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混凝土面板堆石坝面板开裂机理及效应研究.doc

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混凝土 面板 堆石坝 开裂 机理 效应 研究
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摘要I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 :水工结构工程研 究 生:李炎隆 签 名: 指导教师:李守义 教授 签 名: 王瑞骏 教授 签 名: 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 渗西安理工大学博士学位论文II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AbstractIIITitle: Research on the Mechanism and Effect of Concrete FaceRockfill Dam CrackingMajor: Hydraulic Structure EngineeringName: Li Yanlong Signature: Supervisor: Prof. Li Shouyi Signature: Prof. Wang Ruijun Signature: AbstractCFRD has a lot of advantages such as 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 dam 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 an important topic related to the dam safety and operation characteristics. In our country,there are some achievements are obtained in the construction of CFRD in the last 20 years, but also some failures. Many accidents such as large number of structural concrete cracks in the XIBEIKOU concrete face rockfill dam ,the collapse of ZHUSHUQIAO concrete face rockfill dam,and the dam-failure of GOUHOU concrete face rockfill dam are clear to tell us that it has great significances to research on the mechanism and effect of the face-failure in CFRD.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 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 regions where the daily temperature difference and year temperature difference are very large. The results of research on the resons of the face rockfill dam craks at home and abroad showed that face slab cracks, especially penetrating cracks are mainly due to both uneven settlement of the dam and the temperature stress of face slab. Focusing on this problem, simulating the construction process of concrete face rockfill dam in this paper,the stress deformation finite element model is established which has considered temperature stress weight and water press etc. to comprehensively and systematically analysis the stress and deformation properties of concrete face slab. The mechanism of concrete slab cracks and the cracking process are analysed based on the basic principles of fracture mechanics. 西安理工大学博士学位论文IVThe stress and deformation properties and seepage characteristic of rockfill dam are analysed 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 on 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 soil medium and volumetric strain. And then the coupling analysis model of seepage/stress and finite element model of CFRD are established. Finally, use the model established to calculate the seepage field and coupling analyse of seepage/stress. The stress deformation distribution law of Gongboxia CFRD is predicted in the case of hypothetical face slab cracks. The comparative analysis of calculated and measured results show that the calculation method and calculation model is reasonable and accurate.With the 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 and 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.Key words: concrete face rockfill dam; face slab crack; cracking mechanism; seepage characteristic; stress and deformation properties目录V目 录1 绪论 ....................................................................11.1 混凝土面板堆石坝发展概况 .............................................11.2 混凝土面板开裂机理研究进展 ...........................................21.2.1 面板开裂影响因素研究现状 .........................................21.2.2 混凝土面板堆石坝面板温度应力的研究现状 ...........................31.2.3 混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究现状 .............................41.3 混凝土面板堆石坝的渗流及应力变形特性研究进展 .........................61.3.1 混凝土面板堆石坝渗流特性研究现状 .................................61.3.2 混凝土面板堆石坝应力变形特性研究现状 .............................61.3.3 混凝土面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析研究现状 ...................71.4 本文研究内容和方法 ...................................................91.4.1 本文研究内容 .....................................................91.4.2 预期目标 ........................................................101.4.3 研究方法和技术路线 ..............................................101.5 研究意义及创新之处 ..................................................111.5.1 研究意义 ........................................................111.5.2 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 ...................................132.1 混凝土水化热温升变化规律 ............................................132.1.1 水泥水化热变化规律 ..............................................132.1.2 混凝土的绝热温升变化规律 ........................................132.2 热传导理论 ..........................................................142.2.1 热传导的基本微分方程 ............................................142.2.2 热传导方程的定解条件 ............................................152.3 混凝土面板温度应力分析的弹性基础梁法 ................................162.4 混凝土面板温度应力分析的有限元法 ....................................172.4.1 稳定温度场有限元分析 ............................................172.4.2 非稳定温度场有限元分析 ..........................................182.4.5 温度应力有限元分析 ..............................................212.5 混凝土面板的温度徐变应力 ............................................232.5.1 混凝土材料的徐变 ................................................23西安理工大学博士学位论文VI2.5.2 混凝土徐变应力分析 ..............................................252.6 公伯峡混凝土面板堆石坝面板温度应力仿真计算 ..........................272.6.1 公伯峡混凝土面板堆石坝工程概况 ..................................272.6.2 计算基本条件 ....................................................282.6.3 计算工况 ........................................................302.6.4 有限元计算模型 ..................................................312.6.5 计算结果分析 ....................................................312.6.6 计算结果与观测结果的对比 ........................................412.7 本章小结 ............................................................423 混凝土面板应力变形特性有限元分析 .......................................433.1 面板堆石坝应力变形数值计算的材料本构模型 ............................433.1.1 混凝土面板的本构模型 ............................................433.1.2 散粒体材料的本构模型 ............................................443.1.3 中点增量法 ......................................................453.2 混凝土面板与垫层之间的接触面 ........................................453.3 基于 ADINA 软件的面板堆石坝应力变形仿真计算 ..........................473.3.1 ADINA 软件的二次开发 ............................................473.3.2 ADINA 软件对几个关键问题的模拟 ..................................493.3.3 ADINA 软件计算流程 ..............................................503.4 公伯峡混凝土面板堆石坝应力变形有限元分析 ............................523.4.1 有限元计算模型 ..................................................523.4.2 计算参数 ........................................................523.4.3 计算工况 ........................................................533.4.4 计算结果分析 ....................................................533.4.5 计算结果与观测结果的对比分析 ....................................563.5 本章小结 ............................................................584 混凝土面板开裂机理及破坏过程研究 .......................................594.1 混凝土面板结构特征 ..................................................594.2 混凝土面板初始微裂缝的形成机理 ......................................614.2.1 面板与垫层结合关系的描述 ........................................614.2.2 面板微裂缝形成机理的定性分析 ....................................634.2.3 面板微裂缝形成机理的定量分析 ....................................644.3 基于断裂力学原理的混凝土面板裂缝破坏过程研究 ........................664.3.1 断裂力学的基本原理 ..............................................66目录VII4.3.2 应力强度因子的有限元计算方法 ....................................684.3.3 应力强度因子的线性拟合求解方法 ..................................704.3.4 混凝土面板裂缝断裂力学分析模型 ..................................714.3.5 混凝土面板裂缝扩展过程分析 ......................................714.4 本章小结 ............................................................725 面板开裂情况下堆石坝的渗流计算模型研究 .................................735.1 稳定渗流计算的基本理论 ..............................................735.1.1 达西定律 ........................................................735.1.2 稳定渗流的连续性方程 ............................................745.1.3 稳定渗流基本微分方程 ............................................755.1.4 稳定渗流基本微分方程的定解条件 ..................................755.2 三维稳定渗流有限元计算原理 ..........................................765.3 混凝土面板堆石坝面板缝隙渗流计算模型 ................................775.3.1 面板缝隙稳定流的运动规律 ........................................775.3.2 面板接缝的渗流计算模型 ..........................................785.3.3 面板裂缝的渗流计算模型 ..........................................805.4 混凝土面板堆石坝渗流有限元计算模型 ..................................845.5 应用工程实例 ........................................................855.5.1 计算工况 ........................................................855.5.2 有限元计算模型 ..................................................865.5.3 计算参数 ........................................................875.5.4 计算结果分析 ....................................................875.5.5 与实测结果的对比 ................................................905.6 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 .......................926.1 岩土多孔介质饱和渗流的基本规律 ......................................926.1.1 非稳定渗流的微分方程 ............................................926.1.2 非稳定渗流基本微分方程的定解条件 ................................966.1.3 有限元方程 ......................................................976.2 混凝土面板堆石坝渗流场与应力场的耦合原理 ............................986.2.1 渗流场对应力场的影响 ............................................986.2.2 应力场对渗流场的影响 ...........................................1006.3 面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的有限元方程 .......................1006.3.1 应力场有限元方程 ...............................................100西安理工大学博士学位论文VIII6.3.2 渗流场有限元方程 ...............................................1016.3.3 渗流场与应力场耦合分析的有限元方程 .............................1026.4 面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的步骤 .............................1026.5 应用实例 ...........................................................1036.5.1 计算模型 .......................................................1036.5.2 计算参数 .......................................................1046.5.3 计算结果分析 ...................................................1056.5.3 计算结果分析 ...................................................1056.6 本章小结 ...........................................................1087 结论与展望 ............................................................1097.1 结论 ...............................................................1097.2 展望 ...............................................................110致 谢 ..................................................................111参考文献 ................................................................112附 录 ..................................................................1181 绪论11 绪论1.1 混凝土面板堆石坝发展概况混凝土面板堆石坝(Concrete Face Rockfill Dam)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(J.B.Cook) 【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 40~50 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C.M.Roberts 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 【6~8】 。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 58.5m。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 233.2m。西安理工大学博士学位论文2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】 。1.2 混凝土面板开裂机理研究进展1.2.1 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
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