土石壩工程領(lǐng)域的若干創(chuàng)新與發(fā)展

程展林，潘家軍

(1.長江科學(xué)院, 武漢 430010; 2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室, 武漢 430010)

1 研究背景

土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過拋填、輾壓等方法堆筑而成的擋水壩。土石壩由于具有對復(fù)雜地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性、就地取材和節(jié)省投資等優(yōu)點，成為世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的壩型之一[1]。土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。進(jìn)入20世紀(jì)以后，土石壩在美國、加拿大和蘇聯(lián)等國家得到了快速的發(fā)展，相繼建成了一批200～300 m級的高土石壩，如美國Oroville(壩高235 m)、哥斯達(dá)黎加Boruca(壩高267 m)、蘇聯(lián)Nurek(壩高300 m)[2]。我國高土石壩工程建設(shè)雖然起步較晚，但發(fā)展速度之快在世界上絕無僅有。目前已建及擬建高度200 m以上的高土石壩數(shù)量與高度均居世界前列。隨著我國河流梯級水電開發(fā)及水資源合理配置進(jìn)程的推進(jìn)，我國土石壩的建設(shè)高度已發(fā)展至300 m級，如雙江口(壩高314 m)、如美(壩高315 m)、兩河口(壩高295 m)。保證這些高壩大庫的建設(shè)與長期運行安全是國家經(jīng)濟(jì)和公共安全保障的重大需求[3]。在國內(nèi)外高土石壩建設(shè)運行史上，有不少的土石壩工程出現(xiàn)了壩體裂縫和滲漏量較大等問題，也有極少數(shù)土石壩在首次蓄水時出現(xiàn)突然滲漏的現(xiàn)象[4]。工程實踐和已有的研究表明，土石壩應(yīng)力變形計算分析成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在明顯差異，土石壩計算分析難以做到準(zhǔn)確的定量?，F(xiàn)有壩工理論、方法和技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后工程實踐的需求，對300 m級高土石壩的建設(shè)與長期安全運行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

粗粒料常作為筑壩材料在土石壩工程中廣泛應(yīng)用，由于粗粒料力學(xué)特性的復(fù)雜性以及試驗?zāi)芰Φ牟蛔悖至Ａ系谋緲?gòu)模型仍然難以準(zhǔn)確反映其力學(xué)特性。由不同填料形成的土石壩，壩體各分區(qū)材料性質(zhì)不同，土石壩應(yīng)力變形時空演化規(guī)律十分復(fù)雜。對于心墻區(qū)，伴隨著填筑過程中非飽和礫石土的瞬時變形、固結(jié)變形、蠕變，以及蓄水過程中非飽和土滲流過程的濕化變形；對于堆石區(qū)，變形相對簡單，伴隨著填筑過程中非飽和堆石料的瞬時變形、蠕變，以及蓄水過程濕化變形。壩體各分區(qū)變形量以及變形過程的差異性，一定會影響土石壩的安全性，尤其是對特高土石壩，因?qū)ζ鋺?yīng)力變形時空演化規(guī)律認(rèn)識不充分，忽視了其安全性方面存在的問題。要真實模擬各種變形，首要問題是建立可信的本構(gòu)模型，并試驗確定模型參數(shù)。在試驗技術(shù)方面，一些關(guān)鍵技術(shù)仍然制約壩工理論的發(fā)展，如粗粒料級配相似理論、土工試驗消摩技術(shù)、礫石土的飽和方法、壩基覆蓋層取樣技術(shù)等。

自20世紀(jì)80年代以來，在大量的國家自然科學(xué)基金項目和國家科技攻關(guān)項目的資助下，我國學(xué)者已在土石壩筑壩材料的試驗和理論研究等方面取得了卓有成效的研究進(jìn)展，為我國高土石壩建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。本文將圍繞粗粒料(包括礫石土心墻料)試驗方法與測試技術(shù)、粗粒料強(qiáng)度變形特性和粗粒料蠕變變形特性、濕化變形特性、覆蓋層的工程特性試驗方法等方面的問題，介紹長江科學(xué)院近幾年相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，為高土石壩建設(shè)提供重要科技支撐。

2 粗粒料試驗方法與測試技術(shù)

2.1 粗粒料級配相似理論試驗方法研究

筑壩粗粒料的最大粒徑達(dá)1 000 mm的量級，利用室內(nèi)試驗儀器不可能對原級配粗粒料進(jìn)行力學(xué)試驗，往往需要對原級配料進(jìn)行縮尺。針對縮尺后的替代料，如何試驗?zāi)軌驕?zhǔn)確反映原級配料的力學(xué)特性是粗粒料試驗必須解決的問題。由于原級配料的力學(xué)特性不確定，土力學(xué)界始終未找到可信的方法解決這一難題。長江科學(xué)院在充分研究粗粒料組構(gòu)特性的基礎(chǔ)上提出“旁壓模量當(dāng)量密度法”新思路，即對于縮尺前后的2種級配料，在應(yīng)力一定的條件下，依據(jù)旁壓模量相等原則確定縮尺后的替代料試驗密度。原級配料的旁壓模量可在壩體中鉆孔測定，縮尺后的替代料的旁壓模量可在室內(nèi)進(jìn)行模型試驗測定，室內(nèi)模型可模擬現(xiàn)場測點的應(yīng)力狀態(tài)，并成孔測定其旁壓模量，并通過系列室內(nèi)模型測定縮尺后的替代料旁壓模量與密度的關(guān)系。由此，在應(yīng)力相同的條件下，當(dāng)量密度的替代料與實際密度的原級配料旁壓模量相同，在粗粒料可縮尺的前提下，認(rèn)為2種級配料的力學(xué)性質(zhì)基本相同，可以針對當(dāng)量密度的替代料進(jìn)行力學(xué)試驗以測定原級配料的力學(xué)參數(shù)。粗粒料級配相似理論研究簡化為粗粒料試驗密度的確定方法研究。

級配相似理論研究有2個問題需試驗論證。其一，如何縮尺，當(dāng)量密度的替代料與實際密度的原級配料力學(xué)參數(shù)相近。目前，正在利用直徑1 000 mm和300 mm的2種三軸試驗料進(jìn)行研究，將直徑1 000 mm的三軸試驗料視為原級配料，將直徑300 mm的三軸試驗料視為替代料。其二，單一力學(xué)指標(biāo)旁壓模量能否作為級配相似理論的判據(jù)。近年來，長江科學(xué)院針對土粒粒徑大、無法取原狀樣的深厚砂礫石覆蓋層工程特性研究，提出了采用室內(nèi)旁壓模型試驗及現(xiàn)場旁壓試驗間接確定深厚砂礫石覆蓋層天然密度的新方法(簡稱旁壓模量當(dāng)量密度法)，通過烏東德壩基深厚砂礫石覆蓋層的旁壓模量當(dāng)量密度法試驗與后期伴隨基坑開挖的現(xiàn)場密度檢測比較得到成功驗證，已編入《粗粒料試驗規(guī)程》(T/CHES 29—2019)。該試驗在一定程度上表明旁壓模量是可以作為級配相似理論判據(jù)的。同時，結(jié)合上述2種尺寸的三軸試驗，對2種級配料進(jìn)行室內(nèi)旁壓模型試驗，從另一方面進(jìn)行試驗論證。

2.2 粗粒料細(xì)觀試驗方法

粗粒料是一種典型的散體材料，具有多尺度散粒體的離散特征?，F(xiàn)有的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法難以全面表征粗粒料的許多力學(xué)特性，作為一種散體材料，粗粒料的力學(xué)特性受土顆粒的位置排列和粒間接觸力的影響。人們雖然很早就認(rèn)識到散粒體材料的離散特征，但是卻幾乎一直沿用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法構(gòu)造其數(shù)學(xué)模型。鄭穎人[5]系統(tǒng)總結(jié)了經(jīng)典塑性力學(xué)用于巖土類材料研究所存在的問題。沈珠江[6]指出建立土體結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型將成為21世紀(jì)土力學(xué)研究的核心問題。粗粒料具有相對較大的顆粒尺寸、相對簡單的結(jié)構(gòu)特征，因此，土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)研究可以從粗粒料的研究入手。計算機(jī)斷層X-射線技術(shù)(Computerized Tomography，CT)可以無損、動態(tài)、定量和實時地量測巖土材料在受力過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過程，適用于從細(xì)觀角度研究粗粒料的變形與破壞機(jī)理。

長江科學(xué)院建立了國內(nèi)第一臺巖土試驗專用CT工作站(圖1(a))，并于2006年首次研制了第一代立式CT三軸儀(圖1(b))，該試樣尺寸為Φ100 mm×200 mm，壓力室和千斤頂均為非金屬材料，可對試樣進(jìn)行軸向掃描，小主應(yīng)力最大值為1.0 MPa。2009年研制了第二代臥式CT三軸儀(圖1(c))，千斤頂為金屬構(gòu)件，壓力室拉桿為特種鋁合金，可有效減小偽影。在壓力室與千斤頂之間增加了位移傳感器和荷重傳感器，可實現(xiàn)豎向應(yīng)變和大主應(yīng)力的準(zhǔn)確測量，小主應(yīng)力最大值進(jìn)一步提高到3.0 MPa。2016年與英國GDS公司合作又新研制了第三代CT三軸儀(圖1(d))，與第二代CT三軸儀相比，推力油源加載由手動控制改為伺服控制，大大增加了加載精確度和穩(wěn)壓效果，提高荷載傳感器和位移傳感器精度，實現(xiàn)了CT三軸試驗的全過程伺服控制與精確測量。

圖1 長江科學(xué)院CT可視化系統(tǒng)

圖2 CT三軸試驗圖像(圍壓σ3=0.2 MPa)

針對粗粒料組構(gòu)問題，采用自主研制的CT三軸儀開展了粗粒料應(yīng)變式三軸壓縮試驗，實現(xiàn)了試驗過程中粗粒料試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的實時、動態(tài)和無損檢測[7]。利用自行開發(fā)的“計算機(jī)圖像測量分析系統(tǒng)”，針對試驗得到的CT圖像(圖2)，對不同宏觀應(yīng)變時刻下的顆粒位置及其位置變化進(jìn)行了量測，獲得了三軸剪切過程中粗粒料顆粒的運動規(guī)律(圖3)。實現(xiàn)了由三軸試驗的CT圖像取得粗粒料組構(gòu)信息的研究方法，實現(xiàn)了粗粒料組構(gòu)要素的定量測量。

圖3 顆粒的運動規(guī)律

結(jié)果表明，掃描得到的粗粒料CT圖像清晰可靠，能夠準(zhǔn)確顯示顆粒的形態(tài)和位置。通過CT三軸儀和計算機(jī)圖像測量分析系統(tǒng)的聯(lián)合開發(fā)和應(yīng)用，初步解決了粗粒料細(xì)觀組構(gòu)的量化問題。

2.3 土工試驗微摩擦加載技術(shù)

在土工三軸、壓縮等試驗中，由于土體材料與加載結(jié)構(gòu)之間變形的不協(xié)調(diào)，兩者之間會產(chǎn)生摩擦力，界面摩擦力的存在影響到試樣受力的準(zhǔn)確性，對試樣的變形大小和形態(tài)產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)不確定性。同時，在三軸試驗中，試樣剪切完成后呈現(xiàn)鼓狀形態(tài)；固結(jié)試驗中，孔壓滯后并明顯偏低；大型直剪試驗中，剪切面上的正應(yīng)力偏低。這些現(xiàn)象都是界面摩擦力導(dǎo)致的結(jié)果。

現(xiàn)有降低界面摩擦力的技術(shù)通常有以下幾種：采用高拋光板、摩擦系數(shù)較小的墊片或在加載板與試樣接觸面間涂黃油、凡士林等潤滑劑[8-10]。程展林等[11]自行設(shè)計了一種端部摩擦力測試設(shè)備，開展了粗粒料界面摩擦力的相關(guān)試驗研究工作，結(jié)果表明，傳統(tǒng)界面減摩方法僅能使摩擦系數(shù)由0.4降低至0.2左右。近年來，對土工試驗減摩技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)研究，提出了土工試驗中試樣與加載板之間的減摩新方法并研制了相關(guān)裝置。

2.3.1 土工三軸試驗中試樣與加載板之間的減摩新方法

針對土工三軸試驗中存在的界面摩擦力問題，提出了加載板與試樣之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦、整體式接觸變?yōu)榉稚⑹浇佑|的減摩新方法，大幅降低了加載板與試樣之間的摩擦系數(shù)，破解了加載板與試樣接觸面摩擦力過大的關(guān)鍵技術(shù)難題，為土工三軸試驗的減摩技術(shù)開辟了新的研究思路。

2.3.2 土工常規(guī)三軸試驗單向微摩擦荷載傳力板

針對在三軸試驗中試樣端部受到剛性試樣帽摩擦力束縛的問題，發(fā)明了一種巖土工程三軸試驗微摩擦荷載傳力板[12](圖4)，該裝置為直徑300 mm的圓盤，由7圈126個分布式接觸的滑塊組成，在承載板與滑塊之間設(shè)置滾珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，首次有效解決了三軸試驗的端部約束問題，提高了三軸試驗精度。采用此創(chuàng)新裝置開展了多種類型的粗粒料大型三軸試驗研究，發(fā)現(xiàn)了端部摩擦約束是試樣出現(xiàn)鼓脹的根本原因，以及常規(guī)試驗方法在應(yīng)力應(yīng)變試驗成果上可能出現(xiàn)較大偏差，尤其是體應(yīng)變試驗成果，證明了單向微摩擦荷載傳力板的有效性。

圖4 土工三軸試驗微摩擦荷載傳力板

圖5 土工真三軸試驗雙向微摩擦荷載傳力板的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 土工真三軸試驗雙向微摩擦荷載傳力板

針對真三軸試驗中剛性加載板與試樣之間的雙向摩擦力問題，發(fā)明了土工真三軸試驗雙向微摩擦荷載傳力板[13](如圖5)，有效解決加載板與試樣接觸面的摩擦力過大的關(guān)鍵技術(shù)難題。該裝置長600 mm，寬300 mm，通過在加載板上布置60個豎向滾軸排，滾軸排上布置1 800個分散式滑塊，在滑塊與滾軸排之間設(shè)置滾珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，滑塊在加載板平面作滾動摩擦雙向運動，實現(xiàn)了真三維應(yīng)力狀態(tài)下試樣與加載板之間的雙向微摩擦加載。為驗證土工真三軸試驗雙向微摩擦荷載傳力板的實際摩擦力，采用大型疊環(huán)式剪切儀對荷載傳力板進(jìn)行了4個上覆壓力的摩擦試驗，得到的摩擦系數(shù)平均值為0.023。

不同減摩方法的對比試驗表明[11]，采用試樣與加載板直接接觸，摩擦系數(shù)高達(dá)0.4；采用常規(guī)減摩方法，摩擦系數(shù)為0.2左右。長江科學(xué)院研發(fā)的“微摩擦傳力板”減摩技術(shù)使摩擦系數(shù)降低了一個數(shù)量級，低至0.023，有效消除了剛性加載板產(chǎn)生的附加摩擦力對試驗成果的影響。

2.4 大型土工真三軸試驗技術(shù)

土工真三軸試驗儀是一種真實模擬土體三向受力狀態(tài)的土工測試設(shè)備。 真三軸儀采用立方體試樣， 從3個主應(yīng)力方向分別獨立加載， 使土樣中產(chǎn)生均勻的應(yīng)變和應(yīng)力。 與常規(guī)三軸試驗相比， 真三軸試驗可以更真實、 更全面地反映土體單元的三向受力狀態(tài)， 可用于土體的力學(xué)特性與本構(gòu)模型研究等[14]。 真三軸儀可在室內(nèi)對三向應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬， 并測定3個方向變形和體積變化， 是揭示土體變形和強(qiáng)度變化規(guī)律的關(guān)鍵科學(xué)儀器。 1936年，Kjellman首次提出真三軸儀的設(shè)想。 迄今為止， 已有多種各具特點的真三軸儀先后研制并投入使用。 按其壓力室的加荷特性， 分為剛性加載真三軸儀[15-17]、 柔性加載真三軸儀[18-19]和剛?cè)釓?fù)合加載真三軸儀[20-26]。 但由于儀器本身的復(fù)雜性， 目前真三軸儀還存在加載板與試樣接觸面摩擦力大、 加載板在大變形條件下三向加載相互干擾、 試樣尺寸小、 加載噸位低、 測試精度和自動化程度不高等問題， 有待于進(jìn)一步完善和研發(fā)更佳的試驗平臺。

長江科學(xué)院在國家“八五”攻關(guān)期間研制了國內(nèi)最大的平面應(yīng)變儀(試樣尺寸L800 mm×W400 mm×H800 mm)，在三峽工程二期圍堰的方案比選中發(fā)揮了重要作用。2008年，長江科學(xué)院程展林主持對原有的大型平面應(yīng)變儀進(jìn)行了升級改造，創(chuàng)造性地采用滾軸排技術(shù)，有效解決了加載板與試樣加載面存在較大摩阻力的難題。在平面應(yīng)變儀研制成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年潛心鉆研，提出了剛?cè)釓?fù)合的三向無干擾微摩擦加載技術(shù)，該項技術(shù)既可實現(xiàn)大變形條件下三向加載互不干擾，又解決了界面摩阻力過大的問題。在此基礎(chǔ)上研制了大型微摩擦土工真三軸測試設(shè)備，解決了大尺寸、高壓力、高精度的復(fù)雜加載與測量等試驗測試條件下所涉及的機(jī)械、力學(xué)、控制和計算機(jī)等諸多交叉與集成技術(shù)難題，為研究高土石壩復(fù)雜應(yīng)力條件下筑壩粗粒料的力學(xué)特性提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

圖6 大型土工真三軸測試設(shè)備

大型土工真三軸試驗測試設(shè)備(見圖6)，由壓力室、減摩系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、反力系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。該設(shè)備是國內(nèi)外首臺大尺寸(試樣尺寸為L300 mm×W300 mm×H600 mm)、微摩擦(摩擦系數(shù)0.023)、高壓力(最小主應(yīng)力達(dá)3 MPa，大主應(yīng)力達(dá)15 MPa)、高精度(體積變形精度達(dá)0.1 mL)、大變形(豎向最大變形達(dá)90 mm)、全自動(可按任意設(shè)定加載過程，根據(jù)應(yīng)力或應(yīng)變控制方式進(jìn)行三向獨立加載)真三軸力學(xué)試驗設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)外在大型土工真三軸試驗技術(shù)領(lǐng)域的空白。

3 粗粒料應(yīng)力-應(yīng)變特性與K-K-G本構(gòu)模型

粗粒料作為土石壩主要填料，其本構(gòu)模型選擇及參數(shù)確定一直是土石壩工程數(shù)值分析中的難點問題。能突出土的主要特性、力學(xué)概念簡單、參數(shù)物理意義明確且不同土體間參數(shù)具有可比性是一種有生命力的本構(gòu)模型所具備的特點[27]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對粗粒料的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，建立了多個反映粗粒料特性的本構(gòu)模型[28-31]。簡單的鄧肯-張模型[32]得到了工程界廣泛應(yīng)用就是例證。

高土石壩的工程實踐表明，本構(gòu)模型能否反映堆石料的剪脹性直接影響堆石壩計算分析成果的合理性。因此，合理的粗粒料本構(gòu)模型應(yīng)該能較好地反映其剪縮剪脹特性。針對多種粗粒料，長江科學(xué)院進(jìn)行了大量的大型三軸和真三軸試驗，在上述試驗成果基礎(chǔ)上，作出了土的應(yīng)變分為彈性應(yīng)變和剪脹應(yīng)變、彈性應(yīng)變與應(yīng)力之間服從廣義虎克定律、剪脹應(yīng)變服從Rowe剪脹方程、彈性泊松比為常數(shù)等相關(guān)假設(shè)，提出了粗粒料體變模量(Kp)、剪脹模量(Kq)、剪切模量(G)與應(yīng)力關(guān)系式(如式(1)—式(5)所示)，構(gòu)建了粗粒料的非線性K-K-G模型，提出了模型參數(shù)確定方法，并通過復(fù)雜應(yīng)力條件下的真三軸試驗驗證了模型能夠很好地模擬試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(見圖7)，能合理反映粗粒料的非線性和剪脹性等主要力學(xué)特性。

(1)

(2)

(3)

其中:

(5)

圖7 粗粒料真三軸試驗成果及K-K-G模型擬合曲線

4 粗粒料濕化特性試驗與模型

粗粒料的濕化變形是指粗粒料遇水由干態(tài)變成濕態(tài)時所產(chǎn)生的變形， 是堆石壩產(chǎn)生后期變形的主要因素之一。 在堆石壩的建設(shè)與運行過程中， 水庫蓄水、 水位上下波動、 雨水浸入壩體等都會使粗粒料產(chǎn)生濕化變形， 從而導(dǎo)致壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化。 國內(nèi)外已建成的堆石壩， 也存在不少因濕化變形產(chǎn)生不同程度破壞的現(xiàn)象。 粗粒料濕化變形大多通過單線法三軸濕化試驗量測濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變， 并采用數(shù)據(jù)擬合方法來尋求其規(guī)律。 Nobari等[33]較早開展了粗粒料濕化變形特性的研究； 國內(nèi)李廣信[34]、 殷宗澤等[35]較早開展了粗粒料濕化變形特性試驗并建立了數(shù)學(xué)模型； 隨后， 國內(nèi)多位學(xué)者[36-39]采用不同試驗條件進(jìn)行了一系列濕化試驗， 獲得了豐富的研究成果。 然而， 不同試驗條件下得到的濕化體變規(guī)律存在一定的差異性。 長江科學(xué)院針對雙江口堆石壩工程的花崗巖和變質(zhì)巖堆石料， 分別采用單線法和雙線法進(jìn)行了試樣直徑為300 mm的三軸濕化試驗。 研究了粗粒料的濕化變形與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系、 單線法和雙線法試驗成果之間的差異性， 在此基礎(chǔ)上提出了堆石料的濕化模型及模型參數(shù)， 并給出了模型的有限元數(shù)值計算方法。 與已有濕化模型相比， 粗粒料六參數(shù)濕化模型能夠明確指定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下濕化變形各分量， 能夠很好地模擬土石壩蓄水濕化變形。

長期以來國內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注堆石料的濕化變形，對礫石土心墻料的濕化變形研究相對比較匱乏。在高心墻堆石壩的后期變形分析中，一般只考慮蓄水引起的堆石料的濕化變形，而忽略礫石土心墻料的濕化變形。這主要是由于當(dāng)前試驗技術(shù)條件的限制，無法開展礫石土心墻料的濕化變形特性研究，更沒有合理有效的礫石土心墻料濕化模型。礫石土心墻料的級配較寬，其中既含有顆粒較粗的碎石，最大粒徑可達(dá)150 mm，>5 mm的粒徑一般占30%～50%，又含有較大比例的黏性土，滲透系數(shù)一般在10-5～10-6cm/s。因此，需要采用試樣直徑為300 mm的大型三軸儀開展礫石土心墻料力學(xué)特性試驗，但因滲透系數(shù)低而導(dǎo)致大直徑試樣的飽和、排水固結(jié)等過程非常困難，從而導(dǎo)致礫石土心墻料濕化試驗周期長、效率低，同時難以保證試樣內(nèi)部心墻料達(dá)到充分飽和狀態(tài)。

隨著高心墻堆石壩的建設(shè)和長期運行安全的需求，開展高心墻堆石壩礫石土心墻料的濕化變形試驗，成為必須解決的關(guān)鍵問題。長江科學(xué)院長期研究礫石土心墻料的試驗技術(shù)，提出采用“砂芯”加速飽和、固結(jié)排水的專利技術(shù)方法，成功突破了礫石土心墻料大型三軸試驗飽和、固結(jié)排水周期長、效率低等技術(shù)瓶頸。

4.1 堆石料的濕化試驗與濕化模型及參數(shù)

堆石料濕化變形的機(jī)理是在水的作用下，水的潤滑作用和材料軟化造成其顆粒的重新排列和破碎。開展了堆石料三軸濕化試驗，其結(jié)果表明不同堆石料的濕化應(yīng)變與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系具有相似的規(guī)律，論證了單線法與雙線法成果的差異性，采用單線法開展三軸濕化試驗更為合理[37]。研究發(fā)現(xiàn):堆石料的濕化變形與其所受的應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切，且規(guī)律性強(qiáng)。堆石料的濕化軸向應(yīng)變僅與濕化應(yīng)力水平密切相關(guān)，而與濕化時的圍壓關(guān)系不大；當(dāng)濕化應(yīng)力水平達(dá)0.6后，隨濕化應(yīng)力水平的增加，濕化軸向應(yīng)變增加顯著，見圖8(a)。堆石料的濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平和圍壓均相關(guān)，且與濕化應(yīng)力水平和圍壓均呈線性增長關(guān)系(見圖8(b))。

圖8 花崗巖堆石料濕化應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平關(guān)系曲線

根據(jù)濕化試驗結(jié)果，采用指數(shù)函數(shù)擬合濕化軸向應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平的關(guān)系，采用線性方程擬合濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平間的關(guān)系，提出了堆石料的濕化模型(如式(6))，相應(yīng)的應(yīng)變單位為%，應(yīng)力單位為MPa。

εaw=aebSw，εvw=(fσ3+g)Sw+(kσ3+h) 。(6)

式中：εaw和εvw分別為濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變；Sw為濕化應(yīng)力水平；σ3為濕化時小主應(yīng)力；a、b、f、g、k和h為擬合參數(shù)。

4.2 礫石土的濕化試驗

針對典型工程礫石土心墻料，基于三軸試樣內(nèi)設(shè)置“砂芯”的加速飽和排水的專利技術(shù)，開展了礫石土心墻料的濕化變形試驗，其試驗步驟是在堆石料的濕化變形試驗基礎(chǔ)上，增加了CO2置換和真空飽和過程。

試驗結(jié)果表明，礫石土心墻料存在明顯的濕化變形現(xiàn)象。礫石土心墻料的濕化變形與應(yīng)力水平、圍壓密切相關(guān)(圖9)。當(dāng)圍壓較小時，濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變均隨應(yīng)力水平的增加呈明顯增長趨勢；當(dāng)圍壓較大(1.2 MPa)時，其濕化應(yīng)變與應(yīng)力水平關(guān)系明顯弱化。濕化應(yīng)變與應(yīng)力水平的關(guān)系具有明顯的分叉結(jié)構(gòu)。在應(yīng)力水平較低時(SL=0.2、0.4)，濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變與圍壓關(guān)系不明顯；在應(yīng)力水平較高時(SL=0.6、0.8)，隨著圍壓的增加，濕化軸向應(yīng)變整體呈現(xiàn)降低趨勢，濕化體積應(yīng)變整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。礫石土心墻料的濕化變形規(guī)律與堆石料明顯不同，呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的變化規(guī)律。

圖9 礫石土料濕化應(yīng)變與應(yīng)力水平、圍壓的關(guān)系曲線

礫石土心墻料的濕化變形試驗成果應(yīng)該給予足夠重視，以往普遍認(rèn)為礫石土心墻料沒有濕化變形，試驗結(jié)果表明，礫石土心墻料的濕化變形遠(yuǎn)大于粗粒料。礫石土心墻料濕化變形的存在將會改變壩體各區(qū)的應(yīng)力重分布，將引起心墻壩安全性降低，壩體越高，安全性降低的幅度會越大。同時，濕化變形是伴隨飽和過程產(chǎn)生的，當(dāng)大壩蓄水，心墻飽和過程將十分漫長，大壩的安全性降低過程也將十分漫長，因此，關(guān)注礫石土心墻料的濕化變形是十分重要的。

5 粗粒料蠕變特性試驗與模型

從目前建成的土石壩的觀測資料可見，一些堆石壩建成后，其后期的變形明顯，并可持續(xù)數(shù)十年之久，直接影響到土石壩的工作性狀。因此，筑壩材料的蠕變特性愈來愈引起壩工界的重視。蠕變與濕化變形均表現(xiàn)為工后變形，但兩者的力學(xué)機(jī)制完全不同，從理論上宜區(qū)別對待。

在應(yīng)用粗粒料作為筑壩材料時，有必要對粗粒料的蠕變特性進(jìn)行試驗，以分析其長期性能。國外Parkin[40]最早進(jìn)行粗粒料的單軸蠕變試驗，認(rèn)為沉降速率和時間呈對數(shù)關(guān)系。國內(nèi)沈珠江等[41]最早對西北口面板壩墊層料進(jìn)行三軸蠕變試驗，并提出了沈珠江三參數(shù)蠕變模型。隨后，多位學(xué)者[42-44]基于不同的蠕變時間發(fā)展規(guī)律或影響機(jī)制，提出了新的蠕變模型。2004年，長江科學(xué)院針對水布埡面板堆石壩粗粒料進(jìn)行了三軸蠕變試驗研究，在此基礎(chǔ)上，提出了九參數(shù)蠕變模型[45]，后續(xù)針對雙江口水電站、密松水電站、丹巴水電站等筑壩材料進(jìn)行了多組蠕變試驗[46-47]，研究成果為工程建設(shè)提供了有益的科技支撐。

5.1 粗粒料的蠕變試驗

按照滯后變形理論，總軸向應(yīng)變由瞬時產(chǎn)生的彈塑性軸向應(yīng)變εep和滯后產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?nèi)渥儲臠兩部分組成；同理，總體積應(yīng)變由瞬時產(chǎn)生的彈塑性體積應(yīng)變εepv和滯后產(chǎn)生的體積應(yīng)變?nèi)渥儲臠v兩部分組成。整理試驗成果時，以2 h為界，2 h以前的應(yīng)變?yōu)槌跏紡椝苄詰?yīng)變，2 h以后的應(yīng)變?yōu)闇螽a(chǎn)生的蠕變。大量試驗結(jié)果表明，堆石料的蠕變量與時間t在雙對數(shù)坐標(biāo)系下均呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系(如圖10)，時間曲線可以采用冪函數(shù)表達(dá),即：

εL=εf(1-t-λ) ；

(7)

εLv=εfv(1-t-λv) 。

(8)

式中：εf、εfv分別為某一應(yīng)力狀態(tài)下的最終軸向蠕變量和最終體積應(yīng)變?nèi)渥兞浚沪舊、λ、εfv、λv為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)。軸向剩余蠕變量(εf+εep)-ε=εf-εL和體積應(yīng)變剩余蠕變量(εfv+εepv)-εv=εfv-εLv與時間t在雙對數(shù)坐標(biāo)系下均呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

圖10 軸向應(yīng)變?nèi)渥兞?、體積應(yīng)變?nèi)渥兞颗c時間的關(guān)系曲線

5.2 蠕變模型及模型參數(shù)

根據(jù)試驗成果擬合得到不同圍壓和應(yīng)力水平下的參數(shù)εf、λ，且εf、λ為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，可由式(9)、式(10)表示。

(9)

λ=ησ3-m。

(10)

體積應(yīng)變?nèi)渥兞侩S時間的變化曲線可以采用冪函數(shù)表達(dá)，且參數(shù)εfv與圍壓σ3呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，與應(yīng)力水平SL之間呈冪函數(shù)關(guān)系。λv與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系不明顯，假定λv為常數(shù),即：

εfv=cαSLdα+cβSLdβσ3;

(11)

λv=常數(shù) 。

(12)

綜上，粗粒料蠕變模型共9個參數(shù)，c、d、η、m、cα、dα、cβ、dβ、λv為擬合參數(shù)。

6 深厚砂礫石覆蓋層的原位密度試驗方法

目前，國內(nèi)外對河床覆蓋層工程特性的研究，主要采用現(xiàn)場大型力學(xué)試驗，或通過開挖豎井、深槽以及大直徑鉆孔取樣等方法進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，以獲得表層和中淺部土層的土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。對于較深部和深部的土層只能采取類比或者經(jīng)驗的方法推測確定，或通過觸探、聲波、鉆孔旁壓等手段對土層性質(zhì)進(jìn)行定性分析?？偟膩碚f，目前，覆蓋層物理力學(xué)特性試驗還沒有好方法[48]。

針對超深厚覆蓋層原位密度難以確定的問題，基于當(dāng)量密度法的原創(chuàng)思想，提出了一種利用旁壓試驗間接確定深厚覆蓋層的原位密度試驗方法(簡稱“旁壓模量當(dāng)量密度法”)，為準(zhǔn)確測定深厚覆蓋層力學(xué)特性提供了先進(jìn)手段?；舅悸肥窃诂F(xiàn)場鉆孔測定覆蓋層地基的旁壓模量。采用覆蓋層原級配料，在室內(nèi)進(jìn)行不同密度覆蓋層的旁壓模型試驗，室內(nèi)模型可模擬現(xiàn)場測點的應(yīng)力狀態(tài)，并成孔測定其旁壓模量，建立覆蓋層的旁壓模量與密度的相關(guān)關(guān)系，從而根據(jù)現(xiàn)場試驗的旁壓模量大小推測深厚覆蓋層的現(xiàn)場密度，該密度也是室內(nèi)力學(xué)性試驗的控制密度(見圖11)，在此基礎(chǔ)上開展室內(nèi)力學(xué)特性試驗。由此建立了整套確定深厚覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)的新方法。

圖11 利用室內(nèi)旁壓試驗成果推求現(xiàn)場砂礫石密度示意圖

同時，針對目前旁壓探頭不能適應(yīng)大旁脹量和高壓的要求而無法測得完整的試驗曲線等問題，研制了一種新型高壓大膨脹量的新型旁壓儀探頭，旁壓儀承受最大壓力6 MPa以上，極限體積變形可達(dá)1 000 cm3，測試深度為200～300 m，可滿足深厚覆蓋層中試驗要求。在原有中型旁壓模型試驗箱基礎(chǔ)上(圖12(a))，研制了高2.0 m、直徑1.5 m的大型旁壓模型試驗箱(圖12(b))，可在室內(nèi)實現(xiàn)邊界條件可控的砂卵石覆蓋層旁壓試驗。

圖12 室內(nèi)旁壓模型試驗儀

7 結(jié) 論

我國高土石壩筑壩材料的試驗和理論研究取得引人矚目的成果，為高土石壩安全建設(shè)提供了重要的參考和技術(shù)支撐。本文系統(tǒng)介紹了長江科學(xué)院在筑壩粗粒料的試驗方法與測試技術(shù)、強(qiáng)度變形特性、蠕變變形特性、濕化變形特性、覆蓋層的工程特性試驗方法等方面的研究進(jìn)展，主要結(jié)論如下：

(1)針對粗粒料級配相似問題，提出了“旁壓模量當(dāng)量密度法”，由此開展堆石料的級配相似理論研究是一個全新的思路。

(2)針對粗粒料組構(gòu)問題，介紹了研發(fā)的新型CT三軸儀，基于CT機(jī)的高空間、時間分辨率及多維重建圖像功能，耦合CT三軸儀實現(xiàn)了粗粒料組構(gòu)要素的定量測量。

(3)提出了土工試驗中試樣與加載板之間的接觸由整體接觸變?yōu)榉稚⑹浇佑|、滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的減摩方法，發(fā)明了相關(guān)減摩裝置，實現(xiàn)了真三維應(yīng)力狀態(tài)下試樣與加載板之間的雙向微摩擦加載，有效解決加載板與試樣接觸面的摩阻力過大的關(guān)鍵技術(shù)難題。

(4)研制了大尺寸、高壓力、微摩擦、剛?cè)釓?fù)合加載土工真三軸儀，攻克了大變形條件下三維無干擾的獨立智能加載、變形過程中試樣形心空間位置不變及三維軸向均勻加載等關(guān)鍵技術(shù)難題。填補(bǔ)了國內(nèi)外在大型土工真三軸試驗技術(shù)領(lǐng)域的空白。

(5)揭示了粗粒料真實三維應(yīng)力條件下的強(qiáng)度與變形的變化規(guī)律、濕化與蠕變變形機(jī)理；構(gòu)建了粗粒料三參量非線性K-K-G剪脹模型、六參數(shù)濕化模型、九參數(shù)蠕變數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的參數(shù)確定方法，為高土石壩變形預(yù)測與控制提供了有效途徑。

(6)基于當(dāng)量密度法的原創(chuàng)思想，提出了利用旁壓試驗間接確定超百米級深厚覆蓋層現(xiàn)場密度的試驗方法，為準(zhǔn)確測定深厚覆蓋層力學(xué)特性提供了先進(jìn)手段，破解了深厚覆蓋層工程特性測試技術(shù)難題。