混凝土面板坝是以堆石料或砂砾石料为主要筑坝材料，以钢筋混凝土面板及其分缝止水作为防渗结构的高土石坝坝型[1]。2000年以来，国内外面板坝进入200 m级特高坝时代，巴西于2006年建成最大坝高202 m的Campos Novos面板坝[2]；老挝于2005年建成Nam Ngum 3水电站，其面板坝高度达到220 m[3]；马来西亚于2009年建成Bakun面板坝，最大坝高205 m[4]；中国则相继建成了天生桥一级、洪家渡、三板溪、水布垭、江坪河、猴子岩等一系列200 m级高混凝土面板坝[5]。
混凝土面板是面板坝防渗体系的关键防线，其应力变形特性是影响大坝安全的关键。作为弹性薄板结构，面板上作用的法向水压力使其与垫层料之间产生相对位移，从而产生沿接触面的切向摩擦力。显然，面板应力变形主要受控于支撑其工作的堆石料在水压力作用下的应力变形特性及面板与堆石料之间的摩擦接触特性。目前，堆石料的本构模型研究取得大量成果，已能够比较全面地考虑其剪胀剪缩[6-7]、颗粒破碎[8]、湿化流变[9]等复杂特性。
接触面模型研究同样长期受到关注，20世纪60年代，Goodman等[10]就针对裂隙岩体问题提出无厚度接触面单元，成为解决复杂接触问题的基本方法；70年代初期，Wayne等[11]提出了模拟土体与混凝土接触面剪应力与剪切位移关系的双曲线模型，并广泛应用于岩土工程[12]。近年来，接触面模型研究主要集中在模拟单调和循环荷载作用下接触面法向胀缩、峰后软化等复杂行为[13-17]，这类模型的本质是模拟接触面附近土体强剪切带的应力变形特性[18]。
值得指出的是，上述接触面模型大多基于平面应变剪切试验建立，即假定剪应力和相对剪切位移是沿固定方向。实际面板坝工程大多修建于V形河谷，三维效应比较显著，面板与垫层之间接触应力和相对位移量值与方向的变化远较平面应变条件复杂。Evgin等[19]曾开展接触面双向剪切试验，发现两个剪切方向耦合效应显著。本文简要介绍了双曲线接触面模型及其三维形式；提出了三维条件下接触面模型应满足的条件；提出了一个考虑双向剪切特性的接触面模型，并以水布垭面板坝为例，展示了接触面模型在面板坝应力变形计算中的应用。
分析了现有三维接触面模型的不足，提出了一个模拟混凝土面板与堆石料双向摩擦接触特性的无厚度接触面模型，该模型与传统模型及同类弹塑性模型相比，具有3个特点。 （1）满足接触面剪切强度准则和力学响应的标架无差异原则，且可以反映两个剪切方向的相互影响。满足标架无差异原则，使该模型实际应用时，计算结果与局部坐标系选择无关。
（2）由于未考虑剪切软化等复杂特性，模型参数仍比较简单，与传统接触面模型相比，仅增加一个弹性参数，只需通过常规的恒定法向应力的接触面剪切试验即可确定全部参数。
（3）模型的数值实现方便，只需简单修改传统接触面模型的剪切模量矩阵即可，且模型模拟结果与实际案例出现的情况定性上相符。
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