变形控制是高土石坝在设计和运行中的核心问题之一,不协调变形将引起土石坝坝体裂缝。心墙堆石坝蓄水时,上游堆石料因为浸水会产生湿化变形,使得上游侧坝体产生了明显的沉降和向上游的水平位移,极易造成坝顶和上、下游坝坡顶部的变形不协调,进而发生裂缝。如小浪底、瀑布沟等心墙堆石坝坝顶均出现了沿坝轴向分布的裂缝。因此,研究堆石料的湿化变形特性、发展土石坝变形的数值模拟及裂缝分析方法具有重要的工程应用价值。首先,本文在前人研究粗粒土湿化变形成果的基础上,深入分析了湿化应变之间的关系,提出了新的粗粒土湿化应变模型;然后,结合堆石料湿化变形机理与过程,研究了如何在土石坝有限元分析中考虑湿化变形,提出了土石坝湿化变形的非线性弹性和弹塑性计算方法,并应用于实际工程的湿化变形计算。同时,采用弥散裂缝模型对大坝蓄水过程中坝顶裂缝进行了模拟。最后,利用网格加密和并行计算等技术实现了百万单元以上量级的高土石坝填筑与蓄水过程模拟,并对瀑布沟高心墙堆石坝进行了模拟。本文主要研究内容如下:(1)分析前人湿化试验成果发现,湿化过程中体积应变与轴向应变满足线性关系,湿化轴向应变与湿化应力水平呈双曲线关系,湿化体积应变与湿化轴向应变的比值k、湿化时的球应力p、广义剪应力q三者满足扭面关系。论文在拟合试验结果给出了 q/p与k的关系之后,提出了一个粗粒土新的湿化应变模型。(2)在非线性弹性理论的框架下,结合提出的湿化应变模型及湿化过程中轴向应变与体积应变的线性关系,考虑堆石料在湿化过程中模量软化等,推导了湿化割线模量与泊松比的表达式;据此建立了堆石坝湿化变形的非线性模拟方法;计算了观音岩心墙堆石坝的湿化变形。(3)在弹塑性理论框架下,结合堆石料的湿化试验,修正了双屈服面模型的湿化塑性势函数;构建了通过改变力学参数模拟湿化变形的弹塑性方法;开发了弹塑性方法模拟土石坝的有限元程序,模拟了观音岩大坝的填筑和蓄水过程。(4)采用应力分析法和变形倾度法对大坝竣工和蓄水后坝顶处裂缝进行了分析;开发了利用弥散裂缝模型模拟裂缝扩展的程序,并将其嵌入土石坝静力计算程序中,模拟了观音岩大坝蓄水过程中坝顶裂缝的扩展。(5)发展了高土石坝填筑和蓄水过程的精细化有限元模拟方法。利用编程语言开发了土石坝数值模拟中对应的网格剖分、刚度矩阵的存储与计算、方程求解等模块;实现了高土石坝百万单元量级以上的精细化模拟,并将其应用于瀑布沟高心墙堆石坝的填筑和蓄水过程计算分析中。