超高面板堆石壩面板結(jié)構(gòu)破損發(fā)生機(jī)制和模擬方法

我國的面板堆石壩建設(shè)技術(shù)正面臨向250m級及以上高度跨越發(fā)展的挑戰(zhàn)。近年來的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，面板的擠壓破損已經(jīng)逐漸成為影響高面板堆石壩安全的關(guān)鍵問題。目前，對這種問題發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識和評價(jià)方法研究尚不深入，尤其是還缺乏合理的數(shù)值模擬方法。本項(xiàng)目針對復(fù)雜加載條件下堆石體的流變特性和計(jì)算模型、運(yùn)行期壩體變形的發(fā)展規(guī)律、面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法以及面板擠壓破損發(fā)生機(jī)理等問題開展了深入地研究工作。主要取得了如下的成果： （1）進(jìn)行了復(fù)雜應(yīng)力變化情況下堆石料的多級三軸流變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流變具有硬化特性，提出了一個(gè)新的堆石料流變的累積規(guī)則，建立了可考慮堆石料應(yīng)力加載和流變耦合影響的計(jì)算模型； （2）基于計(jì)算接觸力學(xué)方法發(fā)展了一套適用于面板堆石壩的非線性接觸算法。該算法能夠?qū)Πl(fā)生脫空和大規(guī)?；频葟?fù)雜接觸狀態(tài)的接觸問題做出合理的模擬，具有很強(qiáng)的模擬不連續(xù)變形現(xiàn)象和處理非協(xié)調(diào)網(wǎng)格的能力； （3）構(gòu)建了一套可進(jìn)行混凝土面板破損現(xiàn)象模擬的數(shù)值計(jì)算方法。在該方法中，嵌入了可硬化的彈塑性模型用于模擬面板的壓損破壞，發(fā)展了彌散固定脆性裂縫模型用于模擬面板的結(jié)構(gòu)性張拉裂縫，引入了組合式模型用于反映鋼筋與混凝土間的相互作用； （4）總結(jié)分析了國內(nèi)外典型超高面板堆石壩工程中發(fā)生的面板擠壓破損現(xiàn)象及特征，論證了面板縱縫轉(zhuǎn)動接觸擠壓效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動擠壓和軸向擠壓均可在縱縫兩側(cè)面板表面部位引發(fā)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，是導(dǎo)致面板發(fā)生擠壓破損的本質(zhì)原因。 本項(xiàng)目的研究工作緊密結(jié)合我國高土石壩工程的實(shí)際，研究成果已經(jīng)應(yīng)用于天生橋一級、水布埡、洪家渡、古水等高面板堆石壩工程以及紅石巖堰塞壩和如美心墻堆石壩等重大土石壩工程。 2100433B

隨著我國西部水電開發(fā)進(jìn)程的加快，一大批超高面板堆石壩正在規(guī)劃設(shè)計(jì)之中。工程經(jīng)驗(yàn)表明，面板結(jié)構(gòu)性破損問題是影響超高面板堆石壩安全的核心問題。本項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括，進(jìn)行分級加載三軸流變試驗(yàn)，研究復(fù)雜加載條件下堆石體的流變特性和計(jì)算模型，結(jié)合工程實(shí)測成果揭示運(yùn)行期壩體變形的發(fā)展規(guī)律?；诮佑|力學(xué)理論，發(fā)展適用于面板堆石壩的非線性接觸計(jì)算方法，能夠?qū)Π摽蘸痛笠?guī)模滑移等復(fù)雜接觸狀態(tài)的接觸問題做出合理的模擬。發(fā)展超高面板壩面板結(jié)構(gòu)破損數(shù)值計(jì)算方法及程序系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際高面板堆石壩工程觀測成果，探討超高面板堆石壩面板結(jié)構(gòu)破損的發(fā)生機(jī)制和變形控制標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國面板堆石壩建設(shè)技術(shù)正面臨向250m級及以上高度跨越發(fā)展的挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目研究成果在揭示超高面板堆石壩面板破損發(fā)生機(jī)制、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及合理評價(jià)工程的安全性等方面具有指導(dǎo)作用，具有較大的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。

我國西南地區(qū)正規(guī)劃建設(shè)多個(gè)300m級超高面板堆石壩，而該地區(qū)地震活動頻繁且烈度較高，一旦遭遇強(qiáng)震，將可能產(chǎn)生堆石體震陷、滑坡，進(jìn)而導(dǎo)致面板破損、防滲功能喪失等嚴(yán)重災(zāi)害。本研究擬發(fā)展筑壩堆石料廣義塑性本構(gòu)模型，集成混凝土彈塑性損傷模型及庫水-大壩流固耦合等分析技術(shù)，建立強(qiáng)震作用下超高面板壩彈塑性損傷漸進(jìn)破壞分析方法。研究超高面板壩面板地震響應(yīng)特性及規(guī)律，揭示面板損傷開裂模式及破損機(jī)制，據(jù)此提出高韌復(fù)合面板新概念。采用室內(nèi)加載試驗(yàn)，揭示高韌混凝土-普通鋼筋混凝土工作機(jī)理及破壞機(jī)制，提出高韌復(fù)合面板計(jì)算模型，優(yōu)化高韌復(fù)合面板的范圍及尺寸。研究永久水平縫對面板地震應(yīng)力及其破損程度的影響，探明面板與墊層間加筋的抗錯(cuò)臺作用機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，提出局部采用高韌復(fù)合面板、高應(yīng)力區(qū)設(shè)置永久水平縫和面板后墊層內(nèi)加筋等多種措施的集成抗震對策，研究其對減緩面板高應(yīng)力和損傷程度的效果，闡明三者協(xié)調(diào)工作及相互作用機(jī)理。

我國西南地區(qū)正規(guī)劃建設(shè)多個(gè)300m級超高面板堆石壩，而該地區(qū)地震活動頻繁且烈度較高，一旦遭遇強(qiáng)震，將可能產(chǎn)生堆石體震陷、滑坡，進(jìn)而導(dǎo)致面板破損、防滲功能喪失等嚴(yán)重災(zāi)害。本項(xiàng)目采用三維有限元數(shù)值分析方法，對面板地震響應(yīng)特性開展了系統(tǒng)研究，確定了面板高應(yīng)力區(qū)范圍，指明了面板抗震薄弱部位。引入混凝土多軸強(qiáng)度準(zhǔn)則，改進(jìn)了面板抗震安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)方法。采用基于堆石體和接觸面的廣義塑性模型的彈塑性分析方法，從面板受力狀態(tài)角度對面板動力破損形態(tài)、破損機(jī)理開展了系統(tǒng)研究。在此基礎(chǔ)上，引入混凝土共軸旋轉(zhuǎn)裂縫模型，對面板動力開裂、漸進(jìn)破壞過程進(jìn)行了模擬，闡明了面板動力開裂破壞特性。在上述研究成果基礎(chǔ)上，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和材料性能的提高兩個(gè)方面，提出了能夠大幅度提高面板抗震性能的工程對策，并利用數(shù)值分析方法定量評價(jià)了抗震措施的有效性。 本項(xiàng)目取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，發(fā)展了筑壩堆石料廣義塑性本構(gòu)模型，建立了強(qiáng)震作用下超高面板壩彈塑性損傷漸進(jìn)破壞分析方法。揭示了高面板壩面板高應(yīng)力區(qū)分布規(guī)律，確定了面板抗震關(guān)鍵區(qū)域，首次提出了可大幅降低面板地震應(yīng)力的水平抗震縫及其設(shè)置范圍。發(fā)展了基于混凝土多軸強(qiáng)度準(zhǔn)則的面板安全評價(jià)方法，從面板多軸受力特性角度闡明了面板動力破損機(jī)理，指明了單軸強(qiáng)度準(zhǔn)則在判別面板安全性時(shí)的局限性。提出了一種具有動力抗裂性能的新型面板結(jié)構(gòu)形式，發(fā)展了既可以模擬材料應(yīng)變硬化特性、又可以模擬材料應(yīng)變軟化特性的面板非線性分析方法，利用該方法定量評價(jià)了普通面板和新型面板的抗震性能。以上成果為我國300m級高面板堆石壩抗震設(shè)計(jì)提供了理論支撐。 2100433B