确定渗透坡降、渗流速度等其他要素，更不能用于整个大坝的渗流仿真计算。张嘎，张建民等通过对混凝土面板堆石坝渗流形态的分析【26】，假定裂缝渗流为层流、面板缝隙为等宽缝隙，基于达西渗流定律进行了面板出现裂缝工况下堆石坝的渗流有限元计算，该方法没有考虑面板裂缝宽度沿厚度方向变化的特性及裂缝面的粗糙度，因此计算结果也不尽如人意。正如文献【1】所分析指出的，现有的混凝土面板堆石坝渗流分析的计算模型都不成熟，仍需要进行更深入的研究，尤其是面板开裂情况下堆石坝的渗流机理研究。132混凝土面板堆石坝应力变形特性研究现状现代混凝土面板堆石坝采用分层碾压的施工方法，堆石体的密实度与变形模量与早期面板堆石坝相比有了较大的提高，但对于面板坝来说，大坝的应力变形性状仍是制约其发展的瓶颈问题【2729】。自20世纪60年代后期，有限单元法开始应用于土石坝的应力变形分析已来，至今已有五十多年的时间，在此期间，国内外诸多学者专家在这一方面做了大量的科研工作，取得了丰硕的研究成果【3033】。1970年，NOBROUGHTON以WILMOT坝（坝高36M）为例，建立了土石坝应力变形有限元计算模型，采用的是等应变三角形单元，基于弹性有限元法进行了混凝土面板堆石坝应力变形数值计算，由于他没考虑面板和堆石体界面的滑动，因此，其计算结果与实际情况相差较大。此后，JKWILKINGS等人对ALTOANCHICAYA,FOZDOAREIA和CENTHANA坝均进行了应力变形有限元计算，数值计算结果与实测结果的对比表明计算的下游坝体大部分范围内的竖向位移小于水平位移，与实测结果不一致；下游坝脚附近坝体位移数值计算结果与实测结果基本相符；数值计算的面板拉应力区比实测结果大。这种现象主要是因为坝坡位移受材料的各向异性、泊松比的取值等因素影响。INAIZUMIH和SARDINHAAE等人研究发现当材料的泊松比取值趋近于零时，计算值与实测值符合程度较高。混凝土面板堆石坝应力变形数值分析的研究主要集中在堆石材料、面板与垫层接触面、接缝周边缝、面板缝等关键因素本构模型的建立，以及施工、运行过程的仿真模拟方面。堆石体的变形特性主要表现在四个方面【34，35】压硬性，堆石体的变形模量随着围压的增加而增加；非线性，堆石体的应力应变本构关系呈现典型的材料非线性特性；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；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。国内外许多学者致力于坝体材料的数学、力学模型研究，目前，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清华KG模型、剑桥模型、“南水”双屈服面模型、邓肯张EB本构模型及邓肯张E本构模型。堆石体的本构模型可以分为弹塑性模型和非线性模型两大类，弹塑性模型以“南水”双屈服面模型为代表；非线性模型以邓肯张E模型和邓肯张EB模型为代表。由于邓肯张EB本构模型能反映堆石体的主要变形特性，而且参数测定简单，应用方便，所以得到较为广泛的应用。但邓肯张EB本构模型只能反映堆石料的非线性和压硬性，不能考虑堆石体的剪缩性，因此计算所得的水平位移比实际值偏大【36】。近年来，随着电子计算机的发展，混凝土面板堆石坝应力变形有限元仿真计算得到了较快发展。国内外的公司及个人研究开发出了大量有限元通用软件与专用计算程序，考虑的因素越来越多，仿真程度也越来越高，为混凝土面板堆石坝的发展增添了新的活力。利用计算机强大的计算功能结有限单元法的优势，是当今混凝土面板堆石坝的应力变形数值仿真计算的主要技术手段。133混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析研究现状目前，对面板堆石坝的渗流场与应力场耦合研究不够重视，渗流场与应力场的计算是单独进行的，两场分开考虑。应力场方面，已充分考虑了堆石体材料的非线性、混凝土面板与垫层之间的接触、面板接缝单元等因素，但基本不考虑考虑渗透体积力对坝体应力场的影响；渗流场方面，基于达西定律，运用有限元法计算确定面板堆石坝坝体浸润线，进而确定渗流量和渗流水力坡降，没有考虑应力场对堆石体孔隙率变化的影响。对混凝土面板堆石坝而言，渗流场与应力场的耦合现象是客观存在的，二者之间相互影响、相互作用。一方面，渗流场的变化引起了渗透体积力的改变，即作用于面板堆石坝的外荷载发生了变化，进而改变面板堆石坝的应力场；另一方面，运行期的水荷载会使堆石体变得更加密实，孔隙率减少，改变堆石体的渗透系数，进而改变面板堆石坝的渗流场。关于渗流场与应力场的耦合分析的研究成果较多地偏重于裂隙岩体的渗流场与应力的场耦合问题以及土体渗流场与应力场耦合问题，关于面板堆石坝的渗流场与应力场耦合问题的研究鲜见报导。1941年，BIOT【37】基于达西渗流定律，假定材料为线弹性且各向同性，把孔隙流体力学应用到线弹性的应力变形计算中，建立了固结计算的基本理论。SANDHU和WILSON【38】将土体与孔隙水作为不可压缩固体，应用变分原理，推导建立了BIOT方程。OCZIENKEIWICZ和SHIOMI【39】基于BIOT建立的三维固结理论，研究提出了广义BIOT公式，该公式考虑了材料的非线性与几何非线性。SAVAGE和BRADOCK【40】不考虑多孔介质的流固耦合效应，对于多孔介质的不同应力应变本构关系，建立了各向同性弹性多孔介质的三维固结计算模型。我国诸多学者在渗流场与应力场耦合分析的研究方面做了大量的科研工作，取得了一批有价值的成果，如柴军瑞【41】从土体的渗透性出发，研究建立了均质土坝渗流场与应力场耦合分析的连续介质计算模型。陈晓平等【42】以下式作为渗透系数的计算表达式（15）VNAK001EXP采用间接耦合分析的方法，实现了非均质土坝渗流场和应力场耦合分析。李锡夔，范益群等【43】采用下式计算考虑饱和度及孔隙比影响的各向同性渗透率（16）EWRWSB31研究建立了非饱和土应力变形和渗流场的有限元计算模型。杨林德【44】假定饱和土体为均质、连续、各向同性的弹塑性多孔介质，有效应力系数为二阶张量，根据虚位移原理，建立了各向异性饱和土体渗流场和应力场耦合分析的数学模型。李培超【45】以孔隙度和渗透率之间的关系作为耦合分析的动态模型，将多孔介质和流体作为可压缩体，基于渗流连续性方程，建立了饱和多孔介质流固耦合渗流计算模型。王媛【46】基于固结理论，将结点位移和孔隙水压力作为未知量，实现了渗流场与应力场的耦合分析。李筱艳等【47】通过抽水试验观测数据的分析，建立了土体渗透系数与有效应力相关的动态模型（17）EXP0K对深基坑土体渗流场与应力场的耦合分析问题进行了研究。柳厚祥，李宁等【48】根据尾矿坝的勘察试验数据，提出了尾矿坝的渗透系数与初始渗透系数、应力及中值粒径的经验关系式，进行了尾矿坝应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。曾海容、宋惠珍等【49】基于多相渗流理论及连续介质力学理论，建立了解耦形式的固相变形方程，采用改进的初应力增量加载方法对非线性固体变形问题进行求解。平扬【50】通过比奥固结理论在弹塑性分析的扩展应用研究，建立了深基坑开挖过程中渗流场与应力场耦合分析的有限元计算模型。徐则民【51】对斜坡稳定性中的渗流场与应力场耦合分析问题进行了研究，提出了斜坡稳定性评价中的耦合分析的技术路线。罗晓辉【52】通过对深基坑开挖过程中渗流场及应力场耦合分析研究，提出了稳定渗流场与非稳定渗流渗流场有限元计算的方法。陈波、李宁等【53】基于多孔介质温度场、应力场、渗流场三场耦合分析数学模型，从微分控制方程出发，推导建立了固液两相介质的三场耦合分析的有限元计算方程。陈庆中、冯星梅等【54】在SANDHU和钱伟长的研究成果基础上，提出了渗流场、应力场及流场耦合分析的方法。14本文研究内容和方法141本文研究内容本文的研究工作主要是针对混凝土面板堆石坝面板开裂机理及效应开展的，其主要研究内容如下（1）混凝土面板堆石坝温度应力仿真计算研究混凝土面板的温度应力是面板早期初始裂缝产生的主导因素之一，本文基于公伯峡混凝土面板堆石温度场、温度应力的仿真计算结果，研究分析了混凝土面板施工期、运行期及遭遇寒潮3种工况下的温度场、温度应力分布规律。（2）混凝土面板应力变形特性有限元分析混凝土面板是以堆石体为基础的，其应力变形特性除了受自身因素（自重、温度应力、徐变）和水荷载影响外，还受堆石体变形的影响。运行期，在水压力作用下，面板的变形很大程度上取决于堆石体的变形大小，堆石体的变形决定了蓄水期面板的应力。本文以ADINA软件作为平台，基于FORTRAN程序语言，编制正确合理的子程序进行软件的二次开发，应用二次开发的ADINA软件进行公伯峡混凝土面板堆石坝应力变形仿真计算，进而研究混凝土面板在温度荷载、自重、水荷载及堆石体变形共同作用下的应力变形特性。（3）混凝土面板开裂机理及破坏过程研究通过理论分析与工程实例相结合的方法，研究分析混凝土面板开裂机理及破坏过程。首先通过对已建的面板堆石坝工程实例调研，研究分析混凝土面板的结构特征，论述用无厚度的GOODMAN单元模拟面板与垫层间结合关系的合理性；其次，基于混凝土面板温度应力的计算结果，定性定量的分析面板初始微裂缝的产生机理；最后以断裂力学为基础，建立混凝土面板裂缝的数值计算模型，研究面板裂缝的开裂过程。（4）面板开裂情况下堆石坝的渗流计算模型研究针对面板开裂的情况，研究分析面板缝隙的物理特性及水力特性，基于等宽缝隙渗流水流运动规律，研究建立了面板缝隙渗流的计算模型。应用建立的计算模型，对公伯峡面板堆石坝进行了渗流场有限元计算，重点预测分析了面板及面板接缝止水发生破坏情况下大坝的渗流场分布规律。（5）面板开裂情况下堆石坝的渗流场与应力场耦合分析究首先，分析了渗流场与应力场相互作用的机理，探讨了混凝土面板堆石坝应力变形有限元分析中渗透体积力的计算方法；其次，从岩土多孔介质的渗透系数随体积应变变化的函数关系式出发，推导建立了混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的有限元计算模型；最后，应用研究建立的计算模型，进行了公伯峡面板堆石坝渗流场与应力场的耦合分析研究。142预期目标（1）通过混凝土面板温度场及温度应力场仿真计算，获得面板混凝土面板的温度应力场分布及变化规律。（2）以ADINA软件作为二次开发平台，编制正确合理的子程序，研究自重、水荷载及堆石体变形引起的面板应力变形，并基于面板温度应力的计算结果，研究面板施工期、运行期的应力分布变化规律。（3）基于断裂力学的基本理论，在混凝土面板应力变形有限元计算结果的基础上，研究面板开裂机理及破坏过程。（4）研究建立面板开裂情况下，面板裂缝、接缝等防渗系统的渗流计算模型，预测分析面板开裂情况下堆石坝的渗流场。（5）研究建立混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析有限元计算模型，预测分析面板开裂破坏时，大坝在渗流场与应力场耦合作用下的工作特性。143研究方法和技术路线混凝土面板开裂机理研究。在调研及收集国内外研究资料和文献的基础上，掌握混凝土面板应力计算方法。首先，按照公伯峡混凝土面板堆石坝的施工进度，建立混凝土面板温度应力有限元计算模型，进行施工期及运行期混凝土面板温度应力仿真计算；其次，考虑堆石体变形、水荷载等外界荷载作用，进行混凝土面板应力变形有限元计算，分析混凝土面板的应力变形特性；最后，基于断裂与损伤力学的基本原理及数值计算的结果，研究混凝土面板开裂机理及破坏过程。混凝土面板开裂情况下堆石坝的渗流计算模型研究。采用实例分析与理论分析相结合的方法，通过对已建的出现面板开裂的工程实例进行调研分析，研究面板开裂的特点、面板裂缝的分布规律及面板接缝渗流的水力特性。在此基础上，采用理论分析的方法，推导建立面板缝隙渗流计算模型，研究分析面板开裂情况下堆石坝的渗流特性，并利用工程实例验证计算模型的准确性。混凝土面板开裂情况下堆石坝的渗流场与应力场耦合分析研究。目前，混凝土面板堆石坝的数值计算方法已经相当成熟了，但对于面板开裂情况下大坝的渗流场和应力场耦合分析研究甚少。面板开裂时，混凝土面板堆石坝的防渗系统失效，此时，坝体的渗流场急剧恶化，进而影响大坝的应力变形特性，反过来，应力场又引起堆石体孔隙率的变化，影响大坝的渗流场。本文以堆石体的孔隙率为桥梁，推导堆石体渗透系数与体积应变之间的数学表达式，获得混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型，采用间接耦合分析的方法，进行面板开裂情况下堆石坝的渗流场与应力场耦合分析研究。15研究意义及创新之处151研究意义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。众所周知，混凝土面板是面板堆石坝的防渗主体，面板的开裂与否直接关系到工程的安全。尽管混凝土面板堆石坝的安全性较高，但仍有许多工程出现了事故，如我国西北口面板堆石坝的面板出现了大量的结构性裂缝；哥伦比亚的格里拉斯面板堆石坝的周边缝止水结构发生严重破坏；我国沟后砂砾石面板堆石坝发生了溃决等等。这些事故发生的主要原因是面板在支撑体（堆石体）的变形及混凝土的温度应力双重作用下发生了开裂，以面板为主体的防渗系统的失效导致坝体在渗流场与应力场的共同作用下产生了破坏。因此，充分了解施工期与运行期面板的应力变形状态，研究混凝土面板堆石坝面板开裂机理及破坏过程，并合理预测混凝土面板开裂对大坝渗流场及应力场的影响，具有重要的实际应用价值。随着电子计算机的发展，以有限元为代表的数值仿真计算方法是研究混凝土面板的温度应力、分析大坝的渗流及应力变形特性的重要手段。本文通过通用软件ADINA及相关理论的学习，进行软件的二次开发，使之具备进行混凝土面板堆石坝渗流场、应力场及面板温度应力仿真计算的功能，是研究混凝土面板开裂机理的基础，也是指导混凝土面板堆石坝设计、施工和运行管理的有效工具，具有广阔的工程应用前景。软件开发，是一个跨学科的交叉研究领域，涉及岩土力学、有限元理论、水工结构与数值求解技术等多个学科，具有重要的理论意义。152本论文的创新之处（1）在系统分析混凝土面板应力变形特性的基础上，基于断裂力学进行了面板开裂机理及破坏过程研究。（2）针对面板缝隙的物理特性，以等宽缝隙水流运动的规律为基础，研究建立了面板缝隙渗流计算模型。（3）从岩土多孔介质的渗透系数随体积应变变化的函数关系式出发，推导建立了混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的计算模型。2混凝土面板堆石坝温度应力仿真计算研究国内外学者专家在混凝土结构温度应力仿真计算