考虑时变效应的面板堆石坝三维湿化变形研究1）

考虑时变效应的面板堆石坝三维湿化变形研究1）

黄耀英

【摘要】Since the wetting deformation of the rockfill material after soaking is not generated instantaneously but rather in a gradual development process, the time-effect analysis for the wetting deformation is proposed in this paper. The formula for the wetting shear strain component of the rockfill material is derived based on the Prandtl-Reuss flow rule. Then the three-dimensional wetting strain component is obtained by superposition of the wetting volumetric strain component. The relationship between the three-dimensional wetting strain component and the wetting strain component in the uniaxial state is analyzed. It is pointed out that the computational formula of the three-dimensional wetting strain component in literature is not rigorous. In analogy with the formula of the three-dimensional rheological deformation of the rockfill material, the time-effect computational formula of the wetting deformation is derived. Example analysis shows that the settlement of the dam crest produced by the wetting deformation increases with time, and the time for the steady deformation is inversely proportional with the rate of the wetting deformation.%针对堆石料浸水后的湿化变形并不是瞬时产生，而是一个渐进发展过程这一现象，建议将湿化变形进行时变计算。首先采用Prandtl-Reuss流动法则推导了湿化剪切应变分量，然后叠加湿化体积应变分量，获得三维湿化应变分量；通过分析三维湿化应变分量和单轴应力状态下的湿化应变的关系，指出有关文献推导的三维湿化应变分量计算公式不严谨；然后类比于堆石

料流变变形计算公式，推导了湿化变形时变计算公式。实例分析表明，湿化引起坝顶沉降随时间逐渐增大，变形稳定的时间与湿化变形速率呈反比关系。

【期刊名称】《力学与实践》

【年(卷),期】2016(038)003

【总页数】5页(P290-293,268)

【关键词】湿化变形;时变分析;面板堆石坝;三维状态

【作者】黄耀英

【作者单位】三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002

【正文语种】中文

【中图分类】TV641.4+3

对于混凝土面板堆石坝，由于堆石料浸水后的湿化变形可能会造成面板和垫层料之间脱空，从而影响面板的内力分布，引起面板产生较大的拉应力甚至开裂，因此，国内外学者针对堆石料的湿化试验和计算模型、方法开展了大量的研究[1-2].考虑堆石料湿化变形的试验主要有双线法[3]和单线法[4].与双线法相比，单线法与实际情况更接近，但是试验难度较大.Nobari等[3]基于双线法对湿化问题进行了研究，采用全量的应力-应变关系计算初应力.刘祖德[5]利用砂土进行湿化试验，发现堆石料湿化后变形模量有明显的减小，但泊松比变化不明显.殷宗泽等[6]改进了

Nobari等的方法，采用增量的应力-应变关系计算初应力.李广信[7]基于湿化试验

提出了湿化割线模型和塑性模型.朱百里等[8]在单线法的基础上，提出了湿化体应

变和湿化剪切应变的计算公式，其假设湿化体应变近似为常数.由于试验表明，不

同围压对湿化体应变影响较大，而且剪应力（应力水平）对体积应变也有影响，为

此，李全明等[9]、王富强等[10]和张宗亮[11]对湿化体应变的计算公式进行了改进.魏松[12]基于殷宗泽双屈服面模型，建立了考虑湿化效应的弹塑性本构模型.岑威

钧等[13]探讨了考虑湿化效应的堆石料Gudehus-Bauer亚塑性模型.程展林等[14]比较系统地进行了单线法和双线法湿化试验，并初步提出了堆石料湿化模型和模型参数.彭凯等[15]通过研究湿化轴向变形及体积变形与围压和应力水平的关系，提

出了单线法湿化变形经验公式.由于在堆石坝施工或运行期间，水库蓄水、水位波动、降雨入渗等，都会使堆石料浸水产生湿化变形，因此，目前关于非饱和湿化试验[16]以及考虑干湿循环的湿化试验[17]等也陆续有一些报导.

对上述湿化变形的数值计算方法分析可知，无论是将湿化变形转换为“初应力”还是“初应变”，均假设湿化变形是瞬时产生，然后采用迭代法进行计算.由于面板

堆石坝蓄水后，渗流饱和存在时间过程，即堆石料浸水后的湿化变形并不是瞬时产生，而是一个渐进发展过程，为此本文探讨湿化变形的时变分析方法.

1.1 湿化模型与湿化计算

当通过试验获得堆石料浸水后湿化变形的计算公式时，采用初应变法研制程序.为此，以下将湿化变形作为初应变考虑.本文在进行湿化变形分析时，采用改进的沈

珠江湿化模型[9]

式中，εvsf为湿化体积变形，γsf为湿化剪切变形，σ3为围压，S为应力水平，a，b和Dw为试验参数.

在三维有限元计算中，目前常用两种方法将湿化试验值转换为6个应变分量：（1）由堆石料湿化试验值计算3个湿化主应变[18]，然后由转换矩阵获得6个湿化应

变分量.（2）采用Prandtl-Reuss流动法则，由湿化试验值获得湿化应变分量.由

于后一种方法理论严谨，为此，假设比例系数λ=γsf，同时假设塑性势函数为Mises屈服函数采用Prandtl-Reuss流动法则[19]推导获得湿化剪切应变分量εs

为