朱 晟，陸雪妮，湯洪潔，孟 濤，路德任

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

1 概述

筑壩堆石或砂礫料的最大粒徑一般為30～80cm，而三軸試驗試樣的最大直徑只有1.0m左右[1- 3]，仍然不能滿足原級配粗粒土試驗徑徑比的要求，現(xiàn)階段確定超徑筑壩料的力學(xué)性質(zhì)主要依靠室內(nèi)縮尺試驗手段，首先面臨的問題是如何合理選擇級配縮尺方法和制樣標(biāo)準(zhǔn)。

目前級配縮尺主要有剔除法[5]、相似(平行)級配法[6]、等量替代法[7]、混合(結(jié)合)法[8]和分形縮尺法[9]，國外縮尺試驗研究主要使用相似級配法[2，10- 12]。對于級配縮尺后存在明顯截尾誤差的砂礫料，采用相同干密度制樣時大粒徑試樣的抗剪強(qiáng)度和體積壓縮性都有所增大[11- 12]，水布埡堆石料的反演結(jié)果也證明了這一現(xiàn)象；而且，由于干密度的尺寸效應(yīng)，隨著制樣干密度的逐步提高，其相對密度差異逐步增大，導(dǎo)致兩者的力學(xué)性質(zhì)差異越來越大，小粒徑試樣甚至出現(xiàn)了先硬化后軟化的緊砂剪脹特性[12]，可見干密度縮尺效應(yīng)直接影響室內(nèi)縮尺試驗的制樣標(biāo)準(zhǔn)[4]。

考慮到縮尺后可能的砂化或排水性過差出現(xiàn)粘性粗粒土問題，需要規(guī)定超徑壩料不同縮尺方法的使用條件[17]。DLT 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》建議以縮尺后級配小于5mm顆粒含量不大于15%作為相似縮尺方法的使用條件，使得絕大部分壩料只能使用混合法縮尺[17]；而國外級配縮尺試驗研究基本采用相似法。不同的級配縮尺方法對三軸試驗結(jié)果具有重要影響[18]，需要結(jié)合實際工程的深化研究，尋求更客觀反映堆石壩變形性能的縮尺方法使用條件。

為此，本文結(jié)合最大壩高164.8m的阿爾塔什面板壩壩料開展現(xiàn)場與室內(nèi)相對密度試驗，通過現(xiàn)場密度桶試驗手段，研究砂礫料真實的干密度縮尺規(guī)律，并根據(jù)試驗結(jié)果確定級配縮尺方法和制樣標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行大型三軸試驗和大壩變形應(yīng)力計算；同時，利用原型大壩監(jiān)測資料，檢驗室內(nèi)縮尺試驗結(jié)果的合理性和精度。

2 壩料試驗

2.1 填筑級配

統(tǒng)計壩料的填筑級配，如圖1所示。其中砂礫料第3方檢測級配資料173組、施工自檢級配資料1444組，堆石料第3方檢測級配資料34組、施工自檢級配資料78組。

圖1 壩料填筑與室內(nèi)縮尺試驗級配

2.2 相對密度試驗

2.2.1砂礫料現(xiàn)場密度桶試驗

結(jié)合圖1填筑砂礫料的平均級配，按相似法得到如圖2所示的縮尺試驗級配，采用NB/T 35016—2013《土石筑壩材料碾壓試驗規(guī)程》規(guī)定的密度桶法，進(jìn)行現(xiàn)場相對密度試驗。

圖2 壩料的室內(nèi)相對密度試驗結(jié)果

2.2.2室內(nèi)相對密度試驗方案

室內(nèi)相對密度試驗采用表面振動法。對于圖1(a)所示砂礫料，按粒徑外包方法確定填筑級配包線[19]，取最大粒徑為60mm，在上、下包線和平均級配之間內(nèi)插2組共5組級配作為試驗級配。對于堆石料，填筑級配接近分形分布，粒度分形維在2.516～2.633[20]，取最大粒徑60mm，在上、下包線和平均級配之間內(nèi)插2組見圖1(b)，作為室內(nèi)相對密度試驗級配。

2.2.3試驗結(jié)果

(1)現(xiàn)場試驗

表1和圖4為采用圖2所示不同最大粒徑級配砂礫料的現(xiàn)場相對密度試驗結(jié)果?？梢婋S著最大粒徑增大，試驗干密度增大；但當(dāng)dmax大于300mm時，干密度的縮尺效應(yīng)已經(jīng)較小，且最大粒徑與干密度具有良好的相關(guān)性。

表1 砂礫料的試驗干密度與最大粒徑的關(guān)系

(2)室內(nèi)試驗

圖3為砂礫料和堆石料室內(nèi)相對密度試驗結(jié)果，可見兩者的大、最小干密度存在明顯拐點，對應(yīng)小于5mm顆粒質(zhì)量百分含量P5c約為35%，說明最優(yōu)充填關(guān)系砂礫料和堆石料的P5c均在35%附近。

圖3 壩料室內(nèi)三軸試驗結(jié)果

表2示出各分區(qū)壩料按相似法縮尺級配的P5值，可見除覆蓋層的小于5mm顆粒含量接近P5c外，其他壩料均小于P5c，采用相似級配法縮尺[17]。以大壩填筑相對密度作為室內(nèi)三軸試驗的制樣標(biāo)準(zhǔn)，得到各分區(qū)壩料縮尺后的制樣干密度或孔隙率見表2，制樣級配見圖1。

表2 壩料填筑干密度、制樣相對密度和干密度

對于砂礫料和堆石料平均級配，圖1中采用相似縮尺級配，小于5mm顆粒質(zhì)量百分含量分別為34.9%和34.8%，大于15%，根據(jù)DLT 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》條文說明4.0.6.3條，室內(nèi)試驗縮尺級配需要使用混合法縮尺，即按砂礫料相似法縮2倍、堆石料相似法縮2.5倍后，將大于60mm的顆粒用等量替代法分配到5～60mm之間，得到混合法縮尺級配如圖1所示，相對密度試驗結(jié)果見表2。

2.3 室內(nèi)三軸試驗結(jié)果

壩料室內(nèi)三軸試驗在LSW—1000型大型流變剪切試驗機(jī)上進(jìn)行。

圖3為砂礫料和堆石料的室內(nèi)大型三軸試驗曲線。整理壩料試驗結(jié)果得到統(tǒng)一廣義塑性模型[21]參數(shù)見表3，其中剪切強(qiáng)度和剪脹特性曲線如圖4所示。

圖4 壩料的剪脹應(yīng)力比與強(qiáng)度破壞線

3 壩體三維粘彈塑性有限元分析

3.1 計算本構(gòu)模型與試驗參數(shù)

3.1.1統(tǒng)一廣義塑性模型與參數(shù)

計算采用可以反映砂礫料剪脹性的統(tǒng)一廣義塑性模型[21]，采用剪脹方程和加載塑性模量分別為：

(1)

(2)

(3)

為了反映土體在高圍壓狀態(tài)下顆粒破碎而導(dǎo)致強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，破壞應(yīng)力比采用式(3)表示。

式中，α、β、Mg、ct、ce、Mf0、nf、d—無量綱參數(shù)，可通過常規(guī)三軸試驗得到，pa—大氣壓。

根據(jù)圖6的壩料室內(nèi)縮尺三軸試驗結(jié)果，確定模型計算參數(shù)，見表3。

表3 壩料的統(tǒng)一廣義塑性模型計算參數(shù)

3.1.2增量流變模型[22]與參數(shù)

無論堆石壩水平薄層攤鋪填筑施工，還是運行期水庫消落帶低頻蓄卸循環(huán)產(chǎn)生的水壓力作用，堆石體的流變都是在小增量荷載下產(chǎn)生的，具有繼效特性?？紤]大壩變應(yīng)力下堆石體流變的遺傳效應(yīng)，采用增量流變模型計算大壩堆石體的流變。

根據(jù)繼效理論，設(shè)大壩在ζn時刻作用第n級應(yīng)力增量，則其累積流變量為(1>ζn)：

(4a)

(4b)

切線流變體積模量Kt和剪切模量Gt分別為：

式中，Rsf—破壞比；S—應(yīng)力水平，Pa—大氣壓力；kv、nv、ks、ns—模型參數(shù)，可根據(jù)室內(nèi)流變試驗結(jié)果整理。本次計算參數(shù)見文獻(xiàn)[23]。

3.2 單元網(wǎng)格剖分與荷載分級

根據(jù)壩址地形及壩體分區(qū)資料，嚴(yán)格模擬大壩填筑施工過程，逐級施加荷載，共分58級模擬大壩填筑及滿蓄，建立大壩三維有限元計算網(wǎng)格模型。其中，壩頂高程1825.8m，正常蓄水位1820m。共剖分網(wǎng)格節(jié)點23919個，單元20767個，如圖5所示。

圖5 大壩三維有限元計算模型

3.3 計算值與監(jiān)測結(jié)果的對比分析

在0+480斷面的不同高程共設(shè)置4條水管沉降儀，進(jìn)行壩體沉降監(jiān)測。根據(jù)某TSDA程序[24]，進(jìn)行大壩黏彈塑性三維有限元計算，得到TC1- 5等典型測點的計算沉降與監(jiān)測值過程如圖6所示，可見測點計算沉降和監(jiān)測值存在較大誤差。

圖6 大壩0+480斷面監(jiān)測點沉降過程線

將0+480斷面測點起測時刻與其對應(yīng)的壩體填筑高程列于表4，發(fā)現(xiàn)測點起測時刻對應(yīng)的填筑高程均大于沉降儀的埋設(shè)高程，對于堆石壩的實際變形存在一定的漏測現(xiàn)象。

表4 0+480斷面水管式沉降儀起測時刻與填筑高程

為避免測點的漏測以及土拱效應(yīng)帶來的誤差，采用文獻(xiàn)[25]方法對測點的監(jiān)測值進(jìn)行修正。圖7為截止2020年10月3日的壩內(nèi)測點計算沉降和對應(yīng)的監(jiān)測值，可見兩者規(guī)律吻合較好，偏差基本在10%左右。

圖7 大壩0+480斷面監(jiān)測點的變形

3.4 大壩有限元計算預(yù)測結(jié)果

圖8—9分別為滿蓄期河床0+480壩段以及混凝土面板的變形和應(yīng)力。由于泊松效應(yīng)的影響，堆石體分別向壩坡方向移動，其中向上游變形最大位移14.5cm，向下游最大變形23.8cm；堆石體最大沉降為95.3cm，僅占壩高和可壓縮壩基總高度的0.5%。由于堆石體變形較小，使得滿蓄期面板的應(yīng)力相對較低，如面板順坡向和壩軸向最大壓應(yīng)力分別為6.52MPa、0.98MPa，最大拉應(yīng)力分別僅為0.06MPa、0.59MPa，大壩變形與應(yīng)力是安全的。

圖8 滿蓄期0+480斷面堆石體變形(cm)

圖9 滿蓄期混凝土面板應(yīng)力(MPa)

4 關(guān)于壩料縮尺試驗方法的討論

采用現(xiàn)場與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，確定堆石料室內(nèi)縮尺級配與制樣標(biāo)準(zhǔn)，是近期采用的主要手段之一[4，8，15]。董槐三等[8]結(jié)合天生橋一級、魯布革和西北口等工程堆石料，分別采用等量替代法、混合法和相似法的縮尺級配進(jìn)行相對密度試驗和三軸試驗，認(rèn)為相似級配法得到縮尺料的最大干密度在2.32～2.44g/cm3之間，遠(yuǎn)高于現(xiàn)場實際填筑干密度，而采用相似級配和等量替代相結(jié)合的方法(混合法)得到的室內(nèi)最大干密度與填筑干密度基本一致；因此，對于采用相似法縮尺的堆石料，若縮尺后級配小于5mm顆粒含量大于15%，則室內(nèi)試驗級配應(yīng)采用混合法縮制。DLT 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》條文說明4.0.6.3采信了上述研究成果，使得大粒徑粗粒土室內(nèi)試驗縮尺級配基本上只能使用混合法[17]。

問題在于，上述提出混合法縮尺使用條件的依據(jù)值得商榷。天生橋一級上游堆石區(qū)采用18t振動碾碾壓6遍得到的填筑干密度[26]，并不是原級配堆石料的最大干密度，將現(xiàn)場填筑干密度與混合法縮尺料的室內(nèi)最大干密度進(jìn)行比較，沒有明確的物理意義。表2所示本文砂礫料的原級配最大干密度2.405g/cm3，填筑干密度2.368g/cm3，混合法、相似級配法的室內(nèi)最大干密度分別為2.359g/cm3、2.312g/cm3；堆石料原級配最大干密度2.361g/cm3[20]，填筑干密度2.235g/cm3，混合法、相似級配法的室內(nèi)最大干密度分別為2.234g/cm3、2.327g/cm3；與混合法的試驗結(jié)果相比，都體現(xiàn)出相似級配縮尺料最大干密度更接近現(xiàn)場原級配料。

室內(nèi)縮尺試驗成果是否可以代表現(xiàn)場原級配料，制樣標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的因素。事實上，由表2所示現(xiàn)場與室內(nèi)相對密度試驗結(jié)果可知，即使采用相似級配法縮制室內(nèi)試驗料，砂礫料的干密度均表現(xiàn)出較強(qiáng)的尺寸效應(yīng)，即隨著最大粒徑的增加，干密度逐漸增大，但當(dāng)最大粒徑達(dá)到300～400mm時，這種尺寸效應(yīng)基本消失。如果不考慮干密度縮尺效應(yīng)，直接按設(shè)計或填筑碾壓干密度制樣，計算室內(nèi)制樣的相對密度見表5。

表5 壩料采用填筑干密度制樣的相對密度

可見，采用相似法縮尺砂礫料的制樣相對密度分別提高到1.02；混合法縮尺由于進(jìn)一步劣化了原級配顆粒之間的充填關(guān)系，制樣相對密度更是提高到1.12，顯然大大高估了大壩實際施工的緊密程度，導(dǎo)致室內(nèi)試驗參數(shù)高估現(xiàn)場砂礫料力學(xué)性質(zhì)，大壩計算變形偏于不安全。文中采用壩料級配是否達(dá)到最優(yōu)充填關(guān)系的條件，確定縮尺方法、同時考慮干密度尺寸效應(yīng)制樣方法得到的試驗結(jié)果，大壩計算沉降與監(jiān)測結(jié)果吻合較好，說明該試驗方法的精度較高，基本可以代表原級配料的物理力學(xué)性質(zhì)。

5 結(jié)論

(1)砂礫料存在干密度縮尺效應(yīng)，但當(dāng)最大粒徑達(dá)到300mm左右時，這種尺寸效應(yīng)明顯減弱。無論砂礫料還是堆石料，室內(nèi)三軸試驗制樣時不考慮干密度尺寸效應(yīng)的影響，必然高估壩料的力學(xué)性質(zhì)，以此為依據(jù)的大壩計算結(jié)果偏于不安全。

(2)阿爾塔什室內(nèi)試驗砂礫料最優(yōu)充填關(guān)系級配的小于5mm顆粒質(zhì)量百分含量P5c均在35%左右，大于相似法縮尺后的P5值。采用相似法縮尺級配和填筑相對密度標(biāo)準(zhǔn)制樣的三軸試驗結(jié)果，可以客觀反映大壩原型砂礫料的實際力學(xué)特性。

(3)采用室內(nèi)縮尺試驗資料，計算阿爾塔什大壩砂礫堆石體沉降與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合較好，大壩結(jié)構(gòu)是安全的。

(4)現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于混合縮尺方法的使用條件尚需進(jìn)一步研究。