徐澤平

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究概述

采用分層填筑、薄層振動碾壓的堆石（或砂礫石）作為大壩主體的現(xiàn)代混凝土面板堆石壩已有40多年的歷史。在當代壩工建設(shè)實踐中，混凝土面板堆石壩以其優(yōu)越的安全性、經(jīng)濟性，以及對復(fù)雜地形、地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性為特征，在壩型比選中表現(xiàn)出很強的競爭力，在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用和迅速的發(fā)展，目前全世界已建的混凝土面板堆石壩數(shù)量已接近400座?，F(xiàn)代混凝土面板堆石壩的建設(shè)始于澳大利亞的Cethana面板堆石壩，Cethana面板堆石壩設(shè)計和施工中所建立的標準和方法對其后的混凝土面板堆石壩發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。進入21世紀以來，國際上相繼開工建設(shè)了一批壩高200 m級的高混凝土面板堆石壩，并應(yīng)用了一些新的技術(shù)手段，取得了較為豐富的成果。但部分已建200 m級高壩工程在運行中也出現(xiàn)了面板擠壓破壞、面板裂縫和大量滲漏等問題，這些問題集中反映了高混凝土面板堆石壩的新特征，引起了國際壩工界的普遍重視，同時也對中國高混凝土面板堆石壩技術(shù)發(fā)展起到了借鑒和促進作用。限于篇幅，本篇論文將主要論述中國在混凝土面板堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)上的進展，有關(guān)國外相關(guān)技術(shù)進展的論述可參見文獻［1-2］。

中國現(xiàn)代混凝土面板堆石壩建設(shè)起步于1985年，以壩高95.0 m的湖北西北口混凝土面板堆石壩為標志。1985年，美國土木工程師協(xié)會年會在底特律召開，會議重點討論了現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的設(shè)計、施工技術(shù)和最新的工程技術(shù)實踐，由37篇論文組成的會議論文集被稱為混凝土面板堆石壩的“第一本綠皮書”，對推動全球混凝土面板堆石壩的建設(shè)具有重大影響。出席會議的中國專家?guī)Щ亓水敃r國際混凝土面板堆石壩技術(shù)的最新設(shè)計理念和工程實踐，從而使中國混凝土面板堆石壩建設(shè)得以起步于一個較高的起點［3］。西北口大壩作為中國第一座開工建設(shè)的混凝土面板堆石壩，于1990年建成，而第一座建成的混凝土面板堆石壩則是遼寧的關(guān)門山水庫大壩，壩高58.5 m，1988年建成。

中國混凝土面板堆石壩的發(fā)展有兩個鮮明的特點：一是緊跟國際先進技術(shù)水平，及時引進最新技術(shù)，并在工程實踐中消化、吸收；二是十分重視科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和自主創(chuàng)新。西北口大壩作為中國混凝土面板堆石壩的第一座試驗壩，被列入國家“七五”科技攻關(guān)課題，課題各研究單位針對100 m級壩高的混凝土面板堆石壩工程開展了大量的科學(xué)試驗和計算分析工作，取得了系統(tǒng)的研究成果。同時，編制了相關(guān)設(shè)計導(dǎo)則、施工規(guī)程，為混凝土面板堆石壩在中國的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自1980年代開始，混凝土面板堆石壩連續(xù)被列入國家“七五”、“八五”、“九五”科技攻關(guān)項目，同時，還得到了水利水電行業(yè)重點課題、國家電力公司重點項目、國家自然科學(xué)基金等不同渠道的支持。通過系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)研究，中國在混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)方面取得了大量創(chuàng)新成果，解決了工程實踐中的關(guān)鍵技術(shù)難題，逐步形成了具有中國特色的混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)體系。

目前，中國的混凝土面板堆石壩分布遍及全國，涵蓋了各種不同的地形、地質(zhì)和氣象條件，以及各種嚴酷的自然條件。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2015年底，中國已建壩高30 m以上的混凝土面板堆石壩數(shù)量約270座，在建工程數(shù)量約60座［4］，中國混凝土面板堆石壩數(shù)量已占全球同類壩型數(shù)量的一半以上。大量工程的建設(shè)，積累了應(yīng)對各種困難情況的經(jīng)驗和教訓(xùn)，同時，也在相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)性科學(xué)問題研究方面取得了很大的發(fā)展。在中國混凝土面板堆石壩的發(fā)展過程中，既有成功的經(jīng)驗，也曾出現(xiàn)過一些問題，其中包括青海溝后面板壩的潰壩事故、湖南株樹橋面板壩的面板折斷、坍陷，以及天生橋一級面板壩的面板擠壓破壞等。針對這些問題和教訓(xùn)的總結(jié)，也從另一方面促進了中國混凝土面板堆石壩的技術(shù)進步。

從1980年代起，中國工程師結(jié)合混凝土面板堆石壩工程的建設(shè)，在材料特性、數(shù)值分析和模型試驗等方面進行了大量系統(tǒng)的科學(xué)研究，在混凝土面板堆石壩的設(shè)計理論和工程實踐中取得了一系列的成果。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，使混凝土面板壩的建設(shè)由經(jīng)驗和判斷為主的方式逐漸走向了經(jīng)驗與理論分析相結(jié)合的途徑。

目前，中國的混凝土面板堆石壩建設(shè)既孕育著重大的發(fā)展機遇，也面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件，嚴酷的壩址自然環(huán)境，以及壩高從200 m級到300 m級的跨越等，對混凝土面板堆石壩的技術(shù)發(fā)展提出了更高的要求。此外，在混凝土面板堆石壩的研究中也面臨著筑壩堆石材料力學(xué)特性、壩體堆石變形機制及混凝土面板破損機理等一系列基礎(chǔ)科學(xué)問題。在充分掌握材料工程特性基礎(chǔ)上，對混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性的準確把握與預(yù)測，是應(yīng)對技術(shù)挑戰(zhàn)和實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)跨越的重要基礎(chǔ)［5］。本文將總結(jié)、歸納目前我國在混凝土面板堆石壩材料試驗研究和數(shù)值計算分析方法上的研究進展，并重點對混凝土面板堆石壩的關(guān)鍵技術(shù)進行分析、論述。

2 材料工程特性研究

作為一種當?shù)夭牧蠅涡?，混凝土面板堆石壩的填筑料涵蓋了十分廣泛的類型，從大的類別上可劃分為堆石和砂礫石兩種。材料工程特性的研究是大壩建設(shè)的基礎(chǔ)性科學(xué)問題，主要包括級配特征、壓縮變形特性、強度特性和應(yīng)力變形特性等研究。近些年來，隨著高壩建設(shè)的不斷發(fā)展，筑壩材料流變特性、濕化變形特性，以及干濕循環(huán)作用下的材料性質(zhì)劣化等逐漸成為研究中的熱點。

目前，土石材料工程特性的研究手段主要依賴于室內(nèi)大型試驗。自1980年代以來，中國水利水電科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、長江科學(xué)院、河海大學(xué)、清華大學(xué)和大連理工大學(xué)等研究院所和高等院校相繼研制開發(fā)了適用于粗顆粒材料的高壓三軸儀、壓縮儀、滲透儀、平面應(yīng)變試驗儀、高壓三軸流變試驗儀、接觸面試驗儀等大型試驗設(shè)備，建立、形成了較為完善的室內(nèi)大型試驗體系。

2.1 材料顆粒級配特性堆石料的開采通常通過爆破獲得，其級配的優(yōu)劣主要取決于爆破開采方法和巖體本身的結(jié)構(gòu)以及裂隙的發(fā)育程度。堆石材料顆粒級配特征研究關(guān)注的重點是級配的變異性及其影響因素。就堆石料級配的變化過程而言，壩體填筑壓實過程中的顆粒破碎對其級配的影響最大，顆粒破碎的程度主要取決于巖塊的強度以及壓實功能等因素，而顆粒級配的變異，將會直接導(dǎo)致堆石料工程特性的變化［6］。因此，顆粒破碎研究目前已經(jīng)成為粗顆粒材料工程特性研究中的重點［7-9］。

鑒于母巖材料和級配特征對于堆石壓實特性的重要影響，在中國的實踐中，對于高混凝土面板堆石壩提出了針對堆石材料的基本控制性指標：母巖飽和單軸抗壓強度≥30 MPa，軟化系數(shù)大于0.7～0.8，堆石級配中小于5 mm粒徑的顆粒含量為10%～15%左右，最低不能小于5%，相應(yīng)的不均勻系數(shù)應(yīng)大于15。母巖飽和單軸抗壓強度＜30 MPa的軟巖堆石料也可用于修建混凝土面板堆石壩，但通常用于中低壩高的工程。需要注意的是，對于軟巖材料，嚴重的顆粒破碎會導(dǎo)致壓實后的實際級配與原始級配的巨大差異，使原來的堆石料變成性質(zhì)迥異的另一種材料，在這種情況下，材料的級配應(yīng)以壓實后的實際級配為依據(jù)取用相應(yīng)的設(shè)計計算指標。

砂礫石材料的級配為天然級配，而且，由于顆粒的磨圓度較高，相對于堆石材料而言不易產(chǎn)生由于顆粒破碎而引起的級配變化，但值得關(guān)注的是，由于砂礫石材料的級配特性還與其地質(zhì)成因密切相關(guān)，在某些情況下，其級配會呈現(xiàn)較大的離散性。天然沉積砂礫石的其級配常呈不連續(xù)分布，甚至?xí)a(chǎn)生級配的間斷。因此，當采用砂礫石材料筑壩時，應(yīng)對料源的級配特征作深入的調(diào)研。

2.2 材料強度特性土石材料的強度特性是決定混凝土面板堆石壩壩坡穩(wěn)定的重要因素。對于堆石等散粒體材料，其抗剪強度包括滑動摩擦和咬合摩擦兩部分，而顆粒咬合摩擦又包含了剪脹效應(yīng)和顆粒破碎影響，因此，堆石材料的抗剪強度應(yīng)該是由顆粒間的滑動摩擦、剪脹效應(yīng)、顆粒的破碎與重新定向排列所組成。

對于棱角尖銳的堆石而言，由于顆粒破碎的影響，其強度包線在相對較小的應(yīng)力下即發(fā)生了彎曲，因而呈現(xiàn)出較為明顯的非線性的特征。試驗結(jié)果表明［10］，硬巖堆石的破碎壓力約為0.8 MPa，堆石的強度包線由線性轉(zhuǎn)為非線性的分界應(yīng)力約為0.85 MPa。對于堅硬、渾圓且級配優(yōu)良的砂卵石，其顆粒破碎的問題不突出，因此，其強度包線在相對較高的應(yīng)力水平下仍可保持近似的直線關(guān)系。

堆石材料非線性強度特征的描述主要有de melo的指數(shù)形式和Duncan的對數(shù)形式。在中國的堆石壩工程計算分析中，通常采用Duncan對數(shù)表達式［11］：

式中：φ0為當圍壓為一個標準大氣壓時的摩擦角；Δφ為圍壓相對于標準大氣壓增大10倍時的摩擦角遞減量。

需要指出的是，在堆石強度的對數(shù)非線性表達式中沒有參數(shù)c，參數(shù)c所代表的咬合摩擦部分實際上已包含在參數(shù)φ0和Δφ之中，因此，這兩個參數(shù)已不再是通常意義上的內(nèi)摩擦角。中國學(xué)者通過對大量大型三軸試驗成果的統(tǒng)計和回歸分析得出［10］，對于一般的硬巖堆石料，φ0=54.4°，Δφ=10.4°。

2.3 材料變形特性堆石材料的顆粒形狀為多面體，顆粒之間通常為點接觸，其整體壓縮性主要取決于顆粒的重新排列，同時也受母巖巖性、密度、級配等因素影響。作為一種由堅硬顆粒所組成的散粒體材料，堆石體在經(jīng)過碾壓后，將達到較高的密度和較小的孔隙比，從而具有較低的壓縮性。碾壓后的堆石體，通常都會在較短的時間內(nèi)完成其壓縮變形的大部分。但是對于高壩，由于堆石體承受的應(yīng)力水平較高，后續(xù)的顆粒破碎和級配調(diào)整將會導(dǎo)致堆石體產(chǎn)生持續(xù)的變形。

堆石材料變形的另一個重要的特征是濕陷特性，堆石材料濕陷變形的機理主要是堆石顆粒的棱角遇水后發(fā)生軟化、破碎，同時，水的潤滑作用促使顆粒的遷移與重新排列，從而導(dǎo)致新的變形的產(chǎn)生。研究表明，堆石的濕陷變形與其巖性及應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)［12-13］。通常認為，軟巖堆石料的濕陷變形較大。但需要指出的是，即使是對于顆粒比較堅硬的堆石（如灰?guī)r和凝灰?guī)r等），浸水后的濕化變形仍不可忽視。堆石的浸水沉降變形，隨密度的增大而減小，而且，其初始含水量愈大，浸水沉降也會越小。

2.4 堆石材料流變特性研究天生橋大壩是中國第一座壩高接近200 m的高混凝土面板堆石壩工程，大壩建成后發(fā)生了較大的后期變形，引起了工程界的普遍關(guān)注。通過對觀測資料的分析發(fā)現(xiàn)［14］，堆石體的流變是壩體竣工后發(fā)生較大變形的主要原因之一。隨后，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)陸續(xù)開展了對堆石材料流變特性的研究。沈珠江等［15］通過對堆石料流變特性的試驗研究和對已建工程實測資料的反分析，提出了一種指數(shù)衰減型三參數(shù)流變模型。梁軍等［16］通過大型壓縮流變試驗，發(fā)現(xiàn)堆石料的流變隨時間呈指數(shù)關(guān)系衰減變化，流變特性與試樣的應(yīng)力水平相關(guān)。程展林等［17］采用應(yīng)力控制式大型三軸儀研究了堆石料的流變特性，研究發(fā)現(xiàn)，堆石料流變量與時間的關(guān)系可以用一個九參數(shù)的冪函數(shù)表示。

隨著粗顆粒材料大型試驗設(shè)備研制的進展，對于堆石材料流變變形特性的研究普遍采用了試樣直徑300 mm的大型三軸流變試驗儀進行試驗研究。通過對堆石料進行不同應(yīng)力水平下的流變試驗，由試驗結(jié)果建立流變模型，整理得出計算參數(shù)后，即可采用數(shù)值方法分析堆石體的流變量值。目前，對于堆石蠕變變形的描述，普遍采用的是經(jīng)驗函數(shù)的方法，為簡化起見多采用單項函數(shù)的方式，常用的函數(shù)形式包括指數(shù)型、冪函數(shù)型、雙曲線型和對數(shù)型等。

典型的指數(shù)型三參數(shù)流變計算公式如下［15］：

式中：ε為流變；εf為當t→∞時的最終流變量；c為參數(shù)，相當于t=0時第一天流變量占εf的比值。最終流變量εf與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，體積流變與圍壓σ3成正比，剪切流變與應(yīng)力水平相關(guān)，即：

式中：b、d為計算參數(shù)，由試驗結(jié)果得出，b相當于σ3=pa（大氣壓）時的最終體積流變量，d為應(yīng)力水平D=0.5時的最終剪切流變量；破壞時D=1.0，εsf→∞。

程展林等［17］提出的冪函數(shù)型九參數(shù)流變計算公式如下。

堆石體軸向流變計算公式為：

其中：

式中：η、m為計算參數(shù)，由試驗獲得；SL為應(yīng)力水平。堆石體體積流變計算公式為：

式中：cα、dα、cβ、dβ、λv為計算參數(shù)，由試驗獲得。

從目前的認識上看，堆石的流變與其顆粒在應(yīng)力作用下的破碎直接相關(guān)，因而其體積流變、剪切流變與之所處的應(yīng)力狀態(tài)以及母巖的性質(zhì)密切相關(guān)。隨著時間的推移，堆石體流變的發(fā)展總體上趨于穩(wěn)定，流變與時間的關(guān)系總體上符合衰減函數(shù)的趨勢。隨著應(yīng)力水平和圍壓的增大，堆石體的流變變形量會相應(yīng)增大，流變趨于停止的時間也會增加。但在試驗室內(nèi)，由于試樣尺寸的限制，試驗得到的堆石流變速率明顯大于現(xiàn)場的原型級配材料?？傮w上看，目前對于堆石流變特性的研究雖然取得了一些成果，室內(nèi)試驗也初步揭示了堆石體流變變形的一些基本規(guī)律，但是，由于堆石材料自身的復(fù)雜性和室內(nèi)試驗的局限，對于堆石流變機理和發(fā)展規(guī)律的認識尚有待深入。目前國內(nèi)普遍采用的流變計算方法是基于將堆石體變形劃分為瞬時變形和流變變形這一人為假定之上，但實際情況下，堆石在荷載作用下的瞬時變形與荷載恒定不變情況下的流變變形通常是難以截然區(qū)分的。因此，未來的研究方向應(yīng)該是基于材料試驗研究而開發(fā)的綜合反映材料黏彈塑性特征的分析模型。

2.5 材料特性的數(shù)值試驗研究由于室內(nèi)試驗在研究粗顆粒材料特性中的種種限制條件，近些年來，部分學(xué)者開始采用非連續(xù)分析方法，以顆粒的運動和相互接觸為基礎(chǔ)，從細觀的尺度對材料的試驗過程進行數(shù)值分析模擬，從而發(fā)展出了數(shù)值試驗研究方法。

數(shù)值試驗研究基于以離散元為代表的不連續(xù)分析方法，以細觀顆粒為基本單元，將每個顆粒離散為獨立的有限元網(wǎng)格，將相鄰顆粒作用在其上的接觸力作為該有限單元域的外力，通過有限單元域內(nèi)的顯式求解，獲取顆粒內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布。顆粒之間則通過離散元接觸算法進行分析模擬。周偉等［18］采用罰函數(shù)法計算顆粒間的接觸力，通過以顆粒間嵌入面積的大小確定接觸力大小的方法，首次建立了堆石體應(yīng)力變形細觀模擬的隨機散粒體不連續(xù)變形分析模型，并將其應(yīng)用于堆石體等粗顆粒材料力學(xué)性能的研究［19］。與常規(guī)的橢球形顆粒模擬方法不同，它采用了不規(guī)則的凸多面體模擬真實的堆石顆粒并劃分網(wǎng)格，通過在裂縫可能發(fā)生和擴展的部位布置界面單元，并引入內(nèi)聚力模型來模擬顆粒破碎。這一模型可以相對較好地反映堆石體的復(fù)雜形狀和破碎行為。

數(shù)值試驗研究方法可以從細觀的角度模擬堆石材料顆粒接觸、摩擦、移動和破碎的過程，再現(xiàn)堆石體的宏觀力學(xué)響應(yīng)，并且具有試樣尺寸、邊界條件調(diào)整靈活的優(yōu)勢，可以成為常規(guī)室內(nèi)大型試驗研究手段的有效補充。但是，由于堆石材料細小顆粒的絕對數(shù)量非常龐大，受計算規(guī)模的限制，數(shù)值試驗方法同樣也不可能模擬真實壩料的全部顆粒，其粒徑小于一定尺寸的顆粒必須略去，由此造成的影響尚需進一步的比較研究。此外，在制樣方法的模擬、初始應(yīng)力狀態(tài)的確定、顆粒性狀描述、接觸摩擦算法和顆粒破碎定義等方面，數(shù)值試驗分析方法也不可避免地需要建立一定的假定，相關(guān)假定的影響也需要通過大量的對比試驗進行深入的研究。

3 計算分析技術(shù)

中國在混凝土面板堆石壩發(fā)展過程中，從最初的開始階段，就十分重視通過數(shù)值計算的方法對壩體及面板的應(yīng)力變形特性進行分析研究，這一點與國外的做法有著顯著的區(qū)別。通過計算分析預(yù)測壩體的變形性態(tài)和面板的應(yīng)力狀態(tài)，可以有效把握混凝土面板堆石壩的運行特征，從而為大壩的優(yōu)化設(shè)計和施工調(diào)整提供技術(shù)支撐。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，中國在材料本構(gòu)模型的開發(fā)和計算方法的改進方面都取得了長足的進步，從而也改變了混凝土面板堆石壩僅單純依靠經(jīng)驗和類比的設(shè)計模式。

3.1 筑壩材料本構(gòu)模型研究目前，在混凝土面板堆石壩數(shù)值計算分析中，堆石或砂礫石材料的本構(gòu)模型主要有非線性彈性模型和彈塑性模型兩種。其中，最為常用的是鄧肯E-B非線性彈性模型和“南水”雙屈服面彈塑性模型。鄧肯E-B模型能夠反映壩料應(yīng)力應(yīng)變的非線性和壓硬性，但難以反映巖土材料的剪脹性。“南水”雙屈服面模型能夠反映壩料的非線性、壓硬性、剪脹性和應(yīng)力引起的各向異性，但由于模型假設(shè)εv-ε1呈拋物線關(guān)系，在許多情況下會夸大材料的剪脹性，從而導(dǎo)致計算的壩體變形偏小。

目前模型存在的最主要問題是不能合理反映粗顆粒材料的體積變形特性。粗顆粒材料在變形過程中通常伴隨著顆粒破碎，顆粒破碎后會引起顆粒的調(diào)整和重新排列，從而導(dǎo)致堆石體體變增加，這種變化過程會在一定程度上減小材料的剪脹性。對于高壩，堆石體在高應(yīng)力狀態(tài)下顆粒破碎更明顯，壩體體積變形的增加也更突出，同時顆粒破碎以及級配調(diào)整的過程還會產(chǎn)生流變變形的問題。

根據(jù)筑壩堆石材料室內(nèi)大型三軸試驗的結(jié)果，并結(jié)合計算分析實踐，中國水利水電科學(xué)研究院提出了針對鄧肯E-B模型改進處理方法［19］，內(nèi)容包括加卸載過程中切線模量的計算、剪切破壞和張拉破壞時的迭代處理、體積模量計算的限定等。通過這些處理方法的運用，使得數(shù)值計算更加穩(wěn)定，計算結(jié)果也與實測數(shù)據(jù)較為接近。

南京水利科學(xué)研究院在“南水”雙屈服面彈塑性模型的基礎(chǔ)上，考慮顆粒破碎引起的能量耗散，通過分析三軸CD試驗數(shù)據(jù)，得出顆粒破碎能耗與軸向應(yīng)變之間具有較好的雙曲線關(guān)系，從而建立了一個考慮顆粒破碎的堆石本構(gòu)模型［20］，其切線體積比的計算公式如下：

式中，φm為機動摩擦角。

河海大學(xué)在廣義塑性理論框架下，以典型高壩堆石料的試驗資料為依據(jù)，提出了可以同時考慮堆石料在低圍壓下的剪脹性和高圍壓下的剪縮性的廣義塑性本構(gòu)模型［21］。

鄒德高等［22］在Ziemkiewicz和Pastor的廣義塑性理論基礎(chǔ)上，針對堆石壩的應(yīng)力特點，考慮壓力相關(guān)性，對廣義塑性模型的加載塑性模量、卸載塑性模量和彈性模量的計算公式進行了修正，提出了一種適用于堆石壩材料特點的分析模型。

從目前的的發(fā)展看，隨著對粗顆粒材料應(yīng)力變形特性試驗研究的不斷深入，本構(gòu)模型所考慮的影響因素也日趨廣泛，模型的復(fù)雜性也相對增加。但是，這些復(fù)雜的本構(gòu)模型是否能夠真實反映工程中材料的力學(xué)行為特性，尚有待進一步的實踐檢驗。采用多屈服面、非關(guān)聯(lián)流動法則的復(fù)雜彈塑性模型目前仍面臨著試驗方法特殊、計算參數(shù)類比性差以及計算過程復(fù)雜等問題。在工程計算分析的實踐中，鄧肯E-B非線性彈性模型由于其參數(shù)物理意義明確、工程應(yīng)用廣泛，因此可以獲得具有較為豐富的工程類比成果，目前仍是我國混凝土面板堆石壩數(shù)值分析的主流分析模型。

相應(yīng)于各種計算模型，除需考慮模型本身是否能夠正確反映材料的應(yīng)力變形特征外，模型參數(shù)的確定也是影響計算分析結(jié)果的重要因素。在材料本構(gòu)模型的開發(fā)中，需要關(guān)注模型參數(shù)的物理意義，只有具備充分物理意義的參數(shù)才可以在試驗的基礎(chǔ)上通過工程類比的方式分析其參數(shù)取值的合理性，或確定其數(shù)值的合理范圍。目前，由于室內(nèi)大型試驗試樣尺寸的限制，室內(nèi)試驗得出的模型參數(shù)與原型筑壩材料的真實參數(shù)間存在一定的差異，如何在室內(nèi)縮尺試驗得出的參數(shù)基礎(chǔ)上合理確定原型材料的真實材料參數(shù)，這將是目前和未來一段時期我國面板堆石壩工程界所致力研究解決的關(guān)鍵問題之一。

3.2 計算方法研究在混凝土面板堆石壩的數(shù)值分析中，中國學(xué)者除了在本構(gòu)模型上進行深入研究外，還在計算分析實踐中開發(fā)了新的分析方法。其中，除了常規(guī)的非線性（彈塑性）有限元分析方法外，還包括了界面接觸算法、流變分析方法和精細化仿真分析方法等。

3.2.1 混凝土面板與堆石體的接觸算法 混凝土面板堆石壩的結(jié)構(gòu)中包含相對剛性的混凝土面板與散粒體堆石相互作用的接觸面，以及面板縱縫、面板周邊縫等接縫系統(tǒng)?；炷撩姘迮c堆石的摩擦接觸是其應(yīng)力的主要來源，因此，對面板與堆石接觸特性的準確模擬，是保證面板應(yīng)力計算準確的重要前提。由于接觸面兩側(cè)材料性質(zhì)相差懸殊，在外力作用下，通常都會表現(xiàn)出與連續(xù)體不同的剪切滑移、脫開分離等特殊的變形特征，在計算分析中需要采用特殊的單元來加以模擬。

早期的面板壩計算分析中，接觸面的模擬常采用無厚度的Goodman單元模擬。這種單元由接觸面兩側(cè)的兩對節(jié)點所組成，單元的厚度為零，兩接觸面之間假想為由無數(shù)的法向和切向彈簧相連。鄒德高等［23］在Goodman單元的基礎(chǔ)上，結(jié)合河海大學(xué)止水材料試驗結(jié)果，通過對接縫模型參數(shù)的敏感性分析，提出了針對混凝土面板堆石壩接縫接觸面的簡化計算模型。但是，對于Goodman單元，由于其無厚度的特性，在實際計算分析中，很難保證單元兩側(cè)的節(jié)點不發(fā)生相互嵌入的現(xiàn)象，而且，法向勁度取值過大或過小對于計算的精度也會產(chǎn)生不利的影響。

根據(jù)實際工程的觀測和室內(nèi)接觸面試驗研究，當兩種材料性質(zhì)相差懸殊的介質(zhì)間產(chǎn)生剪切位移時，一般都會在材料性質(zhì)相對較弱的一面形成一個薄層的剪切帶，因此，在數(shù)值計算中采用薄層接觸面單元來模擬不同材料之間的接觸會更接近實際情況。對于薄層接觸面單元，接觸面上的變形可以分為基本變形和破壞變形兩部分［24］。在正常受力情況下，單元產(chǎn)生基本變形{ε′}，其材料的本構(gòu)關(guān)系可以取為材料性質(zhì)較弱一面的材料特性（墊層堆石料），薄層單元在計算過程中按普通實體單元參與計算。當剪應(yīng)力達到抗剪強度產(chǎn)生了沿接觸面的滑動破壞或接觸面受拉產(chǎn)生了拉裂破壞時，單元產(chǎn)生破壞變形{ε″}，破壞變形采用剛塑性假定。

對于接觸面上的破壞變形{ε″}，可以用下式表示：

式中，E″、G″分別為反映拉裂破壞變形和滑動破壞變形的模量參數(shù)。

在平行于接觸面方向上的正應(yīng)變由于受到混凝土的約束不會發(fā)生破壞，因此可取Δε″s=0，相應(yīng)的，[C]″矩陣中的對應(yīng)元素取為0。

接觸面的總變形為基本變形和破壞變形的疊加：

薄層接觸面單元的模擬方法目前在國內(nèi)的混凝土面板堆石壩計算分析中得到了普遍的應(yīng)用，它可以相對較好地模擬堆石體與面板間的剪應(yīng)力傳遞，但實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，接觸面單元強度參數(shù)的選取對計算結(jié)果有較大程度的影響，因此，未來尚需進一步通過接觸面試驗研究以確定接觸面的非線性接觸變形模式和相應(yīng)的模型參數(shù)。

盡管薄層接觸面單元在模擬接觸面的剪應(yīng)力傳遞和避免接觸面兩邊介質(zhì)的互相嵌入上具有一定的優(yōu)勢，但是它與Goodman單元一樣，對于接觸面相互脫開和接觸面大位移滑動的模擬仍無能為力。為此，國內(nèi)學(xué)者在接觸面計算方法上也進行了相關(guān)的研究和實踐。徐澤平［19］在接觸面模擬中引入了界面單元法，通過將單元的變形累積于單元界面，在離散模型中以界面元代替彈簧元，可以有效地描述接觸面上的錯位、滑移和張開位移。周墨臻等［25］基于非線性接觸力學(xué)方法，通過使用拉格朗日乘子法引入接觸約束得到了接觸問題的計算格式，同樣可以有效解決面板與堆石體接觸滑移與分離的計算模擬問題。

3.2.2 堆石體流變變形分析方法 目前，國內(nèi)對于堆石體流變變形的計算分析普遍采用的是經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷姆椒?，認為堆石體的總應(yīng)變可以分為其受到外部荷載后產(chǎn)生的瞬時應(yīng)變和在荷載恒定條件下產(chǎn)生的流變應(yīng)變兩個部分，如以增量形式表示，即為：

式中：Δεep為瞬時應(yīng)變增量；Δεcreep為流變應(yīng)變增量。

對于瞬時應(yīng)變部分，采用常規(guī)的堆石本構(gòu)模型進行計算，對于流變應(yīng)變部分，則采用經(jīng)驗型的衰減函數(shù)計算公式，如前述的指數(shù)型、冪函數(shù)型、對數(shù)型公式。

對于這樣的計算方法，由于流變變形的起始時刻難于準確界定，因此，計算中均采用相對時間取代絕對時間。為充分考慮應(yīng)力狀態(tài)對流變量值的影響，計算中對體積變形和剪切變形采用不同的公式分別計算，即認為體積流變量和剪切流變量分別取決于圍壓水平和剪應(yīng)力水平，不考慮兩個因素間的耦合作用。在π平面上各方向的流變應(yīng)變分量采用Prandtl-Reuss流動法則進行分配，即：

式中：{s}為偏應(yīng)力張量；{I}為單位張量；σs為廣義剪應(yīng)力。

在每一個荷載步里，將加載時間分為多個時間步，計算當前應(yīng)力狀態(tài)下的單元最終流變量，根據(jù)累計流變量和最終流變量計算當前時間步下的流變速率，以求得當前時間步的堆石體單元流變增量，最后把求得的單元流變增量作為初應(yīng)變進行有限元增量分析

從目前的堆石流變計算方法上看，堆石體流變變形的計算雖然可以反映堆石變形隨時間的發(fā)展過程，但計算模型和計算過程仍存在一些人為的假定。瞬時變形與流變變形的劃分通常會導(dǎo)致流變變形的起點難以判斷，使用經(jīng)驗公式直接擬合整條試驗曲線，也會使流變計算的經(jīng)驗公式實際上包含了瞬時變形和長期變形的總和，從而導(dǎo)致計算結(jié)果的偏差。未來，堆石流變的計算采取構(gòu)建統(tǒng)一考慮瞬時變形與流變變形的計算模型將會是一個正確的發(fā)展方向，此類模型的建立需要以針對堆石流變變形規(guī)律的大量試驗研究為基礎(chǔ)。

3.2.3 大規(guī)模精細化仿真算法 在混凝土面板堆石壩的數(shù)值計算中，計算網(wǎng)格的數(shù)量通常不超過50 000。但對于高壩，采用這種網(wǎng)格規(guī)模，每個單元高度一般會超過10 m，長度則要達到40～50 m。在這樣的網(wǎng)格精度下，很難實現(xiàn)對高壩壩體應(yīng)力、變形狀態(tài)的準確刻畫。而且，對于混凝土面板而言，由于面板的最小厚度只有30～40 cm，采用過粗的網(wǎng)格剖分，將使面板網(wǎng)格極度畸形，從而導(dǎo)致面板應(yīng)力計算的失真。作為混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)的主體，混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該是計算分析關(guān)注的重點，但按常規(guī)的建模方式，卻恰恰是混凝土面板的單元形態(tài)最差。因此，近些年來，隨著計算技術(shù)的進步，在我國的高混凝土面板堆石壩的數(shù)值計算分析中，逐漸開始采用精細化網(wǎng)格下的全過程仿真分析。通過在精細化網(wǎng)格建模與并行計算方法上的研究與開發(fā)，目前，混凝土面板堆石壩精細化計算的網(wǎng)格規(guī)模已經(jīng)可以達到100萬至500萬單元數(shù)的規(guī)模。通過這樣的精細化仿真分析，可以較為有效地估算混凝土面板堆石壩在施工期、水庫蓄水期的各種加載、卸載條件下堆石體和面板的應(yīng)力與變形的大小及其分布，以及材料強度發(fā)揮的程度，從而為壩料分區(qū)、斷面優(yōu)化、施工進度安排和運行性態(tài)預(yù)測提供依據(jù)。

4 混凝土面板堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)

作為一種典型的當?shù)夭牧蠅涡?，混凝土面板堆石壩的筑壩技術(shù)包含多方面的內(nèi)容。其中，最關(guān)鍵的技術(shù)主要包括壩體的滲流安全、大壩的變形控制以及大壩防滲系統(tǒng)可靠性等。

4.1 壩體滲流安全混凝土面板和接縫止水系統(tǒng)是混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)的主體，但與此同時，壩體堆石的材料分區(qū)設(shè)計，特別是面板下部的墊層區(qū)、過渡區(qū)的設(shè)計對保證大壩的滲透安全也將起到非常關(guān)鍵的作用。

從歷史上看，混凝土面板壩的滲流控制理念經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。第一階段主要強調(diào)以混凝土面板控制滲流為主，在這一階段，墊層料的主要功能是起變形協(xié)調(diào)和應(yīng)力過渡的作用，其顆粒級配較粗，材料滲透系數(shù)偏大。一旦面板出現(xiàn)裂縫或面板止水發(fā)生破壞，往往會產(chǎn)生嚴重的滲漏。1980年代，美國壩工專家謝拉德提出了將墊層料作為混凝土面板壩第二道防滲防線的建議，要求墊層料的滲透系數(shù)應(yīng)滿足10-3～10-4cm/s。謝拉德的建議對混凝土面板壩的設(shè)計是一次重大突破，它進一步完善了面板壩的防滲系統(tǒng)，提高了大壩的防滲安全性，得到國內(nèi)外大多數(shù)工程師的認可，并在工程實踐中廣泛應(yīng)用。以此為標志，混凝土面板堆石壩滲流控制技術(shù)的發(fā)展進入第二階段。近些年來，隨著混凝土面板堆石壩壩高的增加，對混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)可靠性和大壩滲透穩(wěn)定安全的要求也日益提高。為此，徐澤平等［5］在總結(jié)以往研究成果和針對相關(guān)工程實踐的分析中進一步提出：高混凝土面板壩應(yīng)綜合考慮各個分區(qū)的協(xié)調(diào)保護作用，通過上游鋪蓋、混凝土面板、墊層區(qū)和過渡區(qū)的聯(lián)合作用和相互保護，以提高大壩防滲系統(tǒng)的整體可靠性，并保證一旦出現(xiàn)破壞時防滲系統(tǒng)的自愈修復(fù)。這將是高混凝土面板堆石壩滲流控制理念發(fā)展的第三個階段。

面板堆石壩滲流控制的主要目的是保證大壩的蓄水功能，確保壩體不出現(xiàn)過大的滲漏。同時，出于保證大壩安全的目的，在因種種原因出現(xiàn)較大壩體滲漏的情況下，需保證堆石各分區(qū)材料的滲透穩(wěn)定，以避免堆石中細顆粒的大量流失，從而引起堆石體的附加變形，并進一步導(dǎo)致面板的破壞和大壩的潰決。

工程實踐表明，謝拉德提出的將墊層區(qū)作為大壩第二道防滲線的建議在滲流控制理念上是正確的，但在具體落實中仍存在一些問題。例如，墊層料的滲透系數(shù)應(yīng)如何取值才能既保證既起到第二道防滲防線的作用，又能保證所選材料具有較高的抗剪強度和較低的壓縮性。滲透系數(shù)愈小，表明防滲性能愈好，但帶來的問題是所選材料中＜0.1 mm的顆粒含量過多，相應(yīng)地抗剪強度降低、壓縮模量減小，不利于壩坡的穩(wěn)定性。另外根據(jù)室內(nèi)試驗，按照謝拉德建議的顆粒組成曲線，墊層料的滲透系數(shù)并不能達到1×10-4cm/s的要求，特別是外包線＜0.075 mm的顆粒含量只有8%，顆粒級配曲線偏粗，這種材料在最緊密狀態(tài)下也只能達到10-2cm/s的量級。

通常認為，堆石料的滲透特性與其小于5 mm的顆粒含量直接相關(guān)，但是對于小于5 mm這一部分顆粒級配的更進一步研究則相對較少。劉杰［26］通過對兩種粒徑小于5 mm顆粒含量不同，且小于5 mm顆粒部分級配不同堆石料的試樣進行滲透試驗后發(fā)現(xiàn)，隨著小于5 mm顆粒含量的增加，其細粒料組成的變化范圍增大，致使各試樣的滲透系數(shù)差別很大。當粒徑小于5 mm顆粒含量為55%，小于5 mm的顆粒組成不同時滲透系數(shù)可相差2個數(shù)量級。隨著粒徑小于5 mm顆粒含量的減小，小于5 mm的細粒料組成的可能變化范圍相應(yīng)減小，各試樣的滲透系數(shù)也就較為接近。這一結(jié)果與砂礫石料的滲透特性相一致，即堆石料的滲透系數(shù)主要決定于小于30%的粒徑組成，僅依靠小于5 mm的顆粒含量并不能準確地反映土的滲透系數(shù)。

我國的混凝土面板壩墊層料級配設(shè)計小于5 mm的顆粒含量一般在35%～55%之間。而謝拉德建議的墊層料級配，其小于1 mm的顆粒含量位于12%～34%之間。試驗研究成果表明，墊層料滲透性主要取決于細料含量，特別是d20的粒徑值，當＜1 mm的粒徑含量小于20%時，滲透系數(shù)將大于10-3cm/s，因此，混凝土面板壩墊層料小于1 mm的顆粒含量應(yīng)大于謝拉德的建議值（水布埡、三板溪、洪家渡和天生橋一級面板堆石壩墊層料＜1 mm的顆粒含量一般在20%～32%之間）。通過對墊層料＜1 mm的粒徑含量進行優(yōu)化，可以確保墊層料滲透系數(shù)能夠達到10-3～10-4cm/s的要求。

對于墊層料的淤堵自愈能力，考慮緊靠面板的鋪蓋材料或用于修補面板滲漏的拋填土為砂質(zhì)土，d85=0.2 mm，按太沙基反濾準則，D15≤ 4d85=0.8mm，墊層料的d15應(yīng)＜0.8 mm。

從混凝土面板壩的分區(qū)結(jié)構(gòu)看，由于過渡區(qū)位于墊層區(qū)下部，施工時先鋪過渡區(qū)后鋪墊層區(qū)，如果墊層料與過渡料顆粒級配合適，在粒徑相對較粗的過渡區(qū)與粒徑相對較細的墊層區(qū)交界處將形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的混合自濾層，可阻止墊層區(qū)中其它顆粒的流失，只要保護住某一級較大粒徑的土料，就可控制其它顆粒滲透穩(wěn)定。因此，為保證墊層區(qū)的滲透穩(wěn)定，過渡料對墊層料應(yīng)具有反濾的功能，過渡區(qū)應(yīng)按墊層區(qū)反濾層的原則進行設(shè)計。

總體而言，高混凝土面板壩防滲系統(tǒng)的層次主要包括以混凝土面板和接縫止水為主的第一道防滲線、以過渡區(qū)保護下的墊層區(qū)為第二道防滲線以及具備強透水性和抗沖蝕性的堆石區(qū)為排水、減壓保護。從滲透穩(wěn)定的角度看，面板堆石壩的上、下游堆石體具有很強的透水性，與墊層料的滲透性相比較，二者相差至少在百倍以上，面板一旦失去防滲能力，墊層將變成防滲斜墻，滲透水頭大部分由墊層區(qū)承擔，堆石體充足的排水能力，將使得壩體浸潤線迅速降低，從而充分發(fā)揮排水、減壓的作用。

4.2 壩體變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)混凝土面板堆石壩因其結(jié)構(gòu)上的特點，壩體堆石的變形對大壩的運行特性和安全有著重要的影響。對于堆石體變形的問題如未能予以足夠的重視，將導(dǎo)致工程出現(xiàn)面板裂縫、止水損壞、面板擠壓破壞等一系列問題?；趯炷撩姘宥咽瘔螒?yīng)力變形特性的分析與研究，以及對現(xiàn)代高混凝土面板堆石壩建設(shè)經(jīng)驗和相關(guān)研究成果的總結(jié)，徐澤平等［27］歸納、提出了混凝土面板堆石壩變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)的理念，其核心在于以壩體的變形控制與協(xié)調(diào)為重點，從材料選擇、斷面分區(qū)和施工填筑分期等方面控制壩體的變形總量，并在變形總量控制的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)壩體各區(qū)域的變形。這一新理念的主要內(nèi)容包括：（1）高混凝土面板壩變形控制的核心是堆石體的變形控制。堆石體的變形與母巖材料特性、堆石顆粒級配、壓實密度，以及壩高、河谷形狀系數(shù)等直接相關(guān)，堆石體的變形控制需綜合考慮上述相關(guān)因素；（2）高混凝土面板壩設(shè)計、施工應(yīng)通過選擇低壓縮性、級配良好的筑壩堆石材料和嚴格控制碾壓密實度以減小壩體變形總量值；（3）高混凝土面板壩的設(shè)計應(yīng)通過合理的材料分區(qū)，實現(xiàn)壩體不同部位、區(qū)域的變形協(xié)調(diào)；（4）高混凝土面板壩的施工應(yīng)通過填筑工序的調(diào)整，為上游堆石區(qū)提供充足的變形穩(wěn)定時間。

在變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)理念中，堆石體變形總量的控制是基礎(chǔ)，在此之上則是分區(qū)變形的綜合協(xié)調(diào)。它主要包含了以下幾個方面。

（1）壩體上、下游堆石區(qū)的變形協(xié)調(diào)。對于混凝土面板堆石壩，壩體上游堆石和下游堆石將協(xié)同承擔蓄水期對面板的支撐作用。對于高壩，下游堆石區(qū)的變形對上游堆石區(qū)和混凝土面板有著顯著的牽制作用。上、下游堆石區(qū)變形的不協(xié)調(diào)，將直接導(dǎo)致壩頂水平位移的增大和混凝土面板順坡向拉應(yīng)力的增加，進而產(chǎn)生面板水平向裂縫。因此，在高面板壩的設(shè)計和施工中，應(yīng)采取工程措施避免上、下游堆石區(qū)模量的較大差異，以協(xié)調(diào)上、下游區(qū)域的變形。

（2）岸坡區(qū)堆石與河床區(qū)堆石的變形協(xié)調(diào)。對于修建于V形河谷或狹窄河谷中的高混凝土面板堆石壩，岸坡區(qū)堆石與河谷中心部位堆石區(qū)的變形將由于岸坡的約束作用而存在一定的差異，過大的差異變形將在岸坡段形成較大的沉降變形梯度，進而導(dǎo)致上游墊層區(qū)和混凝土面板的斜向裂縫。因此，對于狹窄河谷或V形河谷中的高混凝土面板堆石壩，一方面要通過降低壩體堆石整體變形量以減小河谷與岸坡段堆石的變形差，另一方面要在岸坡一定范圍內(nèi)設(shè)置高模量低壓縮區(qū)，以減小岸坡段堆石體的沉降變形梯度，從而實現(xiàn)岸坡區(qū)堆石與河床區(qū)堆石的變形協(xié)調(diào)。

（3）混凝土面板與上游堆石的變形協(xié)調(diào)。相對于散粒體的堆石而言，混凝土面板是一個剛性結(jié)構(gòu)物。在壩體自重和水荷載的作用下，面板與堆石體之間產(chǎn)生摩擦接觸，并通過這種摩擦接觸實現(xiàn)剪應(yīng)力的傳遞。由于混凝土材料與堆石材料性質(zhì)相差懸殊，其接觸面之間經(jīng)常會出現(xiàn)錯動與脫開，這就是面板與堆石間非連續(xù)變形造成的變形不協(xié)調(diào)所致，而這種變形不協(xié)調(diào)將導(dǎo)致面板應(yīng)力狀態(tài)的惡化。因此，在設(shè)計和施工中，一方面要通過工程措施減小和降低堆石體對面板的約束作用，另一方面要通過適當?shù)亩咽钪弑苊饣炷撩姘迮c堆石體之間的脫空。

（4）上部堆石與下部堆石的變形協(xié)調(diào)。對于高混凝土面板堆石壩，堆石材料的流變變形將成為影響壩體和面板應(yīng)力變形特性的一個重要因素。從計算分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由于變形的傳遞作用，壩體上部堆石受流變變形的影響相對較大。因此，在變形控制中還應(yīng)考慮其竣工后長期變形條件下下部堆石體與上部堆石體變形的協(xié)調(diào)。工程中可采取延伸主堆石區(qū)至壩頂或在壩頂部設(shè)置高模量區(qū)的方式以協(xié)調(diào)上、下部壩體堆石的變形。

（5）堆石變形時序的協(xié)調(diào)。從堆石材料的變形特征看，堆石在荷載作用下的變形是一個隨時間變化的過程。堆石體沉降完成的程度與堆石碾壓后的初始孔隙率、堆石塊體的抗壓強度、軟化系數(shù)、下伏堆石體的厚度和特性、上覆堆石壓重（厚度）等有關(guān)。不同區(qū)域堆石填筑順序的變化將有可能造成區(qū)域堆石體變形時序的不協(xié)調(diào)，從而對壩體和面板的應(yīng)力變形性態(tài)產(chǎn)生不利影響。因此，綜合變形協(xié)調(diào)的另一個重要方面是通過合理布置和調(diào)整堆石填筑順序、設(shè)置堆石體預(yù)沉降時間，以協(xié)調(diào)壩體各區(qū)域變形穩(wěn)定時間的差異，從而改善混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)。

4.3 混凝土面板擠壓破壞機理分析在21世紀之初，國內(nèi)外相繼建成了一批200 m級高混凝土面板堆石壩工程。這些工程在投入蓄水運行后，有數(shù)座大壩均出現(xiàn)了河床段面板頂部沿面板縱縫發(fā)生擠壓破壞的問題［28］。從這些工程面板擠壓破壞的現(xiàn)象看，盡管各工程的壩高、河谷形狀以及筑壩材料不盡相同，但其面板的破壞形式表現(xiàn)出值得關(guān)注的一致性，可見其現(xiàn)象背后必定存在著共性問題?？偨Y(jié)這些面板擠壓破壞現(xiàn)象，其共有的特征包括：（1）面板的擠壓破壞均發(fā)生在河谷部位的面板壓性縱縫區(qū)；（2）面板的擠壓破壞均發(fā)生在壩頂部位；（3）面板的擠壓破壞均發(fā)生在縱縫兩側(cè)附近一個相對較窄的寬度之內(nèi)；（4）面板的擠壓破壞均發(fā)生或首先發(fā)生在面板的表層。

混凝土面板是堆石體上的薄板結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力變形性狀直接取決于下臥堆石體的變形特性。在壩軸線方向，由于兩岸堆石體發(fā)生指向河谷中心向的位移，從而導(dǎo)致河床中部的面板將產(chǎn)生沿壩軸線方向的擠壓，這是人們已經(jīng)認識到的規(guī)律。但是，根據(jù)混凝土試驗成果，在長期荷載作用下，混凝土的極限壓應(yīng)變一般可達3000微應(yīng)變量級。而對于高面板堆石壩，根據(jù)實測或有限元計算的面板軸向最大擠壓應(yīng)變一般處于400～1000微應(yīng)變量級，因此即使考慮面板頂部相對不利的受力條件，面板沿壩軸向的抗壓能力在理論上講應(yīng)該是足夠的。

根據(jù)數(shù)值計算分析成果可以發(fā)現(xiàn)，盡管實際的面板的擠壓破壞發(fā)生在出現(xiàn)最大擠壓應(yīng)力的面板上，但卻并未發(fā)生在計算指出的最大擠壓應(yīng)力位置。計算分析和面板應(yīng)力監(jiān)測均表明，在水庫蓄水的情況下，面板沿壩軸線方向的最大壓應(yīng)力位于河床段面板的中部，而并非靠近壩頂?shù)奈恢谩?/p>

4.3.1 面板擠壓破壞的機理分析 面板堆石壩在蓄水以后，由于庫水壓力的作用，壩體上游側(cè)堆石體產(chǎn)生豎直向下和向下游的位移，使蓄水期混凝土面板呈現(xiàn)出向壩內(nèi)凹陷的變形趨勢，從而導(dǎo)致面板沿壩軸線方向向河谷中心位移。對于這一變形趨勢，孔憲京等［29］通過計算分析得出，蓄水期面板壩軸向高壓應(yīng)力區(qū)主要分布在河谷中央豎縫兩側(cè)面板之間。

堆石體在自重作用下將產(chǎn)生沉降位移和水平位移，蓄水以后，壩體上游面在水壓力的作用下向下游位移，壩頂部整體產(chǎn)生向下游側(cè)的位移趨勢。在堆石自重和水荷載的共同作用下，壩頂?shù)淖冃涡问綖橐粋€向下游位移的彎曲曲線（見圖1），由于岸坡的約束作用，河谷中心處向下游的位移最大。從壩體沿壩軸線方向的變形看，由于岸坡地形的作用，河床兩側(cè)岸坡處的堆石體向河谷中心方向位移，左、右兩岸堆石體的位移方向相反，在河床某一部位位移為零（見圖2）。這種由岸坡向河谷中心的位移不僅取決于岸坡地形的陡緩以及河谷的寬度，壩體的整體沉降變形和沿水流方向的變形趨勢也與其密切相關(guān)。

由于蓄水期壩體堆石變形形態(tài)的變化，附于其上的混凝土面板也將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變形。從順河向看，面板上部隨堆石向下游變形。從橫河向看，通過面板與堆石之間剪應(yīng)力的傳遞，兩側(cè)岸坡的面板向河谷中心位移。而河床中心部位的面板，由于位移受到限制，由此產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，擠壓應(yīng)力的最大值就位于沿壩軸線方向位移為零的位置。擠壓應(yīng)力的大小，與堆石體的變形量直接相關(guān)，而是否發(fā)生擠壓破壞，則取決于擠壓應(yīng)力的數(shù)值和混凝土的抗壓能力。

圖1 蓄水期面板頂部順河向位移趨勢（指向下游為正）

圖2 蓄水期面板頂部沿壩軸向位移趨勢（指向右岸為正）

由上述分析可見，面板堆石壩混凝土面板蓄水期發(fā)生擠壓破壞的宏觀原因是堆石的變形。偏大的堆石體變形量值，將導(dǎo)致岸坡面板向河谷中心位移量值的增大，同時，壩頂向下游側(cè)位移的增加，將導(dǎo)致河谷中央面板變形形態(tài)的變化和面板局部的應(yīng)力集中。

為深入研究蓄水期混凝土面板的變形形式和應(yīng)力狀態(tài)，中國水科院采用精細化計算方法對一個典型的面板堆石壩進行了蓄水期的應(yīng)力變形計算分析，通過對混凝土面板厚度方向單元的進一步劃分，可以得出面板應(yīng)力沿厚度方向的變化趨勢。從計算結(jié)果可知，在水庫蓄水的情況下，河谷中央的混凝土面板沿壩軸線方向呈彎曲變形趨勢，盡管河谷中央的面板頂部整體上呈受壓狀態(tài)，但面板表層的壓縮變形與底部的壓縮變形在面板厚度方向存在差異，在整體彎曲變形的趨勢下，面板底部存在向兩側(cè)拉開的趨勢。面板頂部與面板底部的壓應(yīng)力存在較為明顯的梯度變化，面板底部壓應(yīng)力減小，面板頂部壓應(yīng)力增大。

周墨臻等［25］也通過對混凝土面板單獨細劃網(wǎng)格的方式分析了蓄水期面板的受力狀態(tài)，圖3所示為面板頂部順河向彎曲變形的示意。由于混凝土面板沿壩軸線方向是分塊的，為了適應(yīng)該彎曲變形曲線，面板在發(fā)生平行移動的同時，還將發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動。由圖3可見，由于面板具有一定的厚度，當面板發(fā)生轉(zhuǎn)動時，會發(fā)生在面板上表面處局部接觸而下部脫開的情況，并從而導(dǎo)致在縱縫兩側(cè)面板的上表面產(chǎn)生強烈的擠壓作用，這種接觸擠壓可以稱之為轉(zhuǎn)動擠壓。

根據(jù)對實際工程面板發(fā)生擠壓破壞現(xiàn)象的觀察，破損處的面板底部未必一定發(fā)生分離，但這種轉(zhuǎn)動位移的趨勢無疑是存在的。蓄水期面板沿縱縫位置的轉(zhuǎn)動接觸擠壓效應(yīng)反映了分塊混凝土面板與堆石體變形相互作用的結(jié)果。當不考慮面板的轉(zhuǎn)動趨勢，而僅僅由于面板沿壩軸線方向的位移而產(chǎn)生的接觸擠壓可以稱之為位移擠壓，位移擠壓主要與面板沿壩軸向位移相關(guān)。其大小主要取決于壩體在壩軸向相向位移的量值（如圖2所示）。當面板隨壩體堆石發(fā)生順河向位移時，面板沿縱縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)動趨勢，接縫處面板表面將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，面板的轉(zhuǎn)動位移主要與面板頂部順河向位移量值相關(guān)（如圖1所示）。因此，面板縱縫處存在的接觸擠壓效應(yīng)是造成面板擠壓破壞的直接原因。接觸擠壓效應(yīng)包括轉(zhuǎn)動擠壓和位移擠壓兩個方面的作用，前者主要取決于面板順河向彎曲變形的發(fā)展，后者則主要和壩體在壩軸向的水平位移相關(guān)，而這兩方面的位移均與堆石體的總體位移直接相關(guān)。因此，造成面板擠壓破壞的宏觀因素是堆石體過大的變形量值。

圖3 面板變形特性示意圖［23］

4.3.2 避免面板擠壓破壞的工程措施 基于對面板擠壓破壞機理的分析，為避免面板壩面板擠壓破壞而采取的工程措施應(yīng)該綜合考慮堆石變形和接觸擠壓兩方面的因素?？讘椌┑龋?0］根據(jù)數(shù)值計算分析，驗證了在面板受壓區(qū)縱縫填充低壓縮模量材料的方法。徐澤平等［28］通過總結(jié)已建工程的實踐經(jīng)驗，并結(jié)合針對面板擠壓破壞機理的分析，提出了針對面板擠壓破壞的綜合工程措施：（1）改善堆石的材料特性，提高堆石的壓實狀況（控制壩體變形的總體量值）；（2）進一步優(yōu)化壩體的斷面分區(qū)（實現(xiàn)壩體變形協(xié)調(diào)）；（3）合理控制壩體的填筑施工步驟和面板澆筑時機（協(xié)調(diào)堆石體與面板的變形，改善面板應(yīng)力狀態(tài)）；（4）優(yōu)化面板縱縫結(jié)構(gòu)設(shè)計，適當采用縫間柔性填料（提高面板抗擠壓能力）；（5）嚴格控制面板混凝土澆筑質(zhì)量（提高面板抗擠壓能力）。

5 結(jié)論與展望

中國的混凝土面板堆石壩歷經(jīng)30年的發(fā)展，在筑壩關(guān)鍵技術(shù)方面取得了令世界矚目的巨大成就，混凝土面板堆石壩在數(shù)量、壩高、工程規(guī)模和技術(shù)難度等方面均居世界前列?？偨Y(jié)中國混凝土面板堆石壩技術(shù)的發(fā)展之路，最重要的經(jīng)驗就在于對基礎(chǔ)科研的重視，同時結(jié)合具體工程實踐開展有針對性的聯(lián)合攻關(guān)。從30多年前的第一座混凝土面板堆石壩的實踐，到世界上最高混凝土面板堆石壩的成功建設(shè)，中國經(jīng)歷了從引進技術(shù)，到消化吸收，直至自主創(chuàng)新的發(fā)展階段。目前，傳統(tǒng)的“經(jīng)驗方法”正在逐步被基于科學(xué)試驗和計算分析的“經(jīng)驗+理論方法”所替代，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程師的判斷以作出科學(xué)的決策。

理論分析與工程實踐均表明，混凝土面板堆石壩技術(shù)的核心在于壩體的變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)，基于中國面板堆石壩工程實踐所凝練而成的變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)理念正確反映了混凝土面板堆石壩安全建設(shè)實質(zhì)，是混凝土面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)的首要問題。

混凝土面板堆石壩變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)在于對大壩應(yīng)力變形特性的把握，這將依賴于對筑壩堆石材料工程特性的正確認知和計算分析技術(shù)的進一步發(fā)展。目前，工程界對于堆石材料特性和大壩數(shù)值分析技術(shù)的研究日益深入，但由于問題的復(fù)雜性，相關(guān)的研究工作仍滯后于工程建設(shè)需求。未來在材料本構(gòu)關(guān)系、顆粒破碎特性、材料特性的時效變化規(guī)律、堆石流變分析模型、材料真實參數(shù)確定以及大規(guī)模精細化仿真分析方法等方面的研究仍需要進一步深入。

混凝土面板堆石壩壩體滲流安全是關(guān)系大壩整體安全性的重要環(huán)節(jié)，也是面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)的重要問題。與傳統(tǒng)方法不同，新的設(shè)計理念重點在于強調(diào)綜合發(fā)揮壩體各材料分區(qū)的功能，通過各分區(qū)滲透系數(shù)及關(guān)鍵粒組級配的配合，形成相互保護的綜合防滲體系。面板堆石壩綜合防滲系統(tǒng)設(shè)計的基本原則應(yīng)是考慮在混凝土面板完全失效情況下，堆石體不發(fā)生導(dǎo)致大壩潰決的滲透破壞。