考虑堆石流变特性的面板坝三维有限元分析

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1、第一章绪论1．1研究的目的和意义碾压式混凝土面板堆石坝是20世纪60年代后期国际坝工界在扬弃传统的抛填式面板堆石坝优缺点的基础上逐步发展起来的一种新兴坝型。以其投资省、工期短、安全性好、就地取材、施工方便、导流简易、适应性广等优点，受到国内外坝工界的普遍重视。混凝土面板堆石坝(CFRD)由防渗体、垫层区、过渡区、堆石区四部分组成，其中过渡区和堆石区又可合称为堆石体。上游面板是防渗体，用来防止上游的库水通过坝体向下游渗漏，其材料可以用钢筋混凝土材料或者沥青混凝土材料等。挚层区位于防渗体与过渡区之间，由高密实度的碾压的小粒径砂组成，该部

2、分为面板提供了一个平整的浇注平面，并将水压力均匀地向过渡区及堆石区传递，缓和堆石区变形对面板的影响。过渡区位于垫层区与堆石体之间，用以实现垫层与堆石的过渡。堆石体一般由级配合理的大小块石堆筑而成，占面板坝体积的绝大部分，块石与块石之『自J不采用水泥砂浆或水泥石灰砂浆等胶结材料填充，因而块石之问存在有空隙，不相互胶结仅相互接触。面板堆石坝在承受水压力、地震力和其它荷载等作用下，主要依靠堆石的重量和抗剪强度来保持整个坝体的稳定。中国最早的堆石坝是1957年建成的狮子滩混凝土重力墙式的抛填堆石坝，最早的面板堆石坝是1966年建成的贵州百花

3、水电站大坝，高48．7m系抛填堆石，坝轴线上游有干砌石垫层，上游坡坡比为l：0．6，混凝土面板支撑在埋入基岩的混凝土基座上，这种坝型没有得到发展。中国以现代技术建设面板堆石坝始于1985年，面板堆石坝具有工期短、造价低、安全性好等优点，因而得以不断发展。但是真正导致它飞速发展的原因是60年代末重型振动碾分层碾压堆石方法的采用，使得经过良好碾压的堆石具有较高抗剪强度和较小变形，解决了因堆石变形过大而导致挡水面板开裂，造成严重漏水及一系列危及坝身的问题，满足了面板及坝体正常运行的要求。迄今为止，全世界高于50m的混凝土面板堆石坝中建成的

4、为152座，在建的为34座，仍在可行性研究阶段且以混凝土面板堆石坝为首选坝型的为32座。混凝土面板堆石坝在中国虽然起步较晚，但从上世纪八十年代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，无论从建坝数量，还是建坝高度都处于世界前列。混凝土面板堆石坝的设计和施工在较大程度上依赖于工程经验，但随着对筑坝材料的工程特性以及大坝应力变形模拟技术的深入研究，理论成果在工程设计和工程运行管理中的指导作用已越来越大，特别是对于l河海大学硕士学位论文200m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，还没有成熟的工程经

5、验可循，理论研究成果就成为工程设计的重要依据。混凝土面板堆石坝的结构分析可采用线弹性有限元法、非线性有限元法和弹塑性有限元法等。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面板堆石坝结构的工作性态，然而，堆石料既不是弹性体，也不是塑性体，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，通常把这种材料特性称为流变性。混凝士面板堆石坝的重要问题还是怎么解决好坝体的变形量。流变对坝体变形的影响主要体现在时间因素上，很多面板堆石坝在完建后几年甚至几十年后其沉降仍然继续。因此在考虑流变影响的基础

6、上解决面板堆石坝的变形问题，对面板堆石坝在我国的发展有重要意义。1．1．1面板堆石坝的发展简史自开始建筑堆石坝以来，随着经验的积累，新型施工机械的制成，堆石坝的设计和施工技术以及坝的结构形式都得到不断的发展，面板堆石坝的发展经历了一个多世纪，11]1其大致经历了以下三个阶段‘1：(1)初期阶段1850年至1940年为初期阶段。美国加利福尼亚希拉山脉的会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

7、坝有美国1925年建成的高84m的狄克斯河(DixRiver)坝和1931年建成的高100m的盐泉(SaltSpring)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。(2)过渡

8、阶段1940年至1965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，导致渗漏问题同趋严重{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。1940年以后，面板堆石坝逐步被土质