混凝土面板堆石壩面板開裂機(jī)理及效應(yīng)研究

1、<p>　　論文題目：混凝土面板堆石壩面板開裂機(jī)理及效應(yīng)研究</p><p>　　學(xué)科名稱：水工結(jié)構(gòu)工程</p><p>　　研 究 生：李炎隆 簽 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：李守義 教授 簽 名： </p>

2、<p>　　王瑞駿 教授 簽 名： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　混凝土面板堆石壩具有對(duì)不同地基條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工快、工期短、投資省等優(yōu)點(diǎn)，無論是大型還是中小型水電工程，都成為首選比較壩型，與碾壓混凝土壩和高拱壩并列成為最有發(fā)展前景的三類壩型。對(duì)混凝土面板堆石壩而言

3、，面板及其接縫止水組成的防滲系統(tǒng)是大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，面板的防裂問題是關(guān)系到壩體安全和運(yùn)行性狀的一個(gè)重要課題。我國在面板堆石壩建設(shè)20多年的時(shí)間里，取得了一定的成績，但也有一些失敗的教訓(xùn)。西北口面板堆石壩的大量結(jié)構(gòu)性裂縫、株樹橋面板堆石壩面板的塌陷以及溝后面板砂礫石壩的垮壩等事故都昭示著我們：進(jìn)行混凝土面板堆石壩面板破壞機(jī)理及效應(yīng)研究具有重要意義。</p><p>　　目前，關(guān)于混凝土面板堆石壩面板應(yīng)力變形的分析

4、研究，主要集中在計(jì)算其在水荷載和自重作用下的應(yīng)力變形，而認(rèn)為面板尺寸相對(duì)較小，將溫度應(yīng)力忽略不計(jì)，這顯然與混凝土面板堆石壩尤其是處于日溫差和年溫差較大的寒冷地區(qū)的面板壩面板的實(shí)際應(yīng)力變形情況不符。國內(nèi)外關(guān)于面板堆石壩面板裂縫成因的研究結(jié)果表明：面板裂縫尤其是貫穿性裂縫的產(chǎn)生主要是由于壩體的不均勻沉降及面板的溫度應(yīng)力共同作用的結(jié)果。針對(duì)這方面問題，本文模擬混凝土面板堆石壩的施工過程，建立考慮面板溫度應(yīng)力、水荷載及自重等情況的應(yīng)力變形有限元

5、計(jì)算模型，全面系統(tǒng)的研究混凝土面板的應(yīng)力變形特性，基于斷裂力學(xué)的基本原理，分析混凝土面板裂縫的產(chǎn)生機(jī)理及開裂過程。</p><p>　　在充分掌握混凝土面板裂縫分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)分析了混凝土面板開裂情況下堆石壩的滲流及應(yīng)力變形特性。首先，針對(duì)面板縫隙的物理特性，以等寬縫隙水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律為基礎(chǔ)，研究建立了面板縫隙滲流的計(jì)算模型。然后，以堆石體的孔隙率為橋梁，對(duì)多孔巖土介質(zhì)滲透系數(shù)與體積應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行了

6、推導(dǎo)，研究建立了混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的數(shù)學(xué)模型、有限元計(jì)算模型。最后，應(yīng)用本文建立的計(jì)算模型，對(duì)公伯峽面板堆石壩進(jìn)行了滲流場(chǎng)、滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析有限元仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)分析了假定的面板開裂情況下公伯峽混凝土面板堆石壩的滲流場(chǎng)及應(yīng)力變形分布規(guī)律，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析表明，本文的計(jì)算方法與計(jì)算模型是合理準(zhǔn)確的。</p><p>　　本論文的研究成果，可以方便、快速、準(zhǔn)確地計(jì)算面板的應(yīng)力變形分

7、布規(guī)律，研究分析面板裂縫產(chǎn)生的機(jī)理及破壞過程，預(yù)測(cè)分析面板開裂情況下，堆石壩的滲流與應(yīng)力變形特性，是進(jìn)一步研究混凝土面板堆石壩的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩；面板裂縫；開裂機(jī)理；滲流特性；應(yīng)力變形特性</p><p>　　Title: Research on the Mechanism and Effect of Concrete Face</p>

8、<p>　　Rockfill Dam Cracking</p><p>　　Major: Hydraulic Structure Engineering</p><p>　　Name: Li Yanlong Signature： </p><p>　　Supervisor: Prof. Li

9、Shouyi Signature： </p><p>　　Prof. Wang Ruijun Signature： </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　CFRD has a lot of advantages such as

10、 strong adaptability to the different soil conditions, fast construction, short construction period, less investment and so on, whether large or small and medium hydropower projects, CFRD has become the first choice of d

11、am type comparison. It is parallel to RCC and high arch dam which are the most promising three types of dam. For CFRD, face slab and joint sealing constitute the seepage system of main dam. Face slab cracking problem is

12、an important topic relat</p><p>　　At present, the analysis of the stress and deformation in CFRD are mainly in the calculation of the stress and deformation under the loads of its weight and water press, in

13、which case the size of face slab is relatively small, the temperature stress is negligible, that is obviously difffreren from the actual stress and deformation of concrete face rockfill dam, especially in the cold region

14、s where the daily temperature difference and year temperature difference are very large. The results of res</p><p>　　The stress and deformation properties and seepage characteristic of rockfill dam are analy

15、sed and predicted based on fully grasping the distribution of cracks in concrete slab. First, according to the physical characteristics of face slab gap ,the calculation model of face slab gap flow is established based o

16、n the movement law of water flow in the equal-width cracks.Second, use the porosity of rockfill as a bridge and deduce the mathematical expression between permeability coefficient of porous </p><p>　　With th

17、e result of this paper, the stress deformation distribution law can be calculated easily, quickly and accurately. Researching and analyzing the mechanism of the slab cracks and damage process of production, predicting an

18、d analyzing the seepage and stress and deformation properties in the case of face slab cracks,which are the theory foundation to the further study in CFRD.</p><p>　　Key words: concrete face rockfill dam; fac

19、e slab crack; cracking mechanism; seepage characteristic; stress and deformation properties</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 混凝土面板堆石壩發(fā)

20、展概況1</p><p>　　1.2 混凝土面板開裂機(jī)理研究進(jìn)展2</p><p>　　1.2.1 面板開裂影響因素研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 混凝土面板堆石壩面板溫度應(yīng)力的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3 混凝土面板堆石壩面板開裂過程研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3 混凝土面

21、板堆石壩的滲流及應(yīng)力變形特性研究進(jìn)展6</p><p>　　1.3.1 混凝土面板堆石壩滲流特性研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3.2 混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3.3 混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究現(xiàn)狀7</p><p>　　1.4 本文研究內(nèi)容和方法9</p>

22、<p>　　1.4.1 本文研究內(nèi)容9</p><p>　　1.4.2 預(yù)期目標(biāo)10</p><p>　　1.4.3 研究方法和技術(shù)路線10</p><p>　　1.5 研究意義及創(chuàng)新之處11</p><p>　　1.5.1 研究意義11</p><p>　　1.5.2 本論文的創(chuàng)新之處11<

23、;/p><p>　　2 混凝土面板堆石壩溫度應(yīng)力仿真計(jì)算研究13</p><p>　　2.1 混凝土水化熱溫升變化規(guī)律13</p><p>　　2.1.1 水泥水化熱變化規(guī)律13</p><p>　　2.1.2 混凝土的絕熱溫升變化規(guī)律13</p><p>　　2.2 熱傳導(dǎo)理論14</p><

24、;p>　　2.2.1 熱傳導(dǎo)的基本微分方程14</p><p>　　2.2.2 熱傳導(dǎo)方程的定解條件15</p><p>　　2.3 混凝土面板溫度應(yīng)力分析的彈性基礎(chǔ)梁法16</p><p>　　2.4 混凝土面板溫度應(yīng)力分析的有限元法17</p><p>　　2.4.1 穩(wěn)定溫度場(chǎng)有限元分析17</p><

25、;p>　　2.4.2 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)有限元分析18</p><p>　　2.4.5 溫度應(yīng)力有限元分析21</p><p>　　2.5 混凝土面板的溫度徐變應(yīng)力23</p><p>　　2.5.1 混凝土材料的徐變23</p><p>　　2.5.2 混凝土徐變應(yīng)力分析25</p><p>　　2.6 公

26、伯峽混凝土面板堆石壩面板溫度應(yīng)力仿真計(jì)算27</p><p>　　2.6.1 公伯峽混凝土面板堆石壩工程概況27</p><p>　　2.6.2 計(jì)算基本條件28</p><p>　　2.6.3 計(jì)算工況30</p><p>　　2.6.4 有限元計(jì)算模型31</p><p>　　2.6.5計(jì)算結(jié)果分析31

27、</p><p>　　2.6.6 計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比41</p><p>　　2.7 本章小結(jié)42</p><p>　　3 混凝土面板應(yīng)力變形特性有限元分析43</p><p>　　3.1 面板堆石壩應(yīng)力變形數(shù)值計(jì)算的材料本構(gòu)模型43</p><p>　　3.1.1 混凝土面板的本構(gòu)模型43</p

28、><p>　　3.1.2 散粒體材料的本構(gòu)模型44</p><p>　　3.1.3 中點(diǎn)增量法45</p><p>　　3.2 混凝土面板與墊層之間的接觸面45</p><p>　　3.3 基于ADINA軟件的面板堆石壩應(yīng)力變形仿真計(jì)算47</p><p>　　3.3.1 ADINA軟件的二次開發(fā)47</p

29、><p>　　3.3.2 ADINA軟件對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問題的模擬49</p><p>　　3.3.3 ADINA軟件計(jì)算流程50</p><p>　　3.4 公伯峽混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形有限元分析52</p><p>　　3.4.1 有限元計(jì)算模型52</p><p>　　3.4.2 計(jì)算參數(shù)52</p>

30、;<p>　　3.4.3 計(jì)算工況53</p><p>　　3.4.4 計(jì)算結(jié)果分析53</p><p>　　3.4.5 計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析56</p><p>　　3.5 本章小結(jié)58</p><p>　　4 混凝土面板開裂機(jī)理及破壞過程研究59</p><p>　　4.1 混凝土面

31、板結(jié)構(gòu)特征59</p><p>　　4.2 混凝土面板初始微裂縫的形成機(jī)理61</p><p>　　4.2.1 面板與墊層結(jié)合關(guān)系的描述61</p><p>　　4.2.2 面板微裂縫形成機(jī)理的定性分析63</p><p>　　4.2.3 面板微裂縫形成機(jī)理的定量分析64</p><p>　　4.3 基于斷裂

32、力學(xué)原理的混凝土面板裂縫破壞過程研究66</p><p>　　4.3.1 斷裂力學(xué)的基本原理66</p><p>　　4.3.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元計(jì)算方法68</p><p>　　4.3.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子的線性擬合求解方法70</p><p>　　4.3.4 混凝土面板裂縫斷裂力學(xué)分析模型71</p><p&

33、gt;　　4.3.5 混凝土面板裂縫擴(kuò)展過程分析71</p><p>　　4.4 本章小結(jié)72</p><p>　　5 面板開裂情況下堆石壩的滲流計(jì)算模型研究73</p><p>　　5.1 穩(wěn)定滲流計(jì)算的基本理論73</p><p>　　5.1.1 達(dá)西定律73</p><p>　　5.1.2 穩(wěn)定滲流的連

34、續(xù)性方程74</p><p>　　5.1.3 穩(wěn)定滲流基本微分方程75</p><p>　　5.1.4 穩(wěn)定滲流基本微分方程的定解條件75</p><p>　　5.2 三維穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算原理76</p><p>　　5.3 混凝土面板堆石壩面板縫隙滲流計(jì)算模型77</p><p>　　5.3.1 面板縫隙

35、穩(wěn)定流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律77</p><p>　　5.3.2 面板接縫的滲流計(jì)算模型78</p><p>　　5.3.3 面板裂縫的滲流計(jì)算模型80</p><p>　　5.4 混凝土面板堆石壩滲流有限元計(jì)算模型84</p><p>　　5.5 應(yīng)用工程實(shí)例85</p><p>　　5.5.1 計(jì)算工況85<

36、/p><p>　　5.5.2有限元計(jì)算模型86</p><p>　　5.5.3 計(jì)算參數(shù)87</p><p>　　5.5.4 計(jì)算結(jié)果分析87</p><p>　　5.5.5 與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比90</p><p>　　5.6 本章小結(jié)91</p><p>　　6 面板開裂情況下堆石壩的滲流

37、場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究92</p><p>　　6.1 巖土多孔介質(zhì)飽和滲流的基本規(guī)律92</p><p>　　6.1.1 非穩(wěn)定滲流的微分方程92</p><p>　　6.1.2 非穩(wěn)定滲流基本微分方程的定解條件96</p><p>　　6.1.3 有限元方程97</p><p>　　6.2 混凝土面板堆石

38、壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合原理98</p><p>　　6.2.1 滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響98</p><p>　　6.2.2 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響100</p><p>　　6.3 面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的有限元方程100</p><p>　　6.3.1 應(yīng)力場(chǎng)有限元方程100</p><p>　　6.

39、3.2 滲流場(chǎng)有限元方程101</p><p>　　6.3.3 滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的有限元方程102</p><p>　　6.4 面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的步驟102</p><p>　　6.5 應(yīng)用實(shí)例103</p><p>　　6.5.1 計(jì)算模型103</p><p>　　6.5.2 計(jì)算參

40、數(shù)104</p><p>　　6.5.3 計(jì)算結(jié)果分析105</p><p>　　6.5.3 計(jì)算結(jié)果分析105</p><p>　　6.6 本章小結(jié)108</p><p>　　7 結(jié)論與展望109</p><p><b>　　7.1結(jié)論109</b></p><p

41、>　　7.2 展望110</p><p><b>　　致 謝111</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)112</b></p><p><b>　　附 錄118</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p&g

42、t;<p>　　1.1 混凝土面板堆石壩發(fā)展概況</p><p>　　混凝土面板堆石壩（Concrete Face Rockfill Dam）是以堆石分層碾壓填筑成壩體，在上游面布置混凝土面板作為防滲體的一種土石壩【1】?；炷撩姘宥咽瘔尉哂邪踩愿摺⒃靸r(jià)較低、適用性強(qiáng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。</p><p>　　美國的莫拉(Morena)壩

43、是世界上第一座面板堆石壩，壩高54m，修建于1895年，距今已有100多年的歷史。著名的混凝土面板堆石壩工程專家?guī)炜耍↗.B.Cook）【2，3】認(rèn)為，混凝土面板堆石壩的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別為：1850年～1940年的早期拋填堆石階段，1940年～1965年的拋填堆石向碾壓堆石過渡階段以及1965年以后的堆石薄層碾壓為特征的現(xiàn)代階段【4】。早期拋填堆石階段：1850年～1900年正值美國的淘金熱，在美國的加利福尼亞州由于淘金的需

44、要修建蓄水庫，最初的面板堆石壩是用拋填塊石作為壩體，表面覆蓋木板作為防滲面板，直到十八世紀(jì)末，隨著筑壩技術(shù)的進(jìn)步，才開始修建混凝土面板堆石壩。1931年建成的美國鹽泉壩（高100m）及1955年建成的葡萄牙帕拉德拉壩(高112m)，混凝土面板難以適應(yīng)堆石體較大的變形，水庫蓄水后，面板出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂和大量的漏水，因此，這一壩型的發(fā)展在20世紀(jì)40～50年代處于停滯狀態(tài)。過渡階段：1960年美國土木工程師協(xié)會(huì)發(fā)表了美國一次堆石壩學(xué)術(shù)會(huì)議的論

45、文集，在C.M.Roberts的討論文章【5】中，介紹了最早采用薄層碾壓堆石壩的工程實(shí)例即1</p><p>　　我國以現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩始于20世紀(jì)80年代初期【1】。1985年，我國第一座開工建設(shè)的混凝土面板堆石壩是壩高為95m的湖北西北口大壩，第一座完工的是遼寧關(guān)門山水庫大壩，壩高為58.5m。中國的混凝土面板堆石壩建設(shè)與國外相比，雖然起步較晚，但起點(diǎn)高，發(fā)展快。目前，我國的混凝土面板堆石壩無論是

46、在建壩高度、建壩數(shù)量，還是在筑壩技術(shù)方面，都處于世界領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)【9】，截止2004年我國的混凝土面板堆石壩有150多座，其中，壩高超過100m的有37座。我國的清江水布婭面板壩，是目前世界上最高的混凝土面板堆石壩，壩高為233.2m。</p><p>　　與其它壩型相比，混凝土面板堆石壩在筑壩技術(shù)方面、適用性方面以及經(jīng)濟(jì)方面均擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)【10】，在國內(nèi)外獲得了廣泛的推廣和發(fā)展，設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)水平也不

47、斷得提高，因此，工程規(guī)模越來越大，壩越建越高是混凝土面板堆石壩發(fā)展的基本趨勢(shì)【11】。</p><p>　　1.2 混凝土面板開裂機(jī)理研究進(jìn)展</p><p>　　1.2.1 面板開裂影響因素研究現(xiàn)狀</p><p>　　混凝土面板是以堆石體為支撐結(jié)構(gòu)，它承擔(dān)著向下游堆石體傳遞水壓力及大壩防滲的重任【12】，對(duì)大壩的安全與工程的運(yùn)行起著決定性的作用。從空間結(jié)構(gòu)看，面

48、板的長度較長，寬度較小，而厚度相對(duì)來說很小，是一塊長條形的薄板，因此，受環(huán)境溫度的影響較大，尤其是高壩及處于高寒地區(qū)的混凝土面板堆石壩【13】，在氣溫驟變條件下，面板內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)變，再加上壩體的沉降及其它不確定性因素，面板很容易出現(xiàn)裂縫。從國內(nèi)外修建的面板堆石壩看，面板開裂的情況比較普遍，個(gè)別的壩還相當(dāng)嚴(yán)重【14～17】，因此，面板的抗裂問題是面板堆石壩的重要課題。國內(nèi)外研究表明：混凝面板的溫度應(yīng)力、外界荷載（主要為水荷載）以及堆石體變

49、形是面板開裂的主導(dǎo)因素。</p><p>　　a. 混凝土力學(xué)特性及荷載對(duì)面板開裂的影響 </p><p>　　混凝土面板開裂問題，實(shí)質(zhì)上是面板中的破壞力與抵抗力之間的較量。破壞力主要指的是由外因及內(nèi)因引起的面板應(yīng)力，抵抗力則指的是面板混凝土的強(qiáng)度。面板應(yīng)力主要受混凝土的力學(xué)性能、面板的自重、外部荷載以及壩高、河谷形狀等因素的影響。混凝土力學(xué)特性及荷載對(duì)面板開裂的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

50、：</p><p>　　（1）混凝土材料內(nèi)部物理化學(xué)作用引起的面板應(yīng)力?；炷林械膲A骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、混凝土的徐變以及混凝土遭受凍融循環(huán)等因素引起的面板應(yīng)力。</p><p>　?。?）混凝土面板的溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力。面板的溫度、濕度變化會(huì)產(chǎn)生引起結(jié)構(gòu)變形，由于面板不能自由變形，則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。面板的溫度、干縮應(yīng)力主要受環(huán)境氣溫條件、面板的保溫保濕條件、極限拉伸及線膨脹系數(shù)等影響。<

51、/p><p>　　（3）水荷載及自重荷載引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。施工期，面板的撓度變形主要由自重引起，因此，其值較小。運(yùn)行期，面板撓度變形的主要影響因素為庫水壓力，水壓力越大，混凝土面板撓度相應(yīng)越大。同時(shí)，壩高、混凝土面板的結(jié)構(gòu)尺寸、堆石的材料特性及河谷形狀對(duì)面板的應(yīng)力變形也有影響。</p><p>　　（4）作用于面板上的庫水結(jié)冰荷載、地震作用等也會(huì)引起面板的開裂破壞。</p><

52、;p>　?。?）施工過程及質(zhì)量。工程實(shí)踐表明【13】，面板混凝土的施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)，壩體材料分區(qū)、填筑次序與壓實(shí)質(zhì)量、水庫蓄水與泄水過程、墊層坡面的保護(hù)方式等是影響面板開裂的因素。</p><p>　　此外，在周邊縫位置，如果面板相對(duì)于趾板的變形（張開及剪切變形）過大會(huì)破壞止水結(jié)構(gòu)，也會(huì)引起面板的開裂。周邊縫的變形主要受水荷載、面板變形、壩體變形、趾板的幾何形狀以及河谷壩肩的形狀等因素的影響。</p&g

53、t;<p>　　b. 堆石體變形對(duì)面板開裂的影響</p><p>　　混凝土面板以堆石體為支撐結(jié)構(gòu)，因此，面板的應(yīng)力變形除了受混凝土力學(xué)特性及荷載對(duì)面板開裂的影響外，還受堆石體變形的影響。尤其是運(yùn)行期，在水壓力的作用下，面板開裂與否主要由堆石體變形決定，因此，堆石體變形的影響因素亦是混凝土面板變形特性的影響因素。大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明【18,19】，在堆石體的流變、濕化變形以及庫水位升降的影

54、響下，堆石體的變形呈現(xiàn)出隨時(shí)間而變化的趨勢(shì)，則混凝土面板的應(yīng)力變形也隨之變化。</p><p>　　混凝土面板堆石壩的壩體是分層碾壓填筑的，在自重及碾壓力的作用下，堆石體會(huì)產(chǎn)生豎直和水平位移，澆筑在墊層上的面板變形如果不能適應(yīng)壩體的變形，就會(huì)出現(xiàn)墊層料脫空，此時(shí)，面板失去了壩體的支撐作用，在水壓力的作用下，其應(yīng)力變形特性會(huì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為：脫空部位的面板被壓向墊層料，在水壓力及墊層反力的作用下，內(nèi)部產(chǎn)生較大的

55、應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的強(qiáng)度則會(huì)產(chǎn)生裂縫，發(fā)生開裂破壞。</p><p>　　綜上所述，混凝土面板發(fā)生裂縫的原因主要是堆石體變形和面板的溫度應(yīng)力兩個(gè)方面。由溫度變化引起的混凝土收縮，加之基礎(chǔ)約束將導(dǎo)致面板出現(xiàn)大量密集的有規(guī)律的水平裂縫。由壩體的不均勻變形引起的拉應(yīng)力，將導(dǎo)致面板出現(xiàn)較大的裂縫，甚至出現(xiàn)斷裂。</p><p>　　1.2.2 混凝土面板堆石壩面板溫度應(yīng)力的研究現(xiàn)狀</p

56、><p>　　國內(nèi)外關(guān)于混凝土面板堆石壩面板溫度應(yīng)力的計(jì)算方法主要有解析計(jì)算法（簡化條件下）和有限元數(shù)值計(jì)算法【20】，相比較而言，有限元法可以考慮混凝土的水化熱溫升、徐變、彈性模量、自生體積變形等參數(shù)隨齡期的變化，考慮氣溫、水溫、自重、水壓、寒潮、等諸多因素的影響，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。</p><p>　　有限元數(shù)值計(jì)算方法分為不考慮接觸面影響的有限元法和考慮接觸面影響的有限元法。不考慮接

57、觸面影響的有限元法，是將面板與墊層之間的接觸面按彈性約束處理，不考慮接觸面非線性變形特性對(duì)面板溫度應(yīng)力的影響，在混凝土面板堆石壩溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果上，計(jì)算面板的溫度應(yīng)力。面板與墊層之間的關(guān)系按“彈性約束”處理，夸大了墊層對(duì)面板的約束作用，因此計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不夠準(zhǔn)確?？紤]接觸面影響的有限元法，是將面板與墊層之間的接觸面按摩擦約束處理【21】，假定面板與墊層之間為點(diǎn)——面接觸，在法向面板與墊層之間用彈簧聯(lián)接，切向則為摩擦接觸。文獻(xiàn)【21】根

58、據(jù)摩爾—庫侖準(zhǔn)則，采用嵌接處罰法建立了面板與墊層之間接觸面的附加剛度和附加摩擦力荷載矩陣，模擬了接觸面鎖定和摩擦兩種接觸狀態(tài)。顯然，文獻(xiàn)【21】研究建立的力學(xué)模型考慮了接觸面非線性變形特性及不連續(xù)變形特性對(duì)面板溫度應(yīng)力的影響，但也存在明顯的不足，如：該計(jì)算模型沒有考慮面板與墊層之間脫開的自由狀態(tài)；對(duì)于面板與墊層之間的導(dǎo)熱關(guān)系，該模型沒有明確表述等?；炷撩姘宥咽瘔蚊姘鍦囟葢?yīng)力的計(jì)算模型及方法的研究還處于初步探索階段，仍有大量科研難題值得

59、深入研究。</p><p>　　面板接縫（周邊縫、垂直縫與水平縫的統(tǒng)稱）止水結(jié)構(gòu)的模擬是混凝土面板溫度應(yīng)力研究的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，尤其是對(duì)于高壩，面板的變形會(huì)嚴(yán)重影響接縫縫間止水的工作性態(tài)。因此，在面板堆石壩的有限元數(shù)值仿真計(jì)算中，必須考慮面板接縫的非連續(xù)變形。目前，模擬面板接縫一般采用以下幾種模型：</p><p>　　節(jié)理材料模型：受壓時(shí)材料的模量與面板混凝土的模量相同或接近，接縫一定

60、程度上可以傳遞壓力和剪力、有應(yīng)變和位移；受拉時(shí)，將模量取為一個(gè)極小值，近似認(rèn)為材料不承受拉應(yīng)力。</p><p>　　復(fù)合模型：將面板與接縫簡化為復(fù)合材料，在復(fù)合材料的剛度中考慮接縫的特性，將其均化在復(fù)合材料之中，把面板處理為各向異性板。</p><p>　　經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停喊凑赵囼?yàn)獲得的數(shù)據(jù)提出數(shù)學(xué)擬合表達(dá)式，將其作為接縫的本構(gòu)模式進(jìn)行分析。</p><p>　　上述幾

61、種模型雖然有所不同，但是均不同程度地考慮了接縫可以受壓難以受拉的變形非連續(xù)特性。</p><p>　　1.2.3 混凝土面板堆石壩面板開裂過程研究現(xiàn)狀</p><p>　　斷裂力學(xué)是利用力學(xué)的成就，研究含缺陷材料和結(jié)構(gòu)的破壞問題。和其他科學(xué)一樣，斷裂力學(xué)是在生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展的，是從20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。盡管起步較晚，但實(shí)驗(yàn)與理論均發(fā)展迅速，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。

62、</p><p>　　a. 混凝土的斷裂過程</p><p>　　混凝土材料的拉伸、壓縮和彎曲等力學(xué)性能是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，而試驗(yàn)則是揭示混凝土力學(xué)性能的主要方法。從國內(nèi)外的試驗(yàn)資料可知：混凝土是典型的非均勻材料，其中含有夾碴、氣泡、孔穴等，其變形、強(qiáng)度以及破壞過程均與裂紋的擴(kuò)展有關(guān)?；炷恋牧鸭y可以分為兩大類【22】：一類是隨機(jī)分布的微裂紋，微裂紋的存在決定了混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)

63、度；另一類是宏觀裂紋，它使得混凝土的力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性?；炷恋钠茐氖怯苫炷恋奈⒘鸭y與宏觀裂紋共同作用，一方面微裂紋的存在影響宏觀裂紋的萌生，另一方面微裂紋對(duì)主裂紋產(chǎn)生屏蔽和劣化的雙重作用【23】。混凝土的破壞過程實(shí)質(zhì)上是其中微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通，直至微裂紋變成宏觀裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)破裂的過程。</p><p>　　b. 混凝土斷裂力學(xué)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1920年

64、，Griffith在研究玻璃的強(qiáng)度時(shí)首次提出了斷裂力學(xué)理論，此后，經(jīng)過Irin和Owen的補(bǔ)充和完善，在20世紀(jì)50年代適用于高強(qiáng)度鋼材的線彈性斷裂力學(xué)體系基本形成。1961年，Kaplan首先將斷裂力學(xué)的概念引用到混凝土中，用斷裂力學(xué)的理論研究混凝土的破壞機(jī)理，并進(jìn)行了混凝土的斷裂韌度實(shí)驗(yàn)。此后，國內(nèi)外諸多學(xué)者專家在混凝土斷裂試驗(yàn)方面做了許多研究，積累了大量的實(shí)測(cè)資料，并提出了一系列應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)斷裂判據(jù)。</p&

65、gt;<p>　　根據(jù)受力情況的不同，裂縫可以分為三種基本類型：（1）張開型裂縫，作用力與裂縫面及裂縫前緣均垂直；（2）滑開型裂縫，作用力與裂縫面平行，而與裂縫前緣垂直；（3）撕開型裂縫，作用力與裂縫面及裂縫前緣均平行。圖1-1為三種類型的裂縫示意圖。</p><p>　?。?）張開型裂縫 （2）滑開型裂縫 （3）撕開型裂縫<

66、/p><p>　?。?) openning mode crack （2）Slide mode crack （3）Tear mode crack</p><p>　　圖1-1 三種類型的裂縫</p><p>　　Fig.1-1 The three types of crack</p><p>　　斷裂力

67、學(xué)中，能量釋放率G是衡量裂縫擴(kuò)展的重要指標(biāo)，是指擴(kuò)展單位裂縫表面積上裂縫體釋放的應(yīng)變能。能量釋放率G的表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：B ——平行裂縫前緣且平行于裂縫面的裂縫寬度；</p><p>　　△l ——裂縫擴(kuò)展的長度；</p><p>　　U ——裂縫體釋放

68、的應(yīng)變能；</p><p>　　l ——垂直于裂縫前緣且平行于裂縫面的長度。</p><p>　　在斷裂力學(xué)中，還有一個(gè)表示抗斷裂性能的指標(biāo)，即裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K，它代表了裂縫的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。假設(shè)σ為裂縫位置上按無裂縫計(jì)算的應(yīng)力，a為裂縫的深度，引入一個(gè)表征裂縫大小、位置等的形狀系數(shù)Y，應(yīng)力強(qiáng)度因子可以用下式表示：</p><p><b>　?。?.2

69、）</b></p><p>　　對(duì)于張開型裂縫，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K與能量釋放率G之間存在如下關(guān)系：</p><p><b>　　（1.3）</b></p><p>　　其中，E = E′（平面應(yīng)力情況)；（平面應(yīng)變情況)。</p><p>　　滑開型裂縫同張開型裂縫是相同的。</p><

70、;p><b>　　對(duì)于撕開型裂縫：</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中，v為泊松比；E為楊氏彈性模量。</p><p>　　c. 混凝土面板斷裂損傷研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂損傷研究主要集中在大體積混凝土結(jié)構(gòu)、碾壓混凝

71、土拱壩、混凝土重力壩方面，而對(duì)于面板堆石壩混凝土面板斷裂方面的研究甚少?；炷撩姘鍖?duì)環(huán)境溫度的變化較敏感，再加上壩體的沉降，面板很容易出現(xiàn)裂縫。因此，基于斷裂力學(xué)研究混凝土面板微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通，直到產(chǎn)生宏觀裂紋的破壞機(jī)理，對(duì)于面板的抗裂，大壩的安全運(yùn)行具有重要意義。</p><p>　　1.3 混凝土面板堆石壩的滲流及應(yīng)力變形特性研究進(jìn)展</p><p>　　1.3.1 混凝土面板堆

72、石壩滲流特性研究現(xiàn)狀</p><p>　　混凝土面板堆石壩以堆石體做為支撐結(jié)構(gòu)，安全性較高，許多學(xué)者認(rèn)為混凝土面板堆石壩不會(huì)發(fā)生滲透破壞，因此，對(duì)面板壩的滲流分析研究不夠重視，甚至在設(shè)計(jì)時(shí)不作為計(jì)算的主要內(nèi)容?；炷撩姘迨谴髩畏罎B的主要結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生開裂破壞，將直接危及到工程的安全與經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視【24】。混凝土面板堆石壩的滲流分析對(duì)于工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及管理具有重要的意義【25】。</p>

73、;<p>　　關(guān)于混凝土面板堆石壩的滲流計(jì)算模型或計(jì)算方法，國內(nèi)外研究甚少，澳大利亞的倫吉·卡希納得通過工程實(shí)例滲漏觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，利用面板的結(jié)構(gòu)尺寸、面板的坡率及水深與面板裂縫滲漏量的關(guān)系，獲得了半經(jīng)驗(yàn)性的化引表面滲透系數(shù)，即表面滲透性法【1】【25】，該方法將面板作為各向同性的均質(zhì)體，且面板裂縫中的滲流符合達(dá)西定律。表面滲透性法忽略了墊層、過渡層等面板基礎(chǔ)的滲流，只能估算面板裂縫及接縫的滲漏量，不能確定滲透坡

74、降、滲流速度等其他要素，更不能用于整個(gè)大壩的滲流仿真計(jì)算。張嘎，張建民等通過對(duì)混凝土面板堆石壩滲流形態(tài)的分析【26】，假定裂縫滲流為層流、面板縫隙為等寬縫隙，基于達(dá)西滲流定律進(jìn)行了面板出現(xiàn)裂縫工況下堆石壩的滲流有限元計(jì)算，該方法沒有考慮面板裂縫寬度沿厚度方向變化的特性及裂縫面的粗糙度，因此計(jì)算結(jié)果也不盡如人意。正如文獻(xiàn)【1】所分析指出的，現(xiàn)有的混凝土面板堆石壩滲流分析的計(jì)算模型都不成熟，仍需要進(jìn)行更深入的研究，尤其是面板開裂情況下堆石壩

75、的滲流機(jī)理研究。</p><p>　　1.3.2 混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)代混凝土面板堆石壩采用分層碾壓的施工方法，堆石體的密實(shí)度與變形模量與早期面板堆石壩相比有了較大的提高，但對(duì)于面板壩來說，大壩的應(yīng)力變形性狀仍是制約其發(fā)展的瓶頸問題【27～29】。自20世紀(jì)60年代后期，有限單元法開始應(yīng)用于土石壩的應(yīng)力變形分析已來，至今已有五十多年的時(shí)間，在此期間，

76、國內(nèi)外諸多學(xué)者專家在這一方面做了大量的科研工作，取得了豐碩的研究成果【30～33】。</p><p>　　1970年，N.O.Broughton以Wilmot壩（壩高36m）為例，建立了土石壩應(yīng)力變形有限元計(jì)算模型，采用的是等應(yīng)變?nèi)切螁卧?，基于彈性有限元法進(jìn)行了混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形數(shù)值計(jì)算，由于他沒考慮面板和堆石體界面的滑動(dòng)，因此，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。此后，J.K.Wilkings等人對(duì)Alto

77、Anchicaya, Foz do Areia和Centhana壩均進(jìn)行了應(yīng)力變形有限元計(jì)算，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比表明：計(jì)算的下游壩體大部分范圍內(nèi)的豎向位移小于水平位移，與實(shí)測(cè)結(jié)果不一致；下游壩腳附近壩體位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符；數(shù)值計(jì)算的面板拉應(yīng)力區(qū)比實(shí)測(cè)結(jié)果大。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)閴纹挛灰剖懿牧系母飨虍愋浴⒉此杀鹊娜≈档纫蛩赜绊憽naizumi H.和SardinhaA E.等人研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)材料的泊松比取值趨近于零

78、時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合程度較高。</p><p>　　混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形數(shù)值分析的研究主要集中在堆石材料、面板與墊層接觸面、接縫(周邊縫、面板縫)等關(guān)鍵因素本構(gòu)模型的建立，以及施工、運(yùn)行過程的仿真模擬方面。堆石體的變形特性主要表現(xiàn)在四個(gè)方面【34，35】：壓硬性，堆石體的變形模量隨著圍壓的增加而增加；非線性，堆石體的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系呈現(xiàn)典型的材料非線性特性；應(yīng)力引起的各向異性，不同方向應(yīng)力差異引起變形剛度不

79、同；剪縮性，堆石體受荷時(shí)，顆粒會(huì)產(chǎn)生破碎和滑移，引起體積收縮。國內(nèi)外許多學(xué)者致力于壩體材料的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型研究，目前，面板堆石壩應(yīng)力變形數(shù)值分析中堆石料采用的的本構(gòu)模型主要有清華K-G模型、劍橋模型、“南水”雙屈服面模型、鄧肯-張E-B本構(gòu)模型及鄧肯-張E-μ本構(gòu)模型。堆石體的本構(gòu)模型可以分為彈塑性模型和非線性模型兩大類，彈塑性模型以“南水”雙屈服面模型為代表；非線性模型以鄧肯-張E-μ模型和鄧肯-張E-B模型為代表。由于鄧肯-張E-B

80、本構(gòu)模型能反映堆石體的主要變形特性，而且參數(shù)測(cè)定簡單，應(yīng)用方便，所以得到較為廣泛的應(yīng)用。但鄧肯-張E-B本構(gòu)模型只能反映堆石料的非線性和壓硬性，不能考慮堆石體的剪縮性，因此計(jì)算所得的水平位移比實(shí)際值</p><p>　　近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形有限元仿真計(jì)算得到了較快發(fā)展。國內(nèi)外的公司及個(gè)人研究開發(fā)出了大量有限元通用軟件與專用計(jì)算程序，考慮的因素越來越多，仿真程度也越來越高，為混凝土

81、面板堆石壩的發(fā)展增添了新的活力。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能結(jié)有限單元法的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今混凝土面板堆石壩的應(yīng)力變形數(shù)值仿真計(jì)算的主要技術(shù)手段。</p><p>　　1.3.3 混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，對(duì)面板堆石壩的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合研究不夠重視，滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算是單獨(dú)進(jìn)行的，兩場(chǎng)分開考慮。應(yīng)力場(chǎng)方面，已充分考慮了堆石體材料的非線性、混凝土面板

82、與墊層之間的接觸、面板接縫單元等因素，但基本不考慮考慮滲透體積力對(duì)壩體應(yīng)力場(chǎng)的影響；滲流場(chǎng)方面，基于達(dá)西定律，運(yùn)用有限元法計(jì)算確定面板堆石壩壩體浸潤線，進(jìn)而確定滲流量和滲流水力坡降，沒有考慮應(yīng)力場(chǎng)對(duì)堆石體孔隙率變化的影響。</p><p>　　對(duì)混凝土面板堆石壩而言，滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合現(xiàn)象是客觀存在的，二者之間相互影響、相互作用。一方面，滲流場(chǎng)的變化引起了滲透體積力的改變，即作用于面板堆石壩的外荷載發(fā)生了變化，

83、進(jìn)而改變面板堆石壩的應(yīng)力場(chǎng)；另一方面，運(yùn)行期的水荷載會(huì)使堆石體變得更加密實(shí)，孔隙率減少，改變堆石體的滲透系數(shù)，進(jìn)而改變面板堆石壩的滲流場(chǎng)。</p><p>　　關(guān)于滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析的研究成果較多地偏重于裂隙巖體的滲流場(chǎng)與應(yīng)力的場(chǎng)耦合問題以及土體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合問題，關(guān)于面板堆石壩的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合問題的研究鮮見報(bào)導(dǎo)。</p><p>　　1941年，Biot【37】基于達(dá)西滲流

84、定律，假定材料為線彈性且各向同性，把孔隙流體力學(xué)應(yīng)用到線彈性的應(yīng)力變形計(jì)算中，建立了固結(jié)計(jì)算的基本理論。</p><p>　　Sandhu和Wilson【38】將土體與孔隙水作為不可壓縮固體，應(yīng)用變分原理，推導(dǎo)建立了Biot方程。</p><p>　　O.C.Zienkeiwicz和Shiomi【39】基于Biot建立的三維固結(jié)理論，研究提出了廣義Biot公式，該公式考慮了材料的非線性與幾

85、何非線性。</p><p>　　Savage和Bradock【40】不考慮多孔介質(zhì)的流固耦合效應(yīng)，對(duì)于多孔介質(zhì)的不同應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，建立了各向同性彈性多孔介質(zhì)的三維固結(jié)計(jì)算模型。</p><p>　　我國諸多學(xué)者在滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的研究方面做了大量的科研工作，取得了一批有價(jià)值的成果，如：</p><p>　　柴軍瑞【41】從土體的滲透性出發(fā)，研究建立了均質(zhì)土

86、壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的連續(xù)介質(zhì)計(jì)算模型。</p><p>　　陳曉平等【42】以下式作為滲透系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　采用間接耦合分析的方法，實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)土壩滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析。</p><p>　　李錫夔，范益群等【43】采用下式計(jì)算考慮飽和度及孔隙

87、比影響的各向同性滲透率：</p><p><b>　　（1.6）</b></p><p>　　研究建立了非飽和土應(yīng)力變形和滲流場(chǎng)的有限元計(jì)算模型。</p><p>　　楊林德【44】假定飽和土體為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性多孔介質(zhì)，有效應(yīng)力系數(shù)為二階張量，根據(jù)虛位移原理，建立了各向異性飽和土體滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的數(shù)學(xué)模型。</p&g

88、t;<p>　　李培超【45】以孔隙度和滲透率之間的關(guān)系作為耦合分析的動(dòng)態(tài)模型，將多孔介質(zhì)和流體作為可壓縮體，基于滲流連續(xù)性方程，建立了飽和多孔介質(zhì)流固耦合滲流計(jì)算模型。</p><p>　　王媛【46】基于固結(jié)理論，將結(jié)點(diǎn)位移和孔隙水壓力作為未知量，實(shí)現(xiàn)了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析。</p><p>　　李筱艷等【47】通過抽水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，建立了土體滲透系數(shù)與有效應(yīng)力

89、相關(guān)的動(dòng)態(tài)模型：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　對(duì)深基坑土體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析問題進(jìn)行了研究。</p><p>　　柳厚祥，李寧等【48】根據(jù)尾礦壩的勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了尾礦壩的滲透系數(shù)與初始滲透系數(shù)、應(yīng)力及中值粒徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，進(jìn)行了尾礦壩應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合的非穩(wěn)定滲流分析。</p>

90、<p>　　曾海容、宋惠珍等【49】基于多相滲流理論及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，建立了解耦形式的固相變形方程，采用改進(jìn)的初應(yīng)力增量加載方法對(duì)非線性固體變形問題進(jìn)行求解。</p><p>　　平揚(yáng)【50】通過比奧固結(jié)理論在彈塑性分析的擴(kuò)展應(yīng)用研究，建立了深基坑開挖過程中滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的有限元計(jì)算模型。</p><p>　　徐則民【51】對(duì)斜坡穩(wěn)定性中的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析問題進(jìn)行

91、了研究，提出了斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的耦合分析的技術(shù)路線。</p><p>　　羅曉輝【52】通過對(duì)深基坑開挖過程中滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究，提出了穩(wěn)定滲流場(chǎng)與非穩(wěn)定滲流滲流場(chǎng)有限元計(jì)算的方法。</p><p>　　陳波、李寧等【53】基于多孔介質(zhì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)三場(chǎng)耦合分析數(shù)學(xué)模型，從微分控制方程出發(fā)，推導(dǎo)建立了固液兩相介質(zhì)的三場(chǎng)耦合分析的有限元計(jì)算方程。</p><

92、;p>　　陳慶中、馮星梅等【54】在Sandhu和錢偉長的研究成果基礎(chǔ)上，提出了滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及流場(chǎng)耦合分析的方法。</p><p>　　1.4 本文研究內(nèi)容和方法</p><p>　　1.4.1 本文研究內(nèi)容</p><p>　　本文的研究工作主要是針對(duì)混凝土面板堆石壩面板開裂機(jī)理及效應(yīng)開展的，其主要研究內(nèi)容如下：</p><p>　

93、　（1）混凝土面板堆石壩溫度應(yīng)力仿真計(jì)算研究</p><p>　　混凝土面板的溫度應(yīng)力是面板早期初始裂縫產(chǎn)生的主導(dǎo)因素之一，本文基于公伯峽混凝土面板堆石溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力的仿真計(jì)算結(jié)果，研究分析了混凝土面板施工期、運(yùn)行期及遭遇寒潮3種工況下的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力分布規(guī)律。</p><p>　?。?）混凝土面板應(yīng)力變形特性有限元分析</p><p>　　混凝土面板是以堆石體

94、為基礎(chǔ)的，其應(yīng)力變形特性除了受自身因素（自重、溫度應(yīng)力、徐變）和水荷載影響外，還受堆石體變形的影響。運(yùn)行期，在水壓力作用下，面板的變形很大程度上取決于堆石體的變形大小，堆石體的變形決定了蓄水期面板的應(yīng)力。本文以ADINA軟件作為平臺(tái)，基于Fortran程序語言，編制正確合理的子程序進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，應(yīng)用二次開發(fā)的ADINA軟件進(jìn)行公伯峽混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形仿真計(jì)算，進(jìn)而研究混凝土面板在溫度荷載、自重、水荷載及堆石體變形共同作用下的

95、應(yīng)力變形特性。</p><p>　?。?）混凝土面板開裂機(jī)理及破壞過程研究</p><p>　　通過理論分析與工程實(shí)例相結(jié)合的方法，研究分析混凝土面板開裂機(jī)理及破壞過程。首先通過對(duì)已建的面板堆石壩工程實(shí)例調(diào)研，研究分析混凝土面板的結(jié)構(gòu)特征，論述用無厚度的Goodman單元模擬面板與墊層間結(jié)合關(guān)系的合理性；其次，基于混凝土面板溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，定性定量的分析面板初始微裂縫的產(chǎn)生機(jī)理；最后以

96、斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，建立混凝土面板裂縫的數(shù)值計(jì)算模型，研究面板裂縫的開裂過程。</p><p>　?。?）面板開裂情況下堆石壩的滲流計(jì)算模型研究</p><p>　　針對(duì)面板開裂的情況，研究分析面板縫隙的物理特性及水力特性，基于等寬縫隙滲流水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究建立了面板縫隙滲流的計(jì)算模型。應(yīng)用建立的計(jì)算模型，對(duì)公伯峽面板堆石壩進(jìn)行了滲流場(chǎng)有限元計(jì)算，重點(diǎn)預(yù)測(cè)分析了面板及面板接縫止水發(fā)生破壞情況下

97、大壩的滲流場(chǎng)分布規(guī)律。</p><p>　?。?）面板開裂情況下堆石壩的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析究</p><p>　　首先，分析了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用的機(jī)理，探討了混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形有限元分析中滲透體積力的計(jì)算方法；其次，從巖土多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)隨體積應(yīng)變變化的函數(shù)關(guān)系式出發(fā)，推導(dǎo)建立了混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的有限元計(jì)算模型；最后，應(yīng)用研究建立的計(jì)算模型，進(jìn)行了公伯

98、峽面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析研究。</p><p>　　1.4.2 預(yù)期目標(biāo)</p><p>　　（1）通過混凝土面板溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算，獲得面板混凝土面板的溫度應(yīng)力場(chǎng)分布及變化規(guī)律。</p><p>　　（2）以ADINA軟件作為二次開發(fā)平臺(tái)，編制正確合理的子程序，研究自重、水荷載及堆石體變形引起的面板應(yīng)力變形，并基于面板溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，研究面

99、板施工期、運(yùn)行期的應(yīng)力分布變化規(guī)律。</p><p>　?。?）基于斷裂力學(xué)的基本理論，在混凝土面板應(yīng)力變形有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究面板開裂機(jī)理及破壞過程。</p><p>　　（4）研究建立面板開裂情況下，面板裂縫、接縫等防滲系統(tǒng)的滲流計(jì)算模型，預(yù)測(cè)分析面板開裂情況下堆石壩的滲流場(chǎng)。</p><p>　?。?）研究建立混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析有限

100、元計(jì)算模型，預(yù)測(cè)分析面板開裂破壞時(shí)，大壩在滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下的工作特性。</p><p>　　1.4.3 研究方法和技術(shù)路線</p><p>　　混凝土面板開裂機(jī)理研究。在調(diào)研及收集國內(nèi)外研究資料和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，掌握混凝土面板應(yīng)力計(jì)算方法。首先，按照公伯峽混凝土面板堆石壩的施工進(jìn)度，建立混凝土面板溫度應(yīng)力有限元計(jì)算模型，進(jìn)行施工期及運(yùn)行期混凝土面板溫度應(yīng)力仿真計(jì)算；其次，考慮堆石體變

101、形、水荷載等外界荷載作用，進(jìn)行混凝土面板應(yīng)力變形有限元計(jì)算，分析混凝土面板的應(yīng)力變形特性；最后，基于斷裂與損傷力學(xué)的基本原理及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，研究混凝土面板開裂機(jī)理及破壞過程。</p><p>　　混凝土面板開裂情況下堆石壩的滲流計(jì)算模型研究。采用實(shí)例分析與理論分析相結(jié)合的方法，通過對(duì)已建的出現(xiàn)面板開裂的工程實(shí)例進(jìn)行調(diào)研分析，研究面板開裂的特點(diǎn)、面板裂縫的分布規(guī)律及面板接縫滲流的水力特性。在此基礎(chǔ)上，采用理論分析

102、的方法，推導(dǎo)建立面板縫隙滲流計(jì)算模型，研究分析面板開裂情況下堆石壩的滲流特性，并利用工程實(shí)例驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。</p><p>　　混凝土面板開裂情況下堆石壩的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究。目前，混凝土面板堆石壩的數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)相當(dāng)成熟了，但對(duì)于面板開裂情況下大壩的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究甚少。面板開裂時(shí)，混凝土面板堆石壩的防滲系統(tǒng)失效，此時(shí)，壩體的滲流場(chǎng)急劇惡化，進(jìn)而影響大壩的應(yīng)力變形特性，反過來，應(yīng)力場(chǎng)

103、又引起堆石體孔隙率的變化，影響大壩的滲流場(chǎng)。本文以堆石體的孔隙率為橋梁，推導(dǎo)堆石體滲透系數(shù)與體積應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，獲得混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的數(shù)學(xué)模型，采用間接耦合分析的方法，進(jìn)行面板開裂情況下堆石壩的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究。</p><p>　　1.5 研究意義及創(chuàng)新之處</p><p>　　1.5.1 研究意義</p><p>　　現(xiàn)代混

104、凝土堆石壩的發(fā)展趨勢(shì)是壩越建越高、工程規(guī)模越來越大。眾所周知，混凝土面板是面板堆石壩的防滲主體，面板的開裂與否直接關(guān)系到工程的安全。</p><p>　　盡管混凝土面板堆石壩的安全性較高，但仍有許多工程出現(xiàn)了事故，如我國西北口面板堆石壩的面板出現(xiàn)了大量的結(jié)構(gòu)性裂縫；哥倫比亞的格里拉斯面板堆石壩的周邊縫止水結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞；我國溝后砂礫石面板堆石壩發(fā)生了潰決等等。這些事故發(fā)生的主要原因是面板在支撐體（堆石體）的變形

105、及混凝土的溫度應(yīng)力雙重作用下發(fā)生了開裂，以面板為主體的防滲系統(tǒng)的失效導(dǎo)致壩體在滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下產(chǎn)生了破壞。因此，充分了解施工期與運(yùn)行期面板的應(yīng)力變形狀態(tài)，研究混凝土面板堆石壩面板開裂機(jī)理及破壞過程，并合理預(yù)測(cè)混凝土面板開裂對(duì)大壩滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，以有限元為代表的數(shù)值仿真計(jì)算方法是研究混凝土面板的溫度應(yīng)力、分析大壩的滲流及應(yīng)力變形特性

106、的重要手段。本文通過通用軟件ADINA及相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，使之具備進(jìn)行混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及面板溫度應(yīng)力仿真計(jì)算的功能，是研究混凝土面板開裂機(jī)理的基礎(chǔ)，也是指導(dǎo)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的有效工具，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。軟件開發(fā)，是一個(gè)跨學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，涉及巖土力學(xué)、有限元理論、水工結(jié)構(gòu)與數(shù)值求解技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，具有重要的理論意義。</p><p>　　1.5.2 本論

107、文的創(chuàng)新之處</p><p>　?。?）在系統(tǒng)分析混凝土面板應(yīng)力變形特性的基礎(chǔ)上，基于斷裂力學(xué)進(jìn)行了面板開裂機(jī)理及破壞過程研究。</p><p>　?。?）針對(duì)面板縫隙的物理特性，以等寬縫隙水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律為基礎(chǔ)，研究建立了面板縫隙滲流計(jì)算模型。</p><p>　　（3）從巖土多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)隨體積應(yīng)變變化的函數(shù)關(guān)系式出發(fā)，推導(dǎo)建立了混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)

108、耦合分析的計(jì)算模型。</p><p>　　2 混凝土面板堆石壩溫度應(yīng)力仿真計(jì)算研究</p><p>　　國內(nèi)外學(xué)者專家在混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力仿真計(jì)算方面進(jìn)行了大量的研究，建立了準(zhǔn)確可靠的數(shù)學(xué)模型，提出了實(shí)用的計(jì)算分析方法，取得了豐碩的研究成果，對(duì)本文的研究具有重要意義。</p><p>　　2.1 混凝土水化熱溫升變化規(guī)律</p><p>