复杂混凝土坝坝基对坝体结构行为影响的分析理论和方法研究
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摘要
大坝是一个包括坝体和坝基的复杂系统，不仅坝基与坝体结构与荷载之间有复杂的相互作用，由于自身材料的特点，坝基蠕变与坝体徐变之间也有复杂的相互影响；而坝基应力场与渗流场、坝体应力场与渗流场的相互作用也是一个十分难解决的问题。以往坝工界对坝体研究较多，而对坝基研究相对较少。本文针对以上筑坝中的热点和难点，结合国家自然科学基金重大项目：重大水工混凝土结构隐患病害检测与健康诊断研究(编号50139030)，并以新安江和龙羊峡大坝等为实例，对上述复杂问题进行理论研究，并将其应用到实际工程中，主要研究内容归纳如下：
(1)针对混凝土重力坝和拱坝的不同特点，推导了坝基、坝体模量比值与大坝应力、位移的关系，并结合实例分析了新安江大坝及龙羊峡重力拱坝坝基和坝体模量比变化对大坝应力状况的影响，并由此确定了新安江重力坝和龙羊峡重力拱坝的最佳坝基与坝体的模量比值分别为1.0和0.8左右，即最佳坝基模量接近坝体模量值，而非越新鲜越坚硬越好，这对其他混凝土坝基础开挖的设计和施工有参考价值。
(2)将拱坝虚拟为由座落在坝基块体有限元上的一系列悬臂梁与水平拱组成，将悬臂梁视作由水平拱所支承的弹性地基梁，考虑径向和切向调整，比以往的弹性地基梁只考虑径向调整有所发展；而且用块体元模拟坝基，也能较精确地模拟坝基多种断裂构造等对坝体结构行为的影响。应用上述方法，结合Morrow Point双曲拱坝，计算了该坝的分载与径向位移，其成果合理，验证了本文建立的坝体虚拟弹性地基梁与坝基块体有限元组合的拱坝分载法的合理性，且满足工程精度的要求，有一定的实用价值。
(3)通过研究坝体混凝土徐变模型和坝基岩体的蠕变模型，并将两者有机结合，分别针对混凝土重力坝和拱坝，提出了考虑坝体徐变和坝基蠕变相互作用的组合模型。应用上述理论，解析了龙羊峡大坝向左岸位移的物理成因，尤其是4~#坝段在1991年以前切向位移显著向左岸位移的疑点，这对长期困扰该坝安全运行的疑点作出了科学解析，具有重要的实用价值。
(4)研究了渗流与应力耦合作用的机理、本构模型以及进行坝基和坝体的粘弹性与粘弹塑性分析的组合模型及相应的有限元数值分析方法。并应用以上理论和方法，解析了龙羊峡大坝由于17~#和18~#坝段间的32~#和34~#孔持续高水位的渗流场作用，以及坝体徐变与坝基蠕变，使13~#坝段向左岸持续位移的物理成
中文摘要
因，这对龙羊峡大坝的渗流及变形控制有重要的科学和实用价值。
Dam is a complex system including dam body and base. There exists complex interact between dam body, base, and load. Also, the reciprocity of creep between dam base and body, and stress-seepage field couple between dam and its base are something intricateo Anciently, study on dam body is rather abundant, but quite few on dam base. Aiming these hot and difficult spots in dam building, combining one of the great projects sponsored by national natural science fund (No. 50139030), and real projects analysis of Xin'anjiang dam and Longyangxia dam, this dissertation studied these complex problems mentioned hereinbefore. The main contents are as follows:
(1) Concrete dam, especially high dam, endures great loads such as water and temperature that passes to its base. So stabilization of dam base is very important. Aiming at the different characteristics of concrete gravity dams and arch dams, the dissertation derived the relation between stress of the dam and their module parameters. Combined with Xin'anjiang dam and Longyangxia dam, the optimum module ratios are determined as 1.0 and 0.8. The results are important for dam base excavation and engineering disposal.
(2) Arch dam can be regarded as an elastic ground cantilever system composed of vertical cantilever, horizontal arch, and torsion structures. The dissertation takes the arch dam as load diversion system of arch-cantilevers system located on the ground composed of elastic cantilever. The base is divided into finite block element. So, the stress and load that this system divided can be calculated. Combining analyzing Morrow Point dam on Colorado River with this method, the rationality of it is validated.
(3) Generally, dam and base are operated in material viscidity status. By studying on the creep model of dam concrete and base rock, and combined them together, the coupling model of these factors is bringing forward. Using these theories, the physical cause of continual left displacement of Longyangxia dam; especially 4th dam section is analyzed.
(4) Accidents of some arch dam show that dam failure mainly caused by crack or failure of their base rock, which is directly related with seepage in the rock. Rock seepage have an important influence on rock's mechanical character, and stress field in it. The stress field and seepage field should be studied as a coupled system. The
dissertation studied the mechanism, elastic and elasto-plastic analysis model, and finite element method of these coupling problems. As an example, the continual left displacement of Longyangxia dam is analyzed by this method.
(1)针对混凝土重力坝和拱坝的不同特点，推导了坝基、坝体模量比值与大坝应力、位移的关系，并结合实例分析了新安江大坝及龙羊峡重力拱坝坝基和坝体模量比变化对大坝应力状况的影响，并由此确定了新安江重力坝和龙羊峡重力拱坝的最佳坝基与坝体的模量比值分别为1.0和0.8左右，即最佳坝基模量接近坝体模量值，而非越新鲜越坚硬越好，这对其他混凝土坝基础开挖的设计和施工有参考价值。
(2)将拱坝虚拟为由座落在坝基块体有限元上的一系列悬臂梁与水平拱组成，将悬臂梁视作由水平拱所支承的弹性地基梁，考虑径向和切向调整，比以往的弹性地基梁只考虑径向调整有所发展；而且用块体元模拟坝基，也能较精确地模拟坝基多种断裂构造等对坝体结构行为的影响。应用上述方法，结合Morrow Point双曲拱坝，计算了该坝的分载与径向位移，其成果合理，验证了本文建立的坝体虚拟弹性地基梁与坝基块体有限元组合的拱坝分载法的合理性，且满足工程精度的要求，有一定的实用价值。
(3)通过研究坝体混凝土徐变模型和坝基岩体的蠕变模型，并将两者有机结合，分别针对混凝土重力坝和拱坝，提出了考虑坝体徐变和坝基蠕变相互作用的组合模型。应用上述理论，解析了龙羊峡大坝向左岸位移的物理成因，尤其是4~#坝段在1991年以前切向位移显著向左岸位移的疑点，这对长期困扰该坝安全运行的疑点作出了科学解析，具有重要的实用价值。
(4)研究了渗流与应力耦合作用的机理、本构模型以及进行坝基和坝体的粘弹性与粘弹塑性分析的组合模型及相应的有限元数值分析方法。并应用以上理论和方法，解析了龙羊峡大坝由于17~#和18~#坝段间的32~#和34~#孔持续高水位的渗流场作用，以及坝体徐变与坝基蠕变，使13~#坝段向左岸持续位移的物理成
中文摘要
因，这对龙羊峡大坝的渗流及变形控制有重要的科学和实用价值。
Dam is a complex system including dam body and base. There exists complex interact between dam body, base, and load. Also, the reciprocity of creep between dam base and body, and stress-seepage field couple between dam and its base are something intricateo Anciently, study on dam body is rather abundant, but quite few on dam base. Aiming these hot and difficult spots in dam building, combining one of the great projects sponsored by national natural science fund (No. 50139030), and real projects analysis of Xin'anjiang dam and Longyangxia dam, this dissertation studied these complex problems mentioned hereinbefore. The main contents are as follows:
(1) Concrete dam, especially high dam, endures great loads such as water and temperature that passes to its base. So stabilization of dam base is very important. Aiming at the different characteristics of concrete gravity dams and arch dams, the dissertation derived the relation between stress of the dam and their module parameters. Combined with Xin'anjiang dam and Longyangxia dam, the optimum module ratios are determined as 1.0 and 0.8. The results are important for dam base excavation and engineering disposal.
(2) Arch dam can be regarded as an elastic ground cantilever system composed of vertical cantilever, horizontal arch, and torsion structures. The dissertation takes the arch dam as load diversion system of arch-cantilevers system located on the ground composed of elastic cantilever. The base is divided into finite block element. So, the stress and load that this system divided can be calculated. Combining analyzing Morrow Point dam on Colorado River with this method, the rationality of it is validated.
(3) Generally, dam and base are operated in material viscidity status. By studying on the creep model of dam concrete and base rock, and combined them together, the coupling model of these factors is bringing forward. Using these theories, the physical cause of continual left displacement of Longyangxia dam; especially 4th dam section is analyzed.
(4) Accidents of some arch dam show that dam failure mainly caused by crack or failure of their base rock, which is directly related with seepage in the rock. Rock seepage have an important influence on rock's mechanical character, and stress field in it. The stress field and seepage field should be studied as a coupled system. The
dissertation studied the mechanism, elastic and elasto-plastic analysis model, and finite element method of these coupling problems. As an example, the continual left displacement of Longyangxia dam is analyzed by this method.
引文
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