1　概述

对面板堆石坝而言，坝体的应力变形特性是关系到坝体安全和运行性状的一个重要问题。在我国的面板堆石坝工程实践中，虽然取得了一定的成绩，但也有一些失败的教训。沟后面板砂砾石坝的垮坝事件、株树桥面板堆石坝面板的塌陷以及天生桥面板堆石坝的大量结构性裂缝等问题，都提示着我们切不可对面板堆石坝的应力变形问题掉以轻心。近些年来，随着面板堆石坝坝高的不断增加、坝址地形条件的日趋复杂，工程中对面板堆石坝应力变形分析的理论和分析手段也提出了越来越高的要求。对于高面板堆石坝，如何正确预测坝体在各种工况条件下的变形趋势并在此基础上优化坝体的设计、确保面板受力的均匀，已成为面板堆石坝设计中的一个关键问题。

根据几年来在河口村面板堆石坝所做的一些研究工作和坝基处理的措施，阐述面板堆石坝应力变形分析的方法、原理，并分析、探讨混凝土面板堆石坝在各种情况下的应力变形规律及其相关影响因素。从理论分析和工程实践两方面对混凝土面板堆石坝的应力变形特性进行系统的论述，从而为工程设计和施工提供有益的参考。

三维有限元计算分析可以综合对坝体、坝基及防渗墙、板体系（面板、趾板、连接板）进行变形与应力计算分析，有助于设计方案论证。通过三维有限元的计算，准确分析与预报大坝在施工与运行期间的性能，大坝施工填筑方式，为设计提供科学决策的依据；覆盖层上面板坝的应力变形，特别是防渗墙和面板的应力状态，防渗墙与趾板以及趾板与面板接缝变形的正确预测，对覆盖层上面板坝的设计、施工以及安全运行具有十分重要的意义。本书通过分析深覆盖层上面板坝各种工况下坝体和面板的应力应变大小和分布；周边缝和垂直缝的变位；为面板坝坝料分区、断面优化、施工进度安排、运行状态预测提供依据，从而提高技术水平，最终提交安全、经济、合理的设计产品。

对于深覆盖层上面板堆石坝复杂结构的应力变形特性分析，数值计算研究是目前最主要的分析方法，其中，堆石体的本构模型以及接触面和接缝系统的模拟是分析中的关键所在。

在模型计算参数方面，难点在于覆盖层参数的确定，由于覆盖层密度、级配等难以准确确定，所以室内试验难以合理确定覆盖层计算参数，研究中结合物探、现场载荷试验、室内试验等综合考虑。通过静力三轴压缩试验测定坝料的应力—应变及体变—应变关系，得到所需的静强度指标和相应的模型参数；通过振动三轴试验测定坝料在动应力作用下的应力、应变和孔隙水压力的变化，得到所需的动应力比值及分析计算所需的其他参数；通过动模量阻尼试验，确定坝料的最大动剪切模量与有效固结压力的关系及动剪切模量比、阻尼比与动剪应变的关系，最终得出所需的不同动剪应变下的动剪切模量比值和阻尼比值。通过对大坝结构三维非线性有限元静力和动力分析，得出大坝各分区的设计与填筑的标准、坝体分层填筑与面板分期浇筑方案合理，坝体抗震性能就会好。书中通过三维有限元的计算准确分析与预报大坝在施工与运行期间的性能，大坝施工期填筑方式，可向业主与设计部门提供科学决策的依据。

为确保工程安全，面板坝布设合理，为坝体设计、稳定、应力应变计算提供必要的计算参数，并为验证设计坝体结构的安全性及合理性、为进一步优化坝体设计提供依据，需对河口村水库混凝土面板坝坝料力学特性进行试验研究，并对坝体进行应力应变分析与安全评价。

主要包括下列几个方面研究内容：

（1）通过计算分析研究坝体、防渗墙、坝基覆盖层砂卵石在施工期和蓄水期的应力变形特性。计算分析施工期和蓄水期，坝体沉降、水平位移分布（顺河向及沿坝轴线方向）以及坝体大、小主应力及应力水平分布。

（2）深覆盖层下防渗墙与坝体的合适位置关系研究，其静力和动力条件下的应力变形情况。包括防渗墙与坝体之间的连接板设置一块、二块时，防渗墙、连接板、趾板之间的变形、接缝位移及各自的受力特性。

（3）深覆盖层下防渗墙的应力应变特性及其不同混凝土材料C25与C35材料的选取对受力、变形、位移特征，供防渗墙结构设计时参考。

（4）在深覆盖层上的面板坝周边缝、面板张性缝、压性缝的接缝位移、变形的允许范围，包括防渗墙、连接板、趾板之间的接缝变形规律，指导设计进行合理的止水结构设计。

（5）通过计算混凝土面板的挠度和坝轴向位移分布，分析计算混凝土面板的应力分布，对结构配筋提出建议。

（6）模拟施工填筑顺序，研究坝体填筑高差的合理控制高度、坝体超填高度、预留沉降时间对面板应力变形的影响。

（7）筑坝材料敏感性分析计算作为设计施工控制指标。

（8）面板坝接缝止水设计计算：运行期和施工期面板周边缝变位和垂直缝变位数值，在设计上选择能适应该变形的止水结构和止水材料，覆盖层上面板坝的防渗体系的安全性是否有保障。

根据计算分析成果及工程类比，对本工程的面板堆石坝安全性作出评价。

技术创新点：进行三维静力应力应变有限元计算，结合目前国内外100m以上的深覆盖层上的面板坝工程应力应变计算结果，总结出一系列相关的应力应变规律。

修建在深覆盖层上的面板坝的主要工程问题是坝体变形以及变形过大引起的接缝张开和面板断裂而导致渗水，变形问题特别是对面板变形的控制问题是面板坝设计的主要问题之一。因此，对深覆盖层上面板坝的坝体变形控制研究，提出控制变形措施，使面板及接缝的变形值在允许范围内，是面板坝成败的关键。

主要技术指标或经济指标：数值计算和模型试验是当前解决科学和工程问题的两大手段，对于面板坝这样的大型工程问题，整体模型试验在时间和经费上的消耗是难以承受的，同时由于几何相似和物理相似的困难，小尺度试验并不能反映实际工程的真实情况。另外，随着计算技术的不断发展，并通过已建工程的实测资料的反馈分析修正计算模型和参数，使得数值计算的可信度有了很大的提高，目前已经成为在工程建设前进行工程安全评价、方案优化比较的唯一而廉价的技术手段。

建造在深覆盖层上的混凝土面板堆石坝，由于覆盖层会产生较大的沉降值和不均匀沉降差，所以存在防渗结构复杂、防渗可靠性差、基础防渗墙与趾板连接处易破坏等问题，面板会因变形过大产生裂缝。因此，最关键技术是确保大坝防渗体系在变形与强度方面控制在设计允许范围内。