張 弛 徐 婷 陳 鵬

（西京學(xué)院，陜西 西安710123）

在我國(guó)過(guò)去的70 年中，水庫(kù)大壩通常以堆石料構(gòu)筑的土石壩為主。堆石料在荷載不變的條件下會(huì)產(chǎn)生的長(zhǎng)期變形，即堆石料流變。由于堆石料具有長(zhǎng)期變形的特性，例如1989 年中國(guó)建成的第一座面板堆石壩- 西北口面板堆石壩，運(yùn)行7 年后仍有較大的變形[1]。土耳其的Ataturk 心墻堆石壩竣工后壩頂沉降達(dá)2.5m，壩體最大沉降達(dá)7m[2]。通過(guò)實(shí)例可知，許多地區(qū)由于材料限制，惡劣的環(huán)境條件以及長(zhǎng)期運(yùn)行中各種意外因素對(duì)面板堆石壩的長(zhǎng)期安全不利。

目前為止，面板堆石壩中堆石料的短期變形已有了較多的研究，而長(zhǎng)期變形的研究相對(duì)較少。因此我國(guó)面板堆石壩在發(fā)展中必須要面對(duì)堆石料長(zhǎng)期變形的挑戰(zhàn)，將重點(diǎn)歸納目前環(huán)境因素對(duì)堆石料長(zhǎng)期變形的影響研究。

1 堆石料的干濕循環(huán)

面板堆石壩在運(yùn)行過(guò)程中，常要經(jīng)歷水位的升降變化或淋雨所引起的干濕循環(huán)。例如目前Justo & Durand[3]的研究表明，Martin Gonzalo 大壩在建成后，降雨強(qiáng)度對(duì)沉降速率有較大的影響，隨著降雨強(qiáng)度增大，沉降速率加快。Alonso 等[4]分析發(fā)現(xiàn)Beliche 大壩的沉降與降雨強(qiáng)度、壩體的蓄水位相關(guān)。這些例子均表明，干濕循環(huán)與堆石料的變形尤其是長(zhǎng)期變形都有密切的聯(lián)系。

介于干濕循環(huán)對(duì)堆石料長(zhǎng)期變形的重要影響，在清華大學(xué)的巖土工程研究改進(jìn)的WYKEHAM 中型三軸試驗(yàn)儀上進(jìn)行了三軸干濕循環(huán)試驗(yàn)，得出在各項(xiàng)等壓時(shí)，較低的圍壓條件下，體積變形量與圍壓成正比，較高圍壓下成反比。

在施加偏應(yīng)力且圍壓與應(yīng)力水平相同的條件下，軸變量與圍壓的關(guān)系與各項(xiàng)等壓條件下的類似。值得注意的是，初次軸變量占總體的變量較大，一般為75%～95%，且隨應(yīng)力水平的增大而增大。后期的干濕循環(huán)中變形量通常在排干過(guò)程中，同時(shí)隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定。

對(duì)于上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以采用雙曲線模型模擬僅由干濕循環(huán)導(dǎo)致體積應(yīng)變和軸向應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。體積應(yīng)變擬合曲線為

軸向應(yīng)變擬合曲線為

通常變換為

式中：n 為循環(huán)次數(shù)，a1，av是軸應(yīng)變和體應(yīng)變與n 的關(guān)系曲線的初始斜率的倒數(shù)，b1，bv為最終軸應(yīng)變和體應(yīng)變的倒數(shù)。

從目前的研究發(fā)展來(lái)看，堆石料干濕循環(huán)對(duì)面板堆石壩的長(zhǎng)期變形有著不可忽視的影響。通過(guò)試驗(yàn)與建立干濕循環(huán)雙曲線的本構(gòu)關(guān)系模型可以在一定程度上預(yù)測(cè)出干濕循環(huán)的長(zhǎng)期影響，但由于室內(nèi)試驗(yàn)的局限性，試樣進(jìn)行了等量替換的縮尺，會(huì)導(dǎo)致尺寸效應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)室內(nèi)試驗(yàn)的干濕循環(huán)速度比實(shí)際工程水位升降要快得多，因此室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能完全反映出實(shí)際的干濕循環(huán)的影響。

而且在實(shí)際工程中，堆石料通常會(huì)產(chǎn)生風(fēng)化作用，風(fēng)化的堆石料會(huì)產(chǎn)生更大的變形。因此在未來(lái)的試驗(yàn)及數(shù)值模擬的本構(gòu)建立中，應(yīng)考慮尺寸效應(yīng)、風(fēng)化作用等的影響，以便得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2 堆石料的溫度變化

近年來(lái)，我國(guó)在東北、西北、西南等地區(qū)修建了大量的面板堆石壩，這些地區(qū)通常工程環(huán)境較差，夏季冬季溫度變化大或晝夜溫差較大，導(dǎo)致堆石料經(jīng)歷溫度循環(huán)變化，流變狀態(tài)不穩(wěn)定。最終引起面板堆石壩在長(zhǎng)期使用過(guò)程中變形增大，對(duì)長(zhǎng)期安全不利。

目前，南京水利科學(xué)研究院筑壩材料試驗(yàn)中心通過(guò)研制并改進(jìn)大型劣化儀測(cè)得溫度循環(huán)變化對(duì)堆石料的強(qiáng)度和變形產(chǎn)生的影響。堆石料強(qiáng)度經(jīng)流變穩(wěn)定后增大，且溫度越高強(qiáng)度越大，但經(jīng)溫度循環(huán)后強(qiáng)度降低，循環(huán)次數(shù)越多強(qiáng)度衰減越大。堆石料的體積變形符合熱脹冷縮規(guī)律，溫度升高體積膨脹，溫度降低體積收縮，經(jīng)溫度循環(huán)后體積流變量大于未經(jīng)溫度循環(huán)的堆石料，隨循環(huán)次數(shù)增加體積流變量減小。軸向變形由于受體積變形的影響，隨溫度升高變形減小，反之增大，軸向流變量經(jīng)溫度循環(huán)，變化與體積流變量類似，且也隨著循環(huán)次數(shù)增加軸向流變量減小，最終趨向穩(wěn)定。

試驗(yàn)也指出，溫度循環(huán)會(huì)導(dǎo)致堆石料顆粒產(chǎn)生劣化破碎、重新排列，整體破碎率增大，可推斷出體積與軸向變形因溫度循環(huán)次數(shù)增加而增大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖，證明顆粒破碎對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法起到?jīng)Q定性影響，原因可能是經(jīng)數(shù)次溫度循環(huán)后劣化破碎已經(jīng)完成。

但在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)考慮溫度效應(yīng)產(chǎn)生的影響以得到更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室條件受限，溫度循環(huán)次數(shù)較少，而且只采用一種巖體的堆石料為實(shí)驗(yàn)材料不能證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此想要普遍的規(guī)律，還應(yīng)繼續(xù)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明。

3 冷濕- 干熱耦合作用

在面板堆石壩的長(zhǎng)期運(yùn)行中，通常溫度變化與干濕循環(huán)不會(huì)單獨(dú)作用。因此，想要得到實(shí)際工程中堆石料長(zhǎng)期變形受環(huán)境影響的因素，必須考慮溫度變化和干濕循環(huán)耦合作用下對(duì)堆石料的共同影響。

孫國(guó)亮等[5]探討了冷濕- 干熱耦合循環(huán)作用下堆石料的變形，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓縮應(yīng)變約為0.3%，變形主要發(fā)生在干熱階段，濕冷階段會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較小的應(yīng)變膨脹反彈。冷濕- 干熱耦合循環(huán)作用下的壓縮變形與單獨(dú)干濕循環(huán)的規(guī)律類似，但變形幅度較大，20 次循環(huán)后的豎向變形從3%增加到4.8%。

由下圖可見冷濕- 干熱耦合、冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)3 種條件下的軸向應(yīng)變，通過(guò)比較可得出冷濕- 干熱耦合對(duì)堆石料的影響最大，同時(shí)也證明了冷濕- 干熱耦合作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)變不是冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的疊加。前期循環(huán)中冷濕- 干熱耦合作用下的堆石料軸向變形主要來(lái)自于干濕循環(huán)，后期的變形主要來(lái)源由于溫度變化產(chǎn)生附加作用導(dǎo)致堆石料劣化變形。

不同類型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Comparison of strain under different conditions

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后的試驗(yàn)進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)和濕冷- 干熱耦合循環(huán)的顆粒破碎率分別為2%、2.8%和5.6%。濕冷- 干熱耦合循環(huán)導(dǎo)致堆石料劣化更加接近實(shí)際工程情況。但由于堆石料顆粒的劣化是一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，即使試驗(yàn)采用了較易劣化的泥質(zhì)粉砂巖也較難觀測(cè)堆石料的劣化過(guò)程。

因此，想要得到更加接近實(shí)際工程中堆石料受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的長(zhǎng)期變化規(guī)律，除了進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)外，也可以分別對(duì)其顆粒建立數(shù)值模擬，賦予不同尺寸粒徑、顆粒形狀等數(shù)值進(jìn)行分析計(jì)算。

4 結(jié)論

環(huán)境對(duì)堆石料長(zhǎng)期變形的影響通常表現(xiàn)在溫度變化，干濕循環(huán)及濕冷- 干熱耦合循環(huán)幾個(gè)方面，通過(guò)總結(jié)研究結(jié)果可以得出無(wú)論是溫度變化還是干濕循環(huán)都會(huì)導(dǎo)致堆石料的劣化從而對(duì)長(zhǎng)期變形產(chǎn)生的影響。

濕冷- 干熱耦合循環(huán)得到的結(jié)果更加接近實(shí)際工程情況，前期循環(huán)中堆石料軸向變形主要來(lái)自于干濕循環(huán)，后期的變形主要來(lái)源由于溫度變化產(chǎn)生附加作用導(dǎo)致堆石料劣化變形。但總體來(lái)說(shuō)，由于試驗(yàn)中采用的材料種類單一，顆粒尺寸較小等因素，得到的結(jié)論與實(shí)際情況相比還需進(jìn)一步的推敲。