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混凝土面板坝具有安全性、经济性和适应性等特点,具有竞争力和发展前景。目前,砂砾石是一种广泛分布于河床和滩地的天然材料,与爆破堆石料相比,其开采成本低、施工简便,且压实不易破碎等优点常被选为混凝土面板坝的筑坝材料。我国西北地区已建或在建多座百米级的混凝土面板砂砾石坝,有的抗震设计烈度大于或等于8度。由于天然砂砾料具有级配离散性差、间断性和施工易分离性的特点,抗渗透破坏和抗冲蚀的能力相对较差。大坝防渗体一旦发生破坏,将对安全构成威胁。目前,国内外学者对混凝土面板坝防渗体破坏大都分别从流、固两种不同的角度去研究,对地震作用也都以震后大坝防渗体损伤、坝体渗流的状态来评价坝体安全性。然而,一旦防渗体损伤开裂将会导致库水渗漏,引起渗流-砂砾石料-防渗面板的相互作用,有可能对大坝安全产生更不利影响,这在以往的研究中尚未见报导。在非稳定渗流场的作用下,坝体应力和变形必然会发生改变,这种非稳定渗流-应力耦合的作用对坝体和混凝土面板会产生什么影响,需要进行深入研究。因此,研究基于非稳定渗流-应力耦合的计算方法对评价大坝安全具有重要理论和工程意义。本文采用混凝土损伤模型和堆石料广义塑性模型为基础的非稳定渗流-应力耦合计算方法,分析在非稳定渗流作用下,大坝应力和变形的变化规律。主要工作有:(1)建立了以混凝土损伤模型和堆石料广义塑性模型为基础的非稳定渗流-应力耦合计算方法。自编与岩土工程商业软件系统-GeoStudio配套软件形成计算文件,应用Seep/w模块进行非稳定渗流分析,计算出节点孔隙水压力,并将孔压映射到固体网格。对某面板砂砾石坝筑坝材料的静、动力三轴试验结果进行拟合,整理出广义塑性模型计算参数,为坝体静、动应力分析提供依据。(2)采用本文建立的计算方法,在极端、正常工况下,分别对沟后面板砂砾石坝溃坝过程进行二维非稳定渗流-应力耦合有限元分析、二维有限元稳定分析。由此验证计算方法的合理性,计算程序、计算参数的可靠性。结果表明:极端工况下,库水沿粗粒料和细粒料交界面延伸且在重力的作用下向四周扩散。将坝体分为饱和区和非饱和区,最终达到稳定渗流状态。坝料填筑严重分层及筑坝材料排水不畅,对下游坝坡的稳定是不利的;正常工况下,垫层控制着坝体的渗流量,大部分水头集中损失在垫层中。面板局部破坏处小范围出现拉应力,但拉应力值很小,不至于引起面板进一步损伤和破坏,水深对面板局部影响不显著。(3)对坝高为200m弱透水性面板砂砾石坝进行二维静、动力有限元分析,确定面板损伤分布,根据面板损伤情况,确定混凝土面板渗透系数的变化。考虑垫层失效且坝料填筑明显分层的极端工况,进而对震后坝体进行非稳定渗流计算,研究这一过程中大坝应力和变形的变化规律。结果表明:地震结束后大坝在非稳定渗流作用下,面板和坝体变形发生回弹;坝体和面板小主应力(压应力)均显著减小,面板局部出现拉应力,部分区域损伤值变大;评价大坝极限抗震能力时,除了考虑地震结束时面板的损伤状态,还应考虑渗流发展,进一步计算非稳定渗流对应力场的影响。