水循环荷载作用下高面板堆石坝长期变形特性研究

某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究定培中;严敏;常敬雄【摘要】某在建面板堆石坝拟将现场开挖获得的砂砾石料筛除300 mm以上粒径组后作为上坝过渡料,筛除100 mm以上粒径组后作为上坝垫层料.此法获得的垫层料小于5 mm颗粒含量低于设计要求,垫层料与过渡料的级配包络线范围较窄且两者相差不大.由此造成垫层料与过渡料渗透性范围交叉覆盖,存在排水不畅,水力过渡不好组合的可能性.针对以上情况,对天然开挖筛分后垫层料掺入5 mm以下粒径组颗粒,以提高上坝垫层料小于5 mm颗粒含量,使其级配满足设计要求并提高其内部稳定性.掺配后的垫层料在反滤料的保护下,可以承受远超过渗流场计算得到的最大比降.本研究成果及现场工程实践表明,对垫层料掺配一定比例的细料,是类似条件工程中改善垫层区与过渡区水力过渡,提高反滤作用效果的有效途径.【期刊名称】《中国水利水电科学研究院学报》【年(卷),期】2016(014)006【总页数】6页(P454-459)【关键词】垫层料;过渡料;水力过渡;反滤;掺配【作者】定培中;严敏;常敬雄【作者单位】长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010;长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010;青海引大济湟水电建设责任有限公司,青海西宁810001【正文语种】中文【中图分类】TV641.4西北某在建水电站大坝为面板堆石坝，最大坝高114.5 m，坝顶长度424 m，坝顶宽10 m。

坝体分区包括垫层区、过渡区及主次堆石料区，见图1。

因砂砾石料场储量较少，拟将现场开挖获得的砂砾石料筛除300 mm以上粒径组后获得的土料作为上坝过渡料；筛除100 mm以上粒径组后获得的土料作为上坝垫层料。

由于以上方法获得的大坝填料其级配范围与设计要求有一定出入。

为了解此填料的渗透变形特性以及反滤保护效果，对其进行了渗透变形及反滤保护试验研究并提出填料改进措施。

本工程垫层料和过渡料为同一料场砂砾石料，仅控制其最大粒径不同，过渡料最大粒径300 mm，垫层料最大粒径100 mm。

W a t e r R e s o u r c e s a n dh y d r o p o w e r E n g i n e e r i n gV o l .36N o .2中国水利水电科学研究院的面板堆石坝数值分析研究的回顾与展望徐泽平(中国水利水电科学研究院,北京　100044)【摘　要】　主要介绍中国水利水电科学研究院在面板堆石坝数值计算分析方面的一些经验,以及有关峡谷地区高面板堆石坝、利用软岩修筑面板堆石坝和深覆盖层上面板堆石坝等方面的研究成果,同时还对面板堆石坝数值计算分析中需进一步研究的问题进行了讨论.【关键词】　面板堆石坝;数值分析;应力;变形;中国水利水电科学研究院中图分类号:T V 641.43 文献标识码:A 文章编号:1000-0860(2005)02-0039-05R e s e a r c h w o r k s o f I WH Ro nn u m e r i c a l a n a l y s i s o f C F R D :r e v i e wa n dp r o s p e c tX UZ e -p i n g(C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r R e s o u r c e s a n dH y d r o p o w e r R e s e a r c h ,B e i j i n g 100044,C h i n a )A b s t r a c t :S o m e e x p e r i e n c e s o f I WH R o nt h en u m e r i c a l a n a l y s i s o f C F R D a r ei n t r o d u c e dh e r e i n .I na d d i t i o n ,s e v e r a l r e -s e a r c hp r o j e c t s s u c h a s :h i g hC F R Db u i l t i nn a r r o wv a l l e y ,C F R Dc o n s t r u c t e dw i t hs o f t r o c k f i l l a n dC F R Dc o n s t r u c t e do n d e e p a l l u v i a l f o u n d a t i o na r e b r i e f l y i n t r o d u c e d .F u r t h e r m o r e ,s o m e p r o b l e m s t h a t n e e d t o b e f u r t h e r s t u d i e d a r e d i s c u s s e da s w e l l .K e yw o r d s :C F R D ;n u m e r i c a l a n a l y s i s ;s t r e s s ;d e f o r m a t i o n ;I WH R收稿日期:2004-07-11作者简介:徐泽平(1963—),男,教授级高级工程师,博士.1　概　述混凝土面板堆石坝是以堆石体为支承结构、并在其上游表面设置混凝土面板作为防渗结构的一种堆石坝形式.采用薄层碾压技术的现代面板堆石坝始于20世纪70年代,而中国于1985年也开始采用现代技术修建混凝土面板堆石坝.20多年来面板堆石坝的设计和施工技术取得了迅速的发展.在面板堆石坝的设计中,数值分析方法是一种有效的分析工具.通过数值计算分析,可以深入了解面板堆石坝在各种工况下坝体和面板的应力变形特性,预测坝体可能的变形与破坏形式,从而为坝体的结构设计与施工提供指导.伴随着中国面板堆石坝技术的发展,中国水利水电科学研究院(以下简称“中国水科院”)在面板堆石坝的数值计算方面进行了大量的研究工作.从中国第一座面板堆石坝———西北口面板堆石坝到目前在建的世界最高的面板堆石坝———水布垭面板堆石坝,中国水科院完成了大量实际工程的计算分析工作.表1所列为中国水科院参与计算分析的部分面板堆石坝工程.近些年来,在国家科技攻关项目和国电公司重点项目的资助下,中国水科院先后参加、完成了“200m 级高混凝土面板堆石坝关键技术研究”、“峡谷地区高混凝土面板堆石坝关键技术应用研究”、“利用软岩筑面板堆石坝关键技术应用研究”、“深覆盖层上面板堆石坝关键技术研究”、“超硬岩筑面板堆石坝关键技术应用研究”等项目的研究工作.同时,仍在继续进行“面板堆石坝长期变形特性研究”、“面板堆石坝湿化变形特性研究”、“面板堆石坝非连续变形分析方法研究”等项目的研究工作.39表1　中国水利水电科学研究院参与计算分析的部分面板堆石坝工程编号坝　名地点坝高/m筑坝材料1西北口湖北95灰岩2水布垭湖北233灰岩3天生桥一级贵州178灰岩4洪家渡贵州179.5灰岩5三板溪贵州185.56紫坪铺四川159砂岩、灰岩7吉林台新疆152凝灰岩8公伯峡青海130砂砾石9街面福建126重结晶坚硬泥岩、石英砂岩10芹山福建122凝灰岩11积石峡青海100黑云角闪片岩12龙首二级(西流水)甘肃146.5辉绿岩13九甸峡甘肃136.5灰岩14舍网浙江35.515溪口抽水蓄能电站上库浙江38.116溪口抽水蓄能电站下库浙江43.117张河湾抽水蓄能电站上库河北18西龙池抽水蓄能电站上库山西5219泰安抽水蓄能电站上库山东99.820十三陵抽水蓄能电站上库北京75安山岩21察汗乌苏新疆107.6砂砾石22云荞云南82.2灰岩23宜兴抽水蓄能电站上库江苏75石英砂岩夹泥岩24鱼跳重庆110砂岩25盘石头河南106砂岩、页岩26大坳江西90砂岩27柴石滩云南103白云岩2　数值计算分析方法2.1　堆石体的本构模型在面板堆石坝的设计施工中,堆石体的变形控制是影响坝体和面板工作性状的关键问题.就目前而言,有限元计算分析是进行面板堆石坝应力变形分析的主要手段,而材料的的本构关系又是有限元计算分析的核心问题之一,因此,堆石材料的本构模型对于面板堆石坝数值计算分析的结果有着至关重要的作用.在多年的计算分析实践中,中国水科院开发了基于多种本构模型的分析方法,其中主要包括:非线性弹性K-G模型、试验曲线插值模型和D u n c a n-C h a n g双曲线模型,目前正在进行基于剑桥弹塑性模型分析方法的开发.对于试验曲线插值模型,其模量的计算基于常规三轴试验的实测数据,通过插值计算的方法,由应力不变量、轴应变和八面体剪应变算出.模型的主要计算公式为 G=(Δτo c t/Δε1)/(Δγo c t/Δε1)(1)ν=(3/22)(Δγo c t/Δε1)-1(2)K=G(2/3)(1+ν)/(1-2ν)(3)σo c t=(σ1+2σ3)/3(4)J3=σ1(σ3)2(5)τo c t=(2/3)(σ1-σ3)(6)γo c t=(2/3)(3ε1-εν)(7)对于D u n c a n-C h a n g双曲线模型,在实际的计算中曾尝试了使用其E-ν模式和E-B模式.经计算分析比较,E-ν模式由于模量估算失真,计算结果与实测相差较大,因此,在堆石坝的分析中一般宜采用E-B模式.D u n c a n模型E-B模式的主要计算公式如下.切线弹性模量E t=K·P a·(σ3P a)n[1-R f(1-s i nφ)(σ1-σ3)2c c o sφ+2σ3s i nφ]2(8)切线体积模量B=K b·P a·(σ3P a)m(9)卸荷时,采用卸荷弹性模量E u r=K u r·P a·(σ3P a)n(10)式中,σ1和σ3为最大和最小主应力;P a为大气压力; c和φ为强度指标;R f为破坏比;K为弹性模量数;n为弹性模量指数;K b为体积模量数;m为体积模量指数; K u r为卸荷弹性模量数.在采用非线性弹性模型进行面板堆石坝的计算分析时,程序的处理上要注意各弹性常数间的相关关系.对于D u n c a n E-B模型,尤其要注意泊桑比ν的控制,过大或过小的ν值都将对计算结果的精度产生不利的影响.从大量计算分析的结果上看,由于堆石材料应力应变关系具有明显的非线性,因此,其本构模型必须准确反映这种非线性关系,线弹性模型对于堆石变形的计算是不适用的.另外,堆石料的剪缩特性对面板的应力有一定的影响,对于堆石剪缩特性的合理考虑,宜采用弹塑性模型.采用多屈服面、非关联流动法则的弹塑性模型将是未来面板堆石坝计算分析的发展方向,但这一类模型目前仍面临着试验方法特殊、计算参数类40水利水电技术　第36卷　2005年第2期水利水电技术　第36卷　2005年第2期比性差、以及计算复杂等问题.就目前而言,采用邓肯的E -B 模型并结合一些适当的修正,其计算分析的结果基本上是可信的,就工程实用的角度而言,其计算结果的精度也可以满足工程的要求.2.2　接触面及接缝系统的模拟在面板堆石坝的结构中,涉及到刚性的混凝土面板与散粒体堆石的相互作用面,以及面板纵缝、面板周边缝等接缝系统,因此,在面板堆石坝的数值计算分析中,需对坝体结构中各类不同材料的接触面和面板的分缝进行有效地处理.由于接触面两侧材料性质相差悬殊,在外力作用下,通常都会表现出与连续体不同的剪切滑移、脱开分离等特殊的变形特征,因此,在计算分析中需要采用特殊的单元来加以模拟,以准确、真实地反映坝体各部位相互作用的特性.在以往的计算分析中,接触面的模拟常采用无厚度的G o o d m a n 单元来模拟,其单元的受力变形与接触面两边节点的相对位移直接相关,对于G o o d m a n 单元,由于其无厚度的特性,在实际计算分析中,很难保证单元两侧的节点不发生相互嵌入的现象,而且法向劲度取值过大或过小对于计算的精度也会产生不利的影响.事实上,从实际工程的观测和试验室的试验中均可发现,在两种材料性质相差悬殊的介质之间,一般都会在材料性质相对较弱的一面形成一个薄层的剪切带,因此,采用薄层接触面单元来模拟不同材料之间的接触情况可能会更接近实际.对于薄层接触面单元,接触面上的变形可以分为基本变形和破坏变形两部分.在正常受力情况下,单元产生基本变形(ε′),其材料的本构关系与垫层料一致,薄层单元在计算过程中按普通实体单元参与计算.当剪应力达到抗剪强度产生了沿接触面的滑动破坏或接触面受拉产生了拉裂破坏时,单元产生破坏变形(ε″),破坏变形采用刚塑性假定,即假定接触面单元破坏前,接触面上无相对位移,当接触面发生张裂和剪切变形时,则相对位移将不断发展.对于接触面上的破坏变形(ε″),可以用下式表示Δε″s Δε″n Δγ″s n=0001E ″001G ″ΔσsΔσnΔτs n=C ″(Δσ)(11)式中,E ″和G ″分别是反映拉裂破坏变形和滑动破坏变形的模量参数.平行于接触面方向上的正应变由于受到混凝土的约束不会发生破坏,因此可取Δεs″=0,对应的,C ″矩阵中的相应元素取为0.接触面的总变形为基本变形和破坏变形的叠加(Δε)=(Δε′)+(Δε″)=C ′(Δσ)+C ″(Δσ)=C (Δσ)(12)对于面板之间的接缝,采用在分缝处设置双节点的分离缝单元模拟,缝单元采用无厚度形式.当接缝呈受拉趋势时,缝节点分离,两缝节点各自随垂直缝两边的面板单元位移;当接缝受压时,缝节点重合.对于趾板与面板之间的周边缝,则采用软单元的方式进行模拟.即在面板单元与趾板单元之间设置一个薄层软单元,当单元受压时,此软单元取混凝土材料的力学特性;当接缝受拉或受剪时,软单元则取为较低模量的柔性材料特性.需要指出的是,尽管薄层接触面单元在模拟接触面的剪应力传递和避免接触面两边介质的互相嵌入上具有一定的优势,但是,它对于接触面相互脱开的模拟仍存在缺陷.在未来的计算分析中,我们将进一步研究能够反映接触面非连续变形特性的界面单元的应用.2.3　施工及蓄水过程的仿真从大量的计算分析中可以发现,面板堆石坝的施工顺序及蓄水过程对于坝体的变形以及面板的应力有着明显的影响,因此,在计算分析中应真实地模拟坝体的实际填筑过程和面板的分期浇筑,尤其是坝体临时挡水断面及其后续填筑层的施工过程模拟.计算中每一填筑施工层作为一个增量荷载步进行迭代计算,水库蓄水的过程也应分成多个荷载步进行计算.计算分析的结果表明,在每一填筑施工层计算结束后,采用填筑层表面位移归零的处理方式,将会得到与观测结果较为一致的成果.在蓄水期,坝体堆石的上游侧由于水荷载的作用,主应力方向发生偏转,σ3数值明显增加,(σ1-σ3)数值减小,产生偏应力卸载现象.在蓄水期的计算中,应充分考虑这一卸荷过程,对相应的单元采用卸荷模量进行计算,以准确计算蓄水期面板的应力.3　工程应用研究在长期的面板堆石坝数值计算分析的实践过程中,中国水科院逐步形成并完善了一套完整的面板堆石坝应力变形分析技术,并进行了大量实际工程的计算分析和方案论证工作.其中包括面板堆石坝施工过程的仿真分析、岸坡地形对面板坝应力变形特性的影响分析、次堆石区坝料特性对坝体和面板应力变形特性的影响分析、面板堆石坝与坝基覆盖层的相互作用41分析、面板的温度应力与干缩应力分析、特殊结构形式(高趾墙、挤压式挡墙)的面板堆石坝应力变形分析等.以下所列为中国水科院近些年完成的部分面板堆石坝数值分析项目成果简介.3.1　利用软岩筑面板堆石坝对于坝高小于120m的面板堆石坝,采用软岩堆石(饱和抗压强度小于30M P a)作为筑坝材料,充分利用开挖料并提高料场的利用率,是面板坝工程中节约投资、缩短工期的重要途径.这项研究工作主要是通过对江西大坳面板堆石坝、重庆鱼跳面板堆石坝和河南盘石头面板堆石坝的数值计算研究,就软岩堆石分区对坝体应力变形特性的影响进行分析,并在此基础上提出软岩堆石分区布置和优化的一般原则.研究结果表明,对于软岩堆石料的利用,应保证软岩料区的下边界线在大坝运行时处于干燥区,以便坝体排水畅通,并避免软岩遇水产生湿化变形等;上边界线应保证其上游有不小于2m的新鲜硬岩填筑层;下游边界线应保证坝体下游边坡的稳定,且在其外侧留有不小于2m新鲜硬岩填筑区,以防止软岩料的继续风化;软岩堆石区的上游边界线应通过应力变形计算分析,在保证坝体施工期、运行期的沉降量以及面板的应力在合理范围内的前提下,尽量往坝体上游侧靠近,以期能够最大限度的利用软岩材料.3.2　峡谷地形下的面板堆石坝应力、变形特性研究对于峡谷地形条件下修建的高面板堆石坝,岸坡的约束和坝肩边坡的地形对于坝体和面板的应力和变形特性有着直接的影响,因此,在计算分析中,必须在综合考虑坝址地形条件的情况下,对坝体进行整体三维有限元计算分析.这项研究主要是通过数值计算的方法,结合179.5m高的洪家渡面板堆石坝工程,研究峡谷地形条件下高混凝土面板堆石坝的应力、变形特性.在计算分析中,通过考虑河谷地形和施工顺序对坝体及面板应力变形的影响,深入研究了洪家渡面板堆石坝在狭窄、不对称河谷地形条件下的应力、变形分布规律,以及面板周边缝的变形特点,并为坝体材料的合理分区及断面的优化设计提供依据.3.3　深覆层上的面板堆石坝对于修建于深覆盖层上的面板堆石坝,采用混凝土防渗墙构筑一道垂直防渗体系是工程中经常采用的有效方法.采用这样的防渗体系,防渗墙与上部坝体防渗体(面板)的连接将是整个防渗体系的关键部位.在这项专题的研究中,主要是通过对坝体和坝基整体结构在不同工况下应力变形的数值计算分析,深入研究覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性、深覆盖层对上部坝体变形的影响规律以及坝体—面板—趾板—连接板—防渗墙—覆盖层之间的静力相互作用性态,对工程的结构形式和设计方案作出论证.4　今后的研究工作4.1　面板堆石坝的长期变形研究近些年来,随着面板堆石坝坝高的不断增长,以及所采用的筑坝材料日益广泛,坝体的长期变形问题也日趋突出.对于面板堆石坝,其长期变形主要包括水库运行期蓄水荷载变化引起的变形以及堆石体的流变变形等.目前,关于坝体堆石流变变形的机理研究尚不成熟.一般认为,在堆石坝中,堆石颗粒之间接触紧密,颗粒接触点处的局部应力集中将可能导致颗粒的局部破坏,从而引起周围堆石体的应力重新分布,同时也可能会引起颗粒的重新排列.所有这些调整的过程,均需要一定的时间完成,因而就会造成变形随时间不断发展的过程.另外,随着时间的推移,堆石体内理、化条件的变化,也可能会导致堆石变形的发展.就工程实践而言,目前最为关心的还是工程竣工后,坝体的后期变形量及其对面板应力和位移形态的影响.对于蓄水荷载变化引起的变形,可以通过常规的方法进行计算分析.对于坝体堆石流变变形量的确定,则取决于计算分析中采用什么样的流变模型.目前,对于堆石的流变分析,主要有两种方法,一种是采用理论模型,如M a x w e l l模型、V o g i t模型和M e r c h a n t模型等;另一种是采用经验函数模型,如指数衰减函数、幂函数、双曲函数和对数函数等.采用不同的流变模型可以得出不同的流变变形,即使是对于同一种流变模型,不同的参数取值也会导致不同的流变计算结果.因此,在堆石的流变变形研究中,材料特性试验不可或缺.目前,中国水科院的大型高压蠕变试验仪即将投入使用.今后的数值计算分析研究中,将充分结合试验研究的相关成果,研究开发堆石流变分析模型及相关参数的测定方法,对面板堆石坝的长期变形特性进行深入地研究.4.2　堆石材料的湿化变形研究堆石材料由干燥状态遇水变为湿态时所产生的变42水利水电技术　第36卷　2005年第2期形称为堆石的湿化变形.堆石在湿化过程中所产生的附加变形将会使坝体位移和应力重新分布,在大多数情况下,它将会导致坝体的不均匀变形,从而对面板的应力产生影响.由于面板堆石坝的防渗层位于坝体上游面,在面板未发生大的裂缝和止水系统完好的情况下,水库蓄水的升降不会造成堆石的湿化,因此,常规的数值计算分析中一般不考虑堆石的湿化变形.但是,当因面板裂缝或止水破坏而导致库水渗漏时,在一定的条件下,堆石的湿化变形将有可能导致面板的进一步损坏.另外,对于高面板堆石坝,由于雨水入渗和下游尾水位变化所引起的堆石湿化变形也有可能对坝体的整体变形和面板的应力造成不利的影响.在今后的研究中,中国水科院将通过应力控制式的三轴试验仪,对各种堆石料的湿化变形特性进行研究,并在此基础上建立堆石坝湿化变形的计算模型和分析方法,以深入研究堆石湿化变形对面板堆石坝(尤其是高面板堆石坝)应力变形特性的影响.5　结　语本文结合中国水科院从事面板堆石坝数值计算分析的实践,针对面板堆石坝应力变形分析中的主要问题进行了简要的分析.随着面板堆石坝技术的发展,未来的工程设计与施工中所面临的问题也日趋复杂.尤其是随着坝高的增长,对以往的一些工程经验和设计准则需要予以重新考虑与分析.在今后的研究工作中,对于复杂工程条件下的面板堆石坝工程,数值分析方法将在迎接新的挑战的基础上不断发展,与此同时,数值分析方法与物理模型分析方法的结合,也将会成为新的发展方向(限于篇幅,本文中未包括动力数值计算方面的内容).参考文献:[1]　蒋国澄,傅志安,凤家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社.[2]　钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京:水利电力出版社,1994.[3]　I 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超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术问题混凝土面板堆石坝技术的不断发展，给中国的社会经济发展带来了良好的影响，而且混凝土面板堆石坝的建设和发展经历了一个非常长的过程，经过发展混凝土面板堆石坝的设计和施工方法也更加成熟，但是要想获得长久的发展，必须要深入的研究超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术。

一、中国高混凝土面板堆石坝的发展中国以现代技术修建混凝土面板堆石坝始于 1985 年。

第一座开工建设的是湖北西北口水库大坝，坝高为 95m，第一座建成的是辽宁关门山水库大坝，高度为 58.5m。

中国的现代混凝土面板堆石坝建设与国外相比，起步虽晚，但起点高、发展快。

根据中国大坝委员会的统计，截止到 2005 年底，中国已建成或在建的混凝土面板堆石坝有 150 多座，其中，坝高大于100m 的混凝土面板坝有 37 座。

2000 年建成的天生桥一级水电站大坝，坝高为 178m，在当时同类坝型中列居亚洲第一，世界第二，其库容、坝体体积、面板面积、电站装机容量等指标均居世界同类工程之首。

近些年来，中国又相继建成了高 179.5m 的贵州洪家渡混凝土面板堆石坝和坝高 185m 的贵州三板溪混凝土面板堆石坝等一批高混凝土面板堆石坝工程，而即将建成的湖北清江水布垭混凝土面板堆石坝，则是目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，坝高达到了 233m。

就目前的发展而言，中国的面板堆石坝建设无论是规模、数量和技术发展的程度都走在了世界的前列。

二、超高混凝土面板堆石坝的技术难点与研究方向随着我国西部水电开发进程的加快，未来将在金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏布江修建一批高坝工程。

由于这些地区地形、地质条件复杂，交通运输困难，缺乏防土料等因素，混凝土面板堆石坝坝型将可能是最为经济的选择，如古水、马吉、松塔和茨哈峡等工程。

这些工程的坝高一般都在 250 ～ 300m 左右，如选择混凝土面板堆石坝方案，则需要在 300m 级高面板堆石坝的工程特性及关键技术问题和运行特点方面进行深入细致的研究。

基于监测检验的大坝设计研究摘要：本文基于笔者多年从事水利工程设计的相关工作经验，以水利枢纽工程大坝结构设计为研究对象，论文首先分析了设计的需求，进而详细探讨了结构设计，最后给出了运行监测结果，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：水利枢纽工程混凝土面板堆石坝设计引言混凝土面板堆石坝对地形和地质条件都有较强的适应能力，并且施工方便、投资省、工期短、运行安全、抗震性好，因而其作为坝型选择具有很大的优势，面板堆石坝的发展也随之取得了很大的成功。

据统计，截至2006年，全世界建成在建及设计中，坝高超过50m的面板堆石坝共计约390座。

自1985年开始，中国利用现代技术修建混凝土面板堆石坝虽只有20多年，但数量、规模和技术等方面均处于世界前列，总数已超过40％。

这些坝为面板堆石坝在抗冻、抗裂等方面的技术，为面板堆石坝的发展提供了非常宝贵的经验。

1 工程简介某水利枢纽工程位于山东某干流上，坝址以上流域面积2970km2，多年平均年径流量12.08亿m3，总库容为2.105亿m3，电站装机为60MW，工程等别为Ⅱ等。

枢纽工程由混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道、发电引水系统及电站厂房等建筑物组成。

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长270m，坝顶高程547.40m，防浪墙顶高程548.40m，坝顶宽6m，最大坝高56.60 m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.3。

混凝土面板厚度0.3～0.5 m，址板厚0.8 m。

坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区，在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区，如图1所示。

图1坝体断面图该坝址日内温差大，孔隙水结冰充分，冻融循环次数多，面板不仅要有足够的强度和防渗性、耐久性、抗冻性等，柔性及嵌缝材料、橡胶止水带等也必须有较高的特殊要求，因此面板、趾板等关键部位的材料选择、结构设计与施工是本工程的重要环节。

2 坝体设计选料要求2.1 面板混凝土原材料及性能指标由于面板混凝土的耐久性直接决定面板的寿命，而耐久性又受日晒、风吹、雨淋、冲刷抗冻融及碳化、疲劳、溶蚀、各种有害离子的化学反应、钢筋锈蚀膨胀等各种内、外因素影响，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期内能反映出来，因此合理选择混凝土原材料，是保证其耐久性正常发挥、增加面板寿命的主要措施。

水利施工中面板堆石坝坝体填筑施工技术探讨发布时间：2022-08-18T01:54:11.440Z 来源：《中国建设信息化》2022年8期作者：文维[导读] 众所周知，水利工程作为调节水利、防洪灌溉的重要设施，可以防止自然灾害的发生，在人们生活生产中发挥着重要作用。

堆石坝坝体主要由堆石填筑材料组成，其依托材料间的相互依附与咬合，文维盘州市水利投资有限责任公司摘要：众所周知，水利工程作为调节水利、防洪灌溉的重要设施，可以防止自然灾害的发生，在人们生活生产中发挥着重要作用。

堆石坝坝体主要由堆石填筑材料组成，其依托材料间的相互依附与咬合，从整体上保障大坝的稳定性。

本文主要对水利施工中面板堆石坝坝体填筑施工技术进行探讨，详情如下。

关键词：水利施工；面板；堆石坝；坝体填筑；施工技术引言面板坝由于自身的特性，会趋向于稳定和安全，设计坝体时均会考虑自由排水功能，因此其他类型坝体经常出现的通病、隐患等在面板坝坝体中很少出现。

面板坝坝体中出现的通病有面板开裂、接缝局部张开、止水结构功能丧失等。

面板坝坝体中出现上述情况无需特殊处理，处理方式较为简单，在通病区开展接缝止水操作即可。

当前国内有很多面板坝，尚未出现由于其整体失稳导致安全故事的情况。

严格控制堆石坝坝体填筑施工质量，全面提升填筑效果意义重大，施工过程中应制定有针对性的控制质量措施，不断提升其建设质量，为面板坝的平稳运行奠定坚实的基础。

1面板坝优势①建材来源广，可以就地取材，缩短建设周期;②物料利用率高，消耗性建材如钢筋、水泥等使用较少，节约建筑成本;③施工过程机械化程度较高，坝体坚固可靠。

2水利施工中面板堆石坝坝体填筑施工技术2.1合理规划料场位置在堆石坝施工中需要用到大量回填料，需要有专门的堆放场地，料场位置规划是否科学合理，直接关系到堆石坝施工的进度和质量。

因此，在堆石坝施工前必须结合水利工程现场情况，加强选址和规划。

为保证施工质量和进度，从时间、空间、质量３个方面入手来规划料场位置。

ABSTRACTConcrete face rock-fill dam (hereinafter referred to as CFRD) has been 100 years of development history. Its main technical features include: thin layer plate, vibrating compacted rock-fill, semi permeable base course, filmy toe board, sliding casting and vertical parting casting thin strip of concrete face, multi-channel and multi-function joint sealing structure and material etc. CFRD is a competitive new type because of its excellent safety, economy, adaptability, high dams with large reservoirs, has been used in a large number of rivers on the large hydropower station.Our country started the first concrete faced rock-fill dam in 1985, combined with the construction of concrete faced rock-fill dam in 30 years, the material properties, numerical analysis and model test study is scientific research series, made a series of achievements in the concrete face rock-fill dam design theory and engineering practice. But as a high concrete faced rock-fill dam also has many needs further to study, such as how to correctly predict the deformation trend of dam body under various operating conditions, to ensure that the design and optimization of the dam, on the basis of the panel force uniform has become one of the key problems in design.Combining the engineering characteristics of high concrete face rock-fill dam QBT water conservancy hub of Xinjiang, through the three dimensional nonlinear finite element analysis of narrow valley, super high concrete faced rock-fill dam stress and deformation analysis, the main contents include:(1) The inductive factors related to the summary of the impact of engineering properties of rock-fill material, and from the view of engineering practice, review the application analysis model.(2) Analysis of the working characteristics of the system and the contact characteristics of slab joints of concrete face rock-fill dam rock-fill and concrete is studied and the simulation algorithm is proposed, the numerical calculation and analysis of concrete face rock-fill dam in different material friction contact and panel joint systems.(3) Range of parameter values, statistical induction of conventional hard rock rock-fill materials is presented in this paper, the research on concrete face rock-fill dam material parameter calculation of rock-fill materials, by means of numericalcomputation, the stress and deformation properties of the comprehensive analysis and study of high concrete face rock-fill dam built in the narrow valley, from feasibility analysis of stress and deformation of the dam structure design perspective.(4) According to the characteristics of QBT water conservancy concrete face rock-fill dam site topography, geological conditions, combining with the analysis of three dimensional nonlinear finite element calculation, proposes the structure of high concrete face rock-fill dam design of narrow valley topography, based on geological conditions.KEY WORDS:Concrete face rock-fill dam, Nonlinear FEM, Stress and deformation, Constitutive model目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)第1章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 混凝土面板堆石坝设计研究现状 (3)1.2.1 堆石料的模型参数试验方面 (4)1.2.2 应力应变分析方面 (5)1.2.3 稳定分析方面 (6)1.2.4 大坝观测方面 (6)1.3 论文研究的主要内容 (6)第2章 QBT水利枢纽混凝土面板堆石坝设计 (8)2.1 工程背景 (8)2.2 坝址工程地质概况 (8)2.3 混凝土面板堆石坝结构设计 (9)2.3.1 大坝坝面结构设计 (9)2.3.2 坝坡设计和坝体填筑材料分区 (10)第3章混凝土面板堆石坝数值分析方法 (12)3.1 引言 (12)3.2 堆石的工程力学特性 (13)3.2.1 堆石材料的级配特征 (13)3.2.2 堆石的压缩变形特性 (14)3.2.3 堆石的强度 (15)3.2.4 砂砾石材料的工程特性 (16)3.3 堆石材料的本构模型 (17)3.3.1 非线性弹性模型 (17)3.3.2 弹塑性模型 (20)3.4 堆石本构模型的应用评价 (23)3.5 混凝土面板堆石坝接触面与接缝系统的工作特性 (23)3.6 混凝土面板堆石坝接触面与接缝系统的数值模拟 (25)3.6.1 接触面的模拟 (25)3.6.2 接缝的模拟 (27)第4章 QBT水利枢纽混凝土面板堆石坝应力变形分析 (28)4.1 工程布置 (28)4.2 筑坝材料计算参数拟定 (29)4.3 计算方案 (34)4.4 计算结果分析 (35)4.4.1 计算结果及分析（方案1） (36)4.4.2 计算结果及分析（方案2） (45)4.4.3 计算结果汇总 (56)4.5 计算分析结论 (56)第5章结论与展望 (58)5.1 结论 (58)5.2 展望 (60)参考文献 (62)发表论文和参加科研情况 (64)1.发表论文 (64)2.参加科研 (64)致谢 (65)第1章绪论1.1 研究背景及意义混凝土面板堆石坝始建于美国，英文缩写为CFRD，最早的混凝土面板堆石坝为建于19世纪末期的Movena坝，坝高54米，至今已有一百多年的历史。

水利工程混凝土面板堆石坝病害及其除险加固技术摘要：目前，我国在混凝土面板堆石坝的建设方面已小有成就，但不可否认的是混凝土堆石坝在使用过程当中也出现了一些病害，比如说面板塌陷、面板挤压破坏等等，严重者会直接影响到大坝的安全使用。

因此本文将对水利工程当中混凝土堆石坝的病害进行简要分析，并为其提出除险加固的建议，力求推动我国水利工程的进一步发展。

关键词：水利工程；混凝土面板堆石坝；除险加固一、面板堆石坝主要病害形式及特点（一）面板挤压破坏近年来高压面板堆石坝问题频出，其主要是由于水平挤压破坏和垂直缝挤压破坏。

比如说我国的紫坪铺以及天生桥一级以及巴西的坎波斯诺沃思面板堆石坝都受到了上述问题的影响。

一般来说，在蓄水初期的压性垂直缝上是最容易发生垂直挤压迫害的，如果堤坝超过了一定的高度，还有可能会因为其高度超标而引发渗透量增大或者是水平向挤压的现象。

以坎波斯诺沃斯为例，其在发生挤压之后面板堆石坝发生破坏，进而导致渗透量急剧上升，已达到了正常水平的40余倍。

这是由于蓄水期堤坝的负荷加重，而在前期施工时工程队主要对上游堆石区进行加固却未对下游堆石区进行加固，进而导致上游与下游堆石体的承压承力不同，最终变形程度不一，导致垂直缝发生挤压破坏。

面板内沿水平向的挤压破坏与沿水平施工缝的挤压破坏都属于水平挤压向破坏。

一般来说纵向的施工缝所能够承受的结构抗力更大，但由于现有施工技术的制约以及施工具体情况的影响，因而在施工时所留下的施工缝面大多是水平向的。

在蓄水期由于水体对大坝的冲击，大坝极易出现变形现象，大坝在变形之后很可能会改变原有的施工缝的形状。

而此时面板会出现脱空不均匀或是脱空过大的现象，直接导致面板出现水平向挤压破坏。

（二）面板裂缝一般而言，有两种情况会造成面板裂缝，一种是结构性裂缝，另一种是非结构性裂缝。

结构性裂缝是指面板受到水压力或者是填筑体自重等客观因素的影响，进而导致面板受力不均匀、坝体出现不均匀沉降。

由于面板的硬度较强，若是其支撑条件发生了变化或是受到了外力的影响都可能改变其自身结构，进而出现裂缝。

水利工程中面板堆石坝的关键技术1 我国在面板堆石坝方面的研究我国在混凝土面板堆石坝的材料特性研究、本构关系模型建立和数值计算方面居世界先进水平。

面板堆石坝的材料性质与以往有所不同；而刚性的厚度很薄的混凝土面板与堆石料及垫层过渡料之间的接触面及其相互作用是这种坝型的关键技术问题。

所以各种接触面的本构关系模型在大量试验的基础上被提出和改进。

在数值分析中，面板的应力、变形与开裂等往往是受到最大关注的问题。

另一方面，堆石料湿化变形和随时间持续的变形（或称为流变、蠕变性）也被人们所发现和得到重视，因为这可能使面板的工作条件和状态恶化，在本构模型和数值计算中不能不考虑到这一情况。

沈珠江在堆石料室内试验的基础上，提出了指数衰减数学模型，并用这一模型计算天了生桥一级面板堆石坝，发现堆石体的流变可显著地加大面板脱空的可能性。

2 土石坝的后期变形――流变与湿化变形实践表明，在荷载作用下随时间持续堆石料会发生变形，这对于混凝土面板的危害很大，可导致周边缝止水破坏和产生裂缝。

这可能是由于堆石中的块石随时间软化而发生破碎、接触点的破损、颗粒的重新排列等原因造成的。

由于堆石料的尺寸限制，难以通过传统的室内试验研究其规律和确定其参数。

通过长期的原型观测，随后进行参数反分析是实用的手段。

目前我国在计算中常常采用基于应力应变速率关系的经验函数型流变模型，如采用指数衰减函数的沈珠江模型，采用双曲函数的王勇和殷宗泽模型等；另一个影响土石坝变形的因素是土的湿化变形问题。

堆石材料在初次蓄水时也可由于浸水而发生附加变形，这种变形会引起比较严重的后果。

而由于雨水入渗，坝体下游尾水升高也会引起湿化变形，这种变形对于面板堆石坝的危害很大。

在数值计算采用的计算模型中，关于湿化变形的测定一般可采用单线法和双线法。

同时也建立了一些本构模型和数值分析手段来模拟这种变形。

对公伯峡面板堆石坝的实例计算结果表明，湿化变形可以导致坝体的沉降和向下游的水平位移的增加，使面板中的水平向压应力和拉应力增加。