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高面板堆石坝流变特性研究

梁军  
【摘要】: 本文根据混凝土面板堆石坝的发展历程与研究状况,指出堆石流变无论是实际应用还是理论分析都有必要进行深入的研究。 根据流变试验及其资料分析,建立了与应力状态有关的四参数流变模型。通过分析单向蠕变试验和三轴流变试验成果,得出堆石的体积流变和剪切流变规律是一致的结论,因而可以采用同样的关系式进行描述。从理论上深入论证分析了堆石流变的机理,对于堆石这种非自然存在的散粒材料,其流变与土体的次固结相类似,产生堆石流变的主要原因是颗粒破碎细化、滑移充填孔隙所致。通过试验研究,将堆石颗粒的破碎分为主压缩变形破碎和流变破碎二种,分别对应于堆石在外力作用下的振动密实和伴随流变的颗粒细化。流变破碎与应力环境和时间都有直接关系,根据外力塑性功与塑性变形能等量的原则,建立了流变破碎率与塑性功的定量关系,有助于进一步了解堆石弹塑性本构模型与颗粒破碎之间的关系。 堆石作为面板坝的主体,影响其流变的因素颇多且十分复杂,既有内因也有外因,根据试验、原型观测资料对内外因素所做的分析,本文提出了流变与河谷形状等外因、流变与坝体常规物理力学指标等内因的定量关系和影响堆石流变的多因素综合表达式,由此建立了堆石流变与堆石常规物理力学指标(如干密度、压缩模量、软化系数、孔隙比等等)之间的联系。内因是指堆石料的岩质岩性、密实程度、施工参数等组成坝体的各种力学性质;外因是坝址所处的基础条件和两岸的地形地质等条件、河谷形状、水库水位的变化、降雨浸润等因素。对于高面板堆石坝,从变形的长期性来看,应取消利用料区,改变任意料都可以上坝的陈旧观念;在坝体分区设计与施工填筑上,不应降低次堆石区的填筑标准,或者主堆石区与次堆石区的填筑标准不能相差太大,以免后期产生过大的流变变形或变形差。 堆石流变将引起抗剪强度的变化,本文分析了堆石长期强度随时间发生变化的现象。在最初的流变加速期,软弱颗粒逐步破碎细化,强度是衰减的;进入流变稳定变形期后,细化颗粒向粒间孔隙滑移充填,堆石的密实度有所提高,强度又呈缓慢增长趋势。依据双曲线应力应变关系,假设堆石结构强度C与内摩擦角φ的变化规律相同,剪应力与法向应力的变化规律相同,得出堆石长期强度的求解方法与过程。从而分析评价堆石体的长期稳定性。 本文比较了一些描述岩土体应力应变本构关系的弹性模型、弹塑性模型和粘弹塑性模型。认为堆石受外力作用将不可避免地产生剪胀和颗粒破碎,堆石的应力与变形及其特性就是在剪胀和颗粒破碎的双重作用下发生的。因而,堆石流变计算模型应以弹塑性模型为基础,并考虑剪切流变与体积流变与时间适当的变化关系。本文采用殷宗泽双屈服面模型与堆石流变的负指数变化关系式,研究堆石的应力与流变关系,并 推导了相应公式。 在流变参数确定方面,由于室内试验的试样尺寸、时间比尺和颗粒破碎很难模拟 现场条件,根据室内试验直接确定堆石的流变参数是困难的。通过比较经验类比法、 直接试验方法、元件组合(现象学)方法、原型观测方法、直接反分析等几种参数选 择方法的适用性和特点,认为这些方法均有一定的局限性。因此,本文提出了全面考 虑堆石流变影响的“参数综合辩识法”,该法的特点是理性与感性、定性与定量的互 相交又、互相结合甚至多次重复判别,符合工程界目前参数选择的一般做法。“参数 综合辩识法”是通过感性认识(如试验、反演)取得基本结果;再按照经验判断、类 比(结合面板坝的内外影响因素)得到初步结果;最后综合分析、评判与调整选定流 变参数,得出最终的计算采用值。 作为应用实例,本文首先对澳大利亚Cethana坝和天生桥一级坝流变参数进行有 限元反馈分析。以变形控制优良的Cethana坝为上限,天生桥坝为控制下限,并采用 “参数综合辩识法”对Cethana坝、天生桥坝与新坝(紫坪铺坝)的各种因素进行综 合辩识,最后得出可用于紫坪铺面板堆石坝的有限元流变分析参数值。然后对紫坪铺 水库面板堆石坝进行了模拟实际施工填筑和水库蓄水的“仿真”式流变分析与计算, 表明大坝结构设计与分级施工填筑方案是可行的,指出了坝工建设过程中应当重视的 一些问题和采取的一些措施,对设计、施工具有一定的指导意义。 最后,作者对今后需进一步研究的问题提出了建议。


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