超高面板堆石坝面板结构破损发生机制和模拟方法

我国的面板堆石坝建设技术正面临向250m级及以上高度跨越发展的挑战。近年来的工程实践经验表明，面板的挤压破损已经逐渐成为影响高面板堆石坝安全的关键问题。目前，对这种问题发生机理的认识和评价方法研究尚不深入，尤其是还缺乏合理的数值模拟方法。本项目针对复杂加载条件下堆石体的流变特性和计算模型、运行期坝体变形的发展规律、面板坝非线性接触数值模拟方法以及面板挤压破损发生机理等问题开展了深入地研究工作。主要取得了如下的成果： （1）进行了复杂应力变化情况下堆石料的多级三轴流变试验，发现流变具有硬化特性，提出了一个新的堆石料流变的累积规则，建立了可考虑堆石料应力加载和流变耦合影响的计算模型； （2）基于计算接触力学方法发展了一套适用于面板堆石坝的非线性接触算法。该算法能够对包含发生脱空和大规模滑移等复杂接触状态的接触问题做出合理的模拟，具有很强的模拟不连续变形现象和处理非协调网格的能力； （3）构建了一套可进行混凝土面板破损现象模拟的数值计算方法。在该方法中，嵌入了可硬化的弹塑性模型用于模拟面板的压损破坏，发展了弥散固定脆性裂缝模型用于模拟面板的结构性张拉裂缝，引入了组合式模型用于反映钢筋与混凝土间的相互作用； （4）总结分析了国内外典型超高面板堆石坝工程中发生的面板挤压破损现象及特征，论证了面板纵缝转动接触挤压效应的发生机制，发现转动挤压和轴向挤压均可在纵缝两侧面板表面部位引发严重的应力集中，是导致面板发生挤压破损的本质原因。 本项目的研究工作紧密结合我国高土石坝工程的实际，研究成果已经应用于天生桥一级、水布垭、洪家渡、古水等高面板堆石坝工程以及红石岩堰塞坝和如美心墙堆石坝等重大土石坝工程。 2100433B

随着我国西部水电开发进程的加快，一大批超高面板堆石坝正在规划设计之中。工程经验表明，面板结构性破损问题是影响超高面板堆石坝安全的核心问题。本项目的主要内容包括，进行分级加载三轴流变试验，研究复杂加载条件下堆石体的流变特性和计算模型，结合工程实测成果揭示运行期坝体变形的发展规律。基于接触力学理论，发展适用于面板堆石坝的非线性接触计算方法，能够对包含脱空和大规模滑移等复杂接触状态的接触问题做出合理的模拟。发展超高面板坝面板结构破损数值计算方法及程序系统。结合实际高面板堆石坝工程观测成果，探讨超高面板堆石坝面板结构破损的发生机制和变形控制标准。目前，我国面板堆石坝建设技术正面临向250m级及以上高度跨越发展的挑战。本项目研究成果在揭示超高面板堆石坝面板破损发生机制、优化设计方案及合理评价工程的安全性等方面具有指导作用，具有较大的理论意义和广阔的应用前景。

我国西南地区正规划建设多个300m级超高面板堆石坝，而该地区地震活动频繁且烈度较高，一旦遭遇强震，将可能产生堆石体震陷、滑坡，进而导致面板破损、防渗功能丧失等严重灾害。本研究拟发展筑坝堆石料广义塑性本构模型，集成混凝土弹塑性损伤模型及库水-大坝流固耦合等分析技术，建立强震作用下超高面板坝弹塑性损伤渐进破坏分析方法。研究超高面板坝面板地震响应特性及规律，揭示面板损伤开裂模式及破损机制，据此提出高韧复合面板新概念。采用室内加载试验，揭示高韧混凝土-普通钢筋混凝土工作机理及破坏机制，提出高韧复合面板计算模型，优化高韧复合面板的范围及尺寸。研究永久水平缝对面板地震应力及其破损程度的影响，探明面板与垫层间加筋的抗错台作用机制。在此基础上，提出局部采用高韧复合面板、高应力区设置永久水平缝和面板后垫层内加筋等多种措施的集成抗震对策，研究其对减缓面板高应力和损伤程度的效果，阐明三者协调工作及相互作用机理。

我国西南地区正规划建设多个300m级超高面板堆石坝，而该地区地震活动频繁且烈度较高，一旦遭遇强震，将可能产生堆石体震陷、滑坡，进而导致面板破损、防渗功能丧失等严重灾害。本项目采用三维有限元数值分析方法，对面板地震响应特性开展了系统研究，确定了面板高应力区范围，指明了面板抗震薄弱部位。引入混凝土多轴强度准则，改进了面板抗震安全评价标准及评价方法。采用基于堆石体和接触面的广义塑性模型的弹塑性分析方法，从面板受力状态角度对面板动力破损形态、破损机理开展了系统研究。在此基础上，引入混凝土共轴旋转裂缝模型，对面板动力开裂、渐进破坏过程进行了模拟，阐明了面板动力开裂破坏特性。在上述研究成果基础上，分别从结构设计的改进和材料性能的提高两个方面，提出了能够大幅度提高面板抗震性能的工程对策，并利用数值分析方法定量评价了抗震措施的有效性。 本项目取得了多项创新性成果，发展了筑坝堆石料广义塑性本构模型，建立了强震作用下超高面板坝弹塑性损伤渐进破坏分析方法。揭示了高面板坝面板高应力区分布规律，确定了面板抗震关键区域，首次提出了可大幅降低面板地震应力的水平抗震缝及其设置范围。发展了基于混凝土多轴强度准则的面板安全评价方法，从面板多轴受力特性角度阐明了面板动力破损机理，指明了单轴强度准则在判别面板安全性时的局限性。提出了一种具有动力抗裂性能的新型面板结构形式，发展了既可以模拟材料应变硬化特性、又可以模拟材料应变软化特性的面板非线性分析方法，利用该方法定量评价了普通面板和新型面板的抗震性能。以上成果为我国300m级高面板堆石坝抗震设计提供了理论支撑。 2100433B