堆石料濕化變形特性研究綜述

張延億 賈偉 樊恒輝 鄧剛 陳含 張茵琪

摘 要：堆石料是一種重要的土石壩筑壩材料，其濕化變形對土石壩安全運行的影響較為顯著。著重梳理總結了堆石料濕化變形特性方面已有的研究成果，指出目前濕化試驗儀器主要有固結儀、三軸儀及平面應變儀;試驗方法主要包括單線法和雙線法;堆石料濕化變形的影響因素主要分為內(nèi)因和外因;堆石料濕化變形模型主要包括理論模型和經(jīng)驗模型。通過對已有研究成果總結分析，認為在降雨入滲引起的堆石料濕化變形及濕化穩(wěn)定標準選取等方面還需深入研究。

關鍵詞：堆石料;濕化變形;濕化模型;影響因素

中圖分類號：U411;TV641

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.024

引用格式：張延億，賈偉，樊恒輝，等.堆石料濕化變形特性研究綜述[J].人民黃河，2021，43（9）：125-128.

Review of Research on Wetting Deformation Characteristics of Rockfill Materials

ZHANG Yanyi1，2， JIA Wei3， FAN Henghui3， DENG Gang1，2， CHEN Han1，2， ZHANG Yinqi1，2

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，

China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

2.Key Laboratory of Construction and Safety of Hydraulic Engineering of Ministry of Water

Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

3.College of Water Resources and Architectural Engineering， Northwest A & F University， Yangling 712100， China）

Abstract： Rockfill materials is an important material for earth and rockfill dam and its wetting deformation has a significant impact on the dam safety of earth and rockfill dams. In this paper， the research results on the wetting deformation characteristics of rockfill materials were emphatically summarized. The wetting test equipment mainly included consolidation apparatus， triaxial apparatus and plane strain apparatus; the test methods included single-line method and double-line method; the factors affecting the wetting deformation of rockfill were mainly divided into internal and external factors. The calculation model of rockfill wetting deformation included theoretical model and empirical model. Based on the summary and analysis of existing research results， the contents deeply researched on wet deformation of rockfill materials were proposed.

Key words： rockfill materials; wetting deformation; wetting model; influencing factors

堆石料作為主要筑壩材料在土石壩工程建設中得到了廣泛認可和推廣，其常見筑壩壩型有面板堆石壩和心墻堆石壩。堆石料不僅易于就地取材，可充分利用壩址附近的開挖料，減少工程投資，節(jié)約資源，而且其壓實后強度較高、變形較小。

水庫蓄水時堆石壩上游堆石體由干變濕會產(chǎn)生變形。大壩填筑過程中，外部降水入滲也會使堆石填筑體產(chǎn)生程度不等的變形，此類變形統(tǒng)稱為濕化變形。堆石料濕化變形指堆石料在一定應力狀態(tài)下浸水后顆粒被水潤滑，使骨架中顆粒滑移、破碎及重新排列而發(fā)生變形的現(xiàn)象[1]。大量已建工程案例表明，堆石料濕化變形對壩體安全運行將造成嚴重影響。如：2018年老撾桑片地區(qū)大壩潰壩事件，主要是壩料的濕化變形引起初始裂縫并最終導致潰壩;美國寇加爾心墻堆石壩[2]、墨西哥英菲爾尼羅心墻堆石壩[2]首次蓄水時上游堆石體浸水引起心墻壩上游壩殼堆石料明顯濕陷沉降;北京密云水庫走馬莊副壩因汛期水位快速上升而造成壩面下沉且壩頂心墻區(qū)產(chǎn)生縱向裂縫[3]。本文從多個方面總結梳理了現(xiàn)有堆石料濕化變形研究成果，分析其存在的問題，提出了堆石料濕化變形研究需要深入探討的關鍵方面。

1 濕化變形試驗研究

1.1 濕化試驗設備

早期濕化試驗設備[4]主要采用單向固結壓縮儀，其只能反映大主應力方向的濕化變形性質(zhì)?，F(xiàn)有堆石料濕化試驗設備主要包括三軸試驗儀、固結壓縮儀和平面應變試驗儀等。

國內(nèi)多數(shù)學者[5-9]主要采用中小型三軸試驗儀開展?jié)窕冃卧囼炑芯浚缰袊娍茖W研究院研制的大型三軸蠕變儀（見圖1）。三軸試驗儀通?？稍O置較為復雜的應力控制條件，試驗獲取的參數(shù)指標較多，但其采集控制系統(tǒng)較為復雜，試驗結果影響因素較多。彭凱等[10]、張茵琪等[11]、姜燊燊等[12]試驗研究中采用的設備為大型三軸儀。此外，也有采用大型固結儀（見圖2）進行試驗研究的[13-15]。固結儀通常采用液壓源和電機伺服相結合的控制方式，僅量測軸向力和軸向變形，試驗采集控制較為簡單，試驗結果更為直接可靠。

1.2 濕化試驗方法

濕化變形試驗方法主要分為單線法和雙線法。單線法將干樣加載到某一應力狀態(tài)后保持其不變，從試樣底部進行浸水濕化，濕化穩(wěn)定后的變形與浸水前的變形之差作為濕化變形量。雙線法指對試樣在風干狀態(tài)和飽和狀態(tài)下進行應力應變?nèi)S試驗，將同一偏差應力狀態(tài)下的干態(tài)和飽和態(tài)應變之差作為濕化變形量，二者試驗示意見圖3。

Nobari等[16]采用兩種方法對砂土進行試驗研究后認為可用雙線法代替單線法。魏松等[17]提出了改進的雙線法，通過該方法得到的軸向應變與單線法試驗結果接近，體應變較單線法稍大。程展林等[18-19]對兩種方法進行差異性研究指出，堆石料采用單線法進行濕化變形試驗更接近實際。張小洪等[20]對比兩種方法的濕化應變經(jīng)驗公式，得出應力水平較高時濕化應變差別不大，反之雙線法經(jīng)驗公式計算值較大。

2 濕化變形影響因素研究

影響堆石料濕化變形的因素分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要有母巖特性、級配、含水率、密度等，外因主要有縮尺效應、試驗方法、應力水平、圍壓、浸水速率及變形穩(wěn)定標準等。

2.1 內(nèi)部影響因素

針對母巖特性對堆石料濕化變形的影響，李廣信[6]對由砂巖組成的堆石料和由石英等組成的砂礫料開展?jié)窕冃卧囼?，認為前者濕化變形量比后者大得多。張少宏等[21]對河床沉積砂卵石（試樣A）和坡積砂礫石（試樣B）進行濕化變形試驗，得到不同應力水平η下圍壓σ3與軸變εsa的關系曲線（見圖4），發(fā)現(xiàn)試樣A軸變較試樣B的小。

傅旭東等[22]對不同干密度試樣進行研究后認為濕化變形與其干密度有關。柏樹田等[23]對軟巖堆石料進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，應力水平相同，干密度增加，濕化變形反而降低。傅華等[24]研究指出，堆石料密度提高后濕化變形量一定程度減小。

此外，有學者[4，25-27]研究認為試樣級配、含水率等對堆石料濕化變形有顯著影響。

2.2 外部影響因素

曹培等[28]研究了應力水平對濕化變形的影響，繪制出濕化變形隨應力水平變化的曲線，發(fā)現(xiàn)圍壓相同，濕化軸變隨應力水平的提高而增大，且應力水平低于0.6時兩者近似為線性關系。

彭凱等[10]進行了三軸濕化試驗研究，得到各向等壓條件下濕化體變與圍壓之間的關系可用雙曲線表示，軸變與圍壓之間的關系可用直線表示。李鵬等[29]研究認為應力水平一定的條件下，濕化軸變和體變均與圍壓有關。

縮尺效應及浸水速率等對濕化變形的影響方面也有學者進行了深入研究[22，30-31]。

3 濕化變形模型研究

堆石料濕化模型主要分為經(jīng)驗模型和理論模型，根據(jù)濕化變形變量描述形式的不同可分為全量模型和增量模型。全量模型一般由試驗結果直接推求，屬經(jīng)驗模型;增量模型一般由彈塑性理論、非線性彈性理論等結合建立，屬理論模型。

3.1 濕化變形經(jīng)驗模型

朱百里等[32]假設剪應變與應力水平之間為雙曲線關系，體變?yōu)槌?shù)，進而提出了CW-DW濕化模型，即

εωv=CW（1）

εωs=DWSL1-SL（2）

式中：εωv為濕化體變;εωs為濕化剪應變;SL為濕化應力水平;CW、DW為待定參數(shù)。

李國英等[33]對該模型進行了改進：

εωv=CW（σ3pa）nw（3）

εωs=DWSL1-SL（4）

式中：σ3為濕化小主應力;pa為標準大氣壓;nw為參數(shù)。

程展林等[18]假定濕化軸變僅與濕化應力水平有關，根據(jù)試驗結果得到如下濕化變形計算公式：

εωa=aebSL（5）

εωv=（cσ3+d）SL+（eσ3+f）（6）

式中：εωa為濕化軸變;a、b、c、d、e、f為參數(shù)。

張延億等[7]以球應力和偏應力為應力條件研究堆石料濕化變形規(guī)律，得到新的濕化計算模型，即

εωs=（a+bppa）μ（c+dppa）（7）

εωv=（e+fppa）+μ（g+hppa）（8）

式中：p為球應力;μ=q/p，q為偏應力;參數(shù)a、b、c、d、e、f、g、h由濕化試驗結果推求。

3.2 濕化變形理論模型

李廣信[6]基于廣義虎克定律提出了濕化割線模型，該模型認為濕化體變模量與濕化剪切模量可分別由等向應力狀態(tài)下的濕化試驗及三軸壓縮濕化試驗確定，即

Ks=ζεωv=K0pa（ζpa）1-ms（9）

εωv=1K0（ppa）ms（10）

3Gs=1-bτa（11）

式中：Ks為濕化體變模量;ζ為平均主應力;K0、ms為試驗常數(shù);Gs為濕化剪切模量;τ為廣義剪應力;a、b為σ3的函數(shù)。

此外，將濕化應變視為土由干變濕產(chǎn)生的塑性應變增量，假定濕化應變向量與清華彈塑性模型屈服面存在正交性，得到了由等向應力下濕化體變確定濕化應變量的塑性模型。

遲世春等[34]以非線性彈性理論計算堆石料濕化變形，認為濕化軸變與應力水平之間更適合用雙曲線表達。介玉新等[35]提出基于廣義位勢理論的濕化變形計算思路，將濕化對土體的影響近似為一種荷載的作用，荷載增量較小時按濕土模型的彈性狀態(tài)計算，荷載增量超過一定值后按正常加載情況考慮。

4 存在問題分析

近年來，越來越多的學者對堆石料濕化變形開展了相關研究并取得了大量成果，但對堆石料濕化變形特性的認識還不全面，筆者認為以下方面的研究尚顯薄弱。

（1）對降雨入滲引起的濕化變形研究較少。降雨會引起非飽和入滲，導致堆石壩發(fā)生濕化變形，現(xiàn)有研究主要針對飽和濕化試驗，在非飽和濕化試驗研究方面，李廣信等[36]通過在試樣中加入冰屑的方法進行增濕，開展了一定非飽和含水率的濕化試驗。丁艷輝等[37]采用模擬降雨入滲的方法控制堆石體濕化飽和度，研究了堆石體非飽和入滲過程和不同飽和度情況下的濕化變形特性。劉秋生等[38]認為浸潤線以上堆石體降雨浸水產(chǎn)生的濕化變形隨降雨量的增大而增大，且堆石體完全飽和時濕化變形最大。

（2）缺乏統(tǒng)一的變形穩(wěn)定標準。濕化變形試驗作為一種特定試驗，土工試驗標準并沒有對濕化變形穩(wěn)定標準作出明確規(guī)定。魏松等[39]總結了10種濕化變形穩(wěn)定標準，認為采用15 min控制平均軸變率為0.000 6%/min作為變形穩(wěn)定標準既節(jié)省時間又滿足一定的精度。張延億[40]認為濕化變形穩(wěn)定受多種因素影響，建議濕化變形穩(wěn)定標準采用10 min內(nèi)平均軸變率不超過0.001%/min。傅華等[24]、程展林等[18]以軸變率不超過0.000 056%/min作為試樣變形穩(wěn)定標準。

5 結 語

堆石料由于壓實后強度高、變形小，因此在土石壩工程中得到了廣泛應用，而堆石料遇水產(chǎn)生的濕化變形會對壩體安全運行造成嚴重影響。本文總結了大量學者在堆石料濕化變形試驗設備與方法、影響堆石料濕化變形的因素及濕化變形計算模型等方面的研究成果，分析了濕化變形的機理及發(fā)展規(guī)律。鑒于堆石料濕化變形的復雜性，認為在降雨入滲引起的堆石料濕化變形及濕化穩(wěn)定標準選取等方面還需深入研究。

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【責任編輯 張華巖】