浅论混凝土面板堆石坝应力应变及面板裂缝成因研究

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1、中国科学院研究生院博士学位论文混凝土面板堆石坝应力应变及面板裂缝成因研究姓名：罗先启申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：葛修润20030101摘要本文以国内第一座现代面板堆石试验坝一西北口面板堆石坝和目前世界上最高的面板堆石坝一水布埂面板堆石坝作为研究对象，分三个方面对面板堆石坝的应力应变特性进行研究。这三个方面分别是混凝土面板堆石坝应力应变分析基本理论及其应用、面板堆石坝力学性能的非线性预测与控制、混凝土面板堆石坝裂缝成因分析。其主要研究内容为:Nl讨论了堆石体的非线性弹性模型和弹塑性模型。并对国内普遍采用的沈珠江双屈服面模型进行了详细推导。证明沈珠江双屈服面模型所给出的本

2、构关系中的弹塑性矩阵只有在特定条件下才能成立。而此特定条件通常是不成立的。简单介绍了广义塑性理论。讨论了面板堆石坝状态非线性问题。建立了面板与面板间、面板与趾板问、面板与垫层间的接触问题的本构模型。给出了面板堆石坝不同计算模型中各种加卸荷判据、强度条件。建立了面板堆石坝应力应变分析的基本理论体系[2l讨.i仑了改进的予处理共扼斜量法，并将其应用到面板堆石坝非线性有限元程序中。给出了模拟面板堆石坝筑坝过程的有限元迭代格式。对面板堆石坝非线性有限元分析中卸荷情况下非线性求解的收敛性问题、堆石坝逐级加荷过程的模拟问题、有限元计算的初始条件、单元破坏后的修正等问题进行了讨论，并提出了处理措

3、施。给出了面板堆石坝非线性有限元程序的设计框架，编制了面板堆石坝三维非线性有限元程序。[3】严格按照水布娅面板堆石坝构造要求，考虑每层堆石填筑高度，考虑面板三期施工及其所有板间缝和周边缝，考虑蓄水过程，采用改进PCCG求解器提高计算速度，从而使计算规模大大提高。较好地解决了软硬接触带来的病态问题和训算速度与精度问题。[4]利用改进的动量一自适应学习速率调整算法(BP模型)，采用六个“4-10-1”模型取代一个“4-10-6”模型，预处理的方法是改变变量的记数方法(同一类变量乘以或除以10的整数倍)，根据规范确定的面版允许挠度对参数E的取值进行控制，并应用E的控制值对面板堆石坝的变形

4、进行预测。应用遗传算法与BP网络相结合的方.法，以水布娅面板堆石坝的设计控制指标和面板允许挠度为目标，对面板堆石坝工程的设计参数一干容重rd和压缩模量E进行控制研究。[5】从施工期面板所受荷载的分析人手，详细研究了面板在开裂前的弹性温度应力的大小及分布规律，开裂的条件及开裂后的裂缝分布规律，并从硅材料及施工过程出发，结合部分实测资料，详细论述了西北口面板堆石坝混凝土面板的施工质量及抗裂能力。基本上弄清了西北口面板蓄水前产生裂缝的原因，提出了可供其它工程借鉴的防止面板裂缝的措施。关键词:面板堆石坝、非线性弹性模型和弹塑性模型、沈珠江双屈服面模型、改进的予处理共扼斜量法、面板堆石坝三维

5、非线性有限元程序、人工神经网络、遗传算法、面板裂缝成因AbstractTheXibeikouConcreteFaceRockfillDam(CFRD)thatisthefirstoneinChinainmoderntimesandtheShuibuyaCFRDthatisthehighestoneintheworldwasselectedasresearchobjects,thisthesisresearchedonstressandstraincharacteristicsofCFRDfromthreeaspects.Thethreeaspectsarethebasictheor

6、yonstressandstrainanalysisanditsapplicationtoCFRD,nonlinearpredictionandcontroltomechanicscapabilityofCFRDandtheanalysisofthecauseofcrackformationofCFRD.Thesearethemainresearchcontents:Firstly,nonlinearelasticmodelandthenonlinearelastic-plasticmodeloffillrockwerediscussed.TheShenzhujiang'stwo-

7、yield-surfacemodelappliedwidelyinChinawasdetailedlydeducedanditwasprovedthattheelastic-plasticmatrixintheconstitutiverelationshipofthemodelexistedundercertainconditionsthatgenerallydidnotexist.Thegeneralizedplastictheorywassimplyintrodu