混凝土面板堆石坝在实践中展现出来的安全、经济和适应性良好的特点,深受坝工界的青睐。经过不断的建设和研究,在技术上得到了长足的发展,目前在建的中国水布垭面板堆石坝坝高已达233 m。尽管在混凝土面板堆石坝的各个方面都取得了卓著的成就,但其设计和建设在相当大的程度上仍依赖于经验,一些工程在投入运行后出现面板变形、开裂、渗漏,甚至溃决的事故而造成严重的人民生命财产损失。随着300米级面板坝的建设,以及在强震、高寒、深厚覆盖层和复杂工程地质上筑坝,从理论上深入系统地研究面板坝的安全性问题具有重要现实意义。本课题在系统阐述混凝土面板堆石坝的发展过程和设计研究现状的基础上,针对混凝土面板堆石坝的工程特点和关键技术问题,从堆石体应力变形和面板抗裂两部分来研究混凝土面板堆石坝的安全性问题,采用有限元数值分析及理论解析方法,开展以堆石体应力变形数值模拟和混凝土面板抗裂为核心的研究。主要包括以下几个方面的内容:(1)面板堆石坝应力变形数值分析模拟技术。系统介绍了面板堆石坝本构模型及其模拟方法,包括堆石体、面板、接缝止水、接触面以及面板与垫层的脱空模拟;以及对邓肯张模型参数的敏感性与统计分析,从而不需试验即可充分了解模型参数的变化趋势与数值范围。(2)研究深厚覆盖层、河谷几何形状、堆石及面板的施工工序对面板坝应力变形特性的影响,分别得出:①采用部分挖除覆盖层、让趾板直接坐落在基岩上的地基处理方式,有利于改善面板的变形和应力,且面板与基础建议采用柔性连接方式。②在坝高与坝体材料确定不变的情况下,狭窄河谷中坝体和面板的位移数值明显小于宽河谷中的情况,而面板的应力则是在狭窄河谷的情况下较大。③就改善坝体的变形性状而言,坝体的填筑最好是实现坝体上、下游全断面均衡上升;为减少坝体变形对面板应力的影响,面板的浇筑最好应等待坝体变形稳定一段时间后再施工;从改善面板的应力看,面板一次施工到顶要相对优于面板分期浇筑。(3)面板堆石坝渗流分析、稳定方法研究。介绍了渗流理论及其有限元模拟方法,实现了基于ADINA的渗流场分析;通过对常用坝坡稳定分析方法的比较,提出计算边坡安全系数的修正重度增大法和坡向离心法。(4)面板力学状态、开裂机理、影响因素及安全性评价指标研究。对混凝土面板出现的开裂现象进行了受力状态、开裂机理的分析,对各影响因素进行研究,如:面板厚度,面板配筋率,钢筋直径,配筋位置,热膨胀系数,综合温差等,进而对面板安全性评价指标进行了探讨。通过研究分析,探明了裂缝的发生发展过程,为工程设计及抗裂研究奠定了基础。(5)面板抗裂措施研究。在系统总结的基础上,将抗裂措施总结分类为三部分,包括结构措施、材料措施、施工养护措施,并提出双层面板结构抗裂措施,通过分析验证了该措施的可行性,并指出通过坝体结构分区优化可以起到减少裂缝的作用。