不同強(qiáng)度壩基與壩體接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

韓樹軍，王 勇，李 偉，韓華強(qiáng)，尤 恒，陳 葉，魏向誠，趙署光

(1.內(nèi)蒙古赤峰抽水蓄能有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350；2.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

土石壩存在多種不同材料的交界面或接觸帶，如心墻與反濾料、壩體與岸坡或基巖、混凝土(瀝青)面板與墊層料以及壩基與防滲墻等部位。由于接觸面兩側(cè)材料性質(zhì)的差異，在界面兩側(cè)常存在較大的剪應(yīng)力并出現(xiàn)位移不連續(xù)現(xiàn)象。已有研究表明，2種強(qiáng)度都較高的接觸面材料，剪切破壞面就是接觸面，而這些部位通常也是大壩易發(fā)生事故的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。從格里拉斯(Golillas)和里蘇(Lesu)2座混凝土面板堆石壩的運(yùn)行和實(shí)測(cè)情況看，在狹窄陡峭河谷地形條件下，壩體堆石可能會(huì)沿陡峭的壩肩發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致面板裂縫或止水破壞[3-4]。陳生水等[5]對(duì)“635”黏土心墻砂礫石壩進(jìn)行原型觀測(cè)表明，該壩防滲體和陡岸坡接觸部位在水庫運(yùn)行期發(fā)生了較大的剪切和水平位移，導(dǎo)致上游防滲體和岸坡出現(xiàn)脫空趨勢(shì)，從而可能在高水頭作用下形成滲漏通道。

當(dāng)前，對(duì)于土石壩接觸面問題的研究多集中于不同材料分區(qū)之間或與岸坡、面板、基巖之間[6-7]。隨著我國水電事業(yè)尤其是抽水蓄能電站建設(shè)的飛速發(fā)展[8]，越來越多的大壩直接建在軟弱基巖甚至覆蓋層上。一般情況下，壩基軟弱基巖與新填壩體的力學(xué)特性存在較大差異，且由于接觸面2種材料之間的剛度差異較大，在荷載作用下，兩者接觸面因變形不協(xié)調(diào)會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。為了反映兩者之間的相互作用，必須考慮其接觸特性，兩者的接觸部位也應(yīng)是大壩建設(shè)中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)問題?；诖?，本文結(jié)合芝瑞抽水蓄能電站，通過軟弱基巖和較硬基巖與新建壩體之間接觸面的直剪試驗(yàn)，對(duì)比研究了不同強(qiáng)度接觸面的力學(xué)特性。

1 工程概況

芝瑞抽水蓄能電站上水庫位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗芝瑞鎮(zhèn)百岔河左岸山體頂部玄武巖臺(tái)地上，庫區(qū)開挖范圍內(nèi)壩基巖性主要為新近系氣孔狀玄武巖和凝灰質(zhì)角礫巖，厚約200 m。玄武巖具多個(gè)韻律旋回，顯示多期次的火山噴發(fā)活動(dòng)，每期次火山噴發(fā)活動(dòng)之間具有一定間斷[9]，表現(xiàn)為每期次玄武巖之間均具一定厚度的凝灰質(zhì)角礫巖。巖石室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，氣孔狀玄武巖飽和抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，凝灰質(zhì)角礫巖飽和抗壓強(qiáng)度為0.3～4.8 MPa，平均值僅為1.6 MPa，各向異性不明顯。凝灰質(zhì)角礫見圖1。

圖1 凝灰質(zhì)角礫巖

根據(jù)上水庫庫區(qū)地形、地質(zhì)條件及調(diào)節(jié)庫容要求，上水庫采用庫內(nèi)開挖、環(huán)庫周圈填筑方式形成。庫盆采用全庫瀝青混凝土簡式面板防滲形式，大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩，主壩壩頂寬度10.0 m，壩軸線長1 899.0 m，最大壩高73.0 m。上游庫坡及壩坡均為1∶1.75，下游壩坡在1 550.0 m高程以上為1∶2，1 550.0 m高程以下為1∶1.5。壩體從上游到下游分區(qū)分別為墊層區(qū)、過渡區(qū)、堆石1區(qū)、堆石2區(qū)、干砌石護(hù)坡，壩體下部與壩基接觸部位采用將過渡區(qū)從上游一直延伸到大壩下游的“L”形布置方式。

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)是研究不同材料間接觸面應(yīng)力變形特性的重要途徑。Clough等[10]較早采用直剪儀開展了相關(guān)研究工作，試驗(yàn)時(shí)將壓實(shí)砂樣置于直剪儀的上剪切盒，將養(yǎng)護(hù)完成的混凝土塊置于下剪切盒中，通過研究砂與7 d及28 d齡期的混凝土接觸面的剪切特性，初步揭示了不同材料間接觸面的力學(xué)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，接觸面的位移與剪應(yīng)力的關(guān)系仍符合Duncan所提出的雙曲線模型。然而，由于直剪試驗(yàn)自身的缺點(diǎn)，在沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少，使得施加于剪切面的法向應(yīng)力不斷增大，無疑影響了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。因此，一些研究者對(duì)常規(guī)直剪儀進(jìn)行了一定的改造，如Desai等[11]提出的雙自由度扭剪儀、Brant[12]提出的大型合成直剪儀、Jewell[13]提出的對(duì)稱直剪儀等。盧廷浩等[14]則把常規(guī)直剪儀的下剪切盒取出，直接用結(jié)構(gòu)物(混凝土、磚、石等)代替，較好地解決了剪切過程中實(shí)際剪切面積不斷減小、上下剪切盒邊緣處應(yīng)力集中的問題。

借鑒上述研究成果，南京水利科學(xué)研究院與南京土壤儀器廠有限公司合作研制了NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪試驗(yàn)儀[15]。該設(shè)備具有試樣尺寸大、應(yīng)力大、精度高、自動(dòng)化程度高、操作方便等特點(diǎn)，適用于土石壩工程中粗顆粒土與不同材料間接觸面的力學(xué)特性試驗(yàn)研究。

NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀由框架構(gòu)件、上下剪切盒、導(dǎo)軌、法向力及剪切力施加裝置、測(cè)量控制單元等組成。框架構(gòu)件承擔(dān)豎向荷載和水平荷載；計(jì)算機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)采集等功能，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)繪圖等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀框架結(jié)構(gòu)

考慮到土木和水利工程的實(shí)際情況，借鑒粗顆粒土接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究的先進(jìn)成果，為克服沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少的缺點(diǎn)，沿剪切方向，NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀下剪切盒長比上剪切盒長170 mm(上剪切盒尺寸500 mm×500 mm×150 mm、下剪切盒尺寸500 mm×670 mm×150 mm)，使得試樣的最大允許剪切位移達(dá)到170 mm，用以保證剪切過程中剪切面積不發(fā)生改變，克服了沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少而法向應(yīng)力一直在增加的缺點(diǎn)，保證了試驗(yàn)成果的可靠性。試驗(yàn)設(shè)備見圖3。

圖3 NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀

3 試樣制備及試驗(yàn)過程

試樣時(shí)，上剪切盒充填過渡區(qū)料，模擬新填壩體。為研究新填壩體(過渡區(qū)料)和下部軟弱基巖(凝灰質(zhì)角礫巖)的接觸關(guān)系，分別進(jìn)行了過渡區(qū)料和凝灰質(zhì)角礫巖的接觸面試驗(yàn)、過渡區(qū)料和較硬基巖的接觸面試驗(yàn)。芝瑞上水庫大壩基巖以氣孔狀玄武巖為主，由于符合試驗(yàn)尺寸的長方體巖塊現(xiàn)場(chǎng)取樣和制備均有一定困難，所以采用和基巖單軸抗壓強(qiáng)度接近的混凝土試塊模擬基巖(氣孔狀玄武巖)，并在混凝土試塊表面采用人工增糙模擬現(xiàn)場(chǎng)邊坡的開挖，人工增糙面的鑿毛起伏差不大于5 mm。過渡區(qū)和凝灰質(zhì)角礫巖的試驗(yàn)級(jí)配曲線見圖4。從圖4可知，過渡區(qū)料級(jí)配曲線相對(duì)連續(xù)光滑，級(jí)配良好。凝灰質(zhì)角礫巖細(xì)料含量相對(duì)較高，5 mm以下細(xì)料含量超過了40%，0.075 mm以下粉粒及黏粒含量接近20%。細(xì)料及粉粒黏粒均相對(duì)較高，使得凝灰質(zhì)角礫巖力學(xué)性能相對(duì)較差。過渡料制樣干密度采用設(shè)計(jì)干密度值2.12 g/cm3，凝灰質(zhì)角礫巖的制樣密度則采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)密度均值1.34 g/cm3。

圖4 試驗(yàn)級(jí)配曲線

試樣均采用振動(dòng)擊實(shí)法分層進(jìn)行裝填，并根據(jù)不同的干容重控制每層試樣的振動(dòng)時(shí)間。試樣裝置完成后，采用靜水頭法對(duì)試樣進(jìn)行飽和。待試樣飽和后，按要求對(duì)試樣施加垂直荷載，試樣固結(jié)穩(wěn)定后對(duì)試樣進(jìn)行剪切。剪切過程中，控制上下剪切盒開縫值為20 mm，并同步記錄水平剪力和水平位移，直到接觸面剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值后結(jié)束試驗(yàn)。

4 接觸面模型

在接觸面本構(gòu)關(guān)系的研究中，學(xué)者們一般直接將由接觸面試驗(yàn)得到的剪切曲線作為建模的基礎(chǔ)。Clough和Duncan[10]根據(jù)接觸面直剪試驗(yàn)成果提出了雙曲線接觸面模型，該模型至今仍是最常用的接觸面本構(gòu)模型。Clough和Duncan認(rèn)為，接觸面剪應(yīng)力τ與接觸面相對(duì)位移ws呈非線性關(guān)系，可近似表示成雙曲線形式，即

(1)

式中，a、b為反映接觸面性質(zhì)的參數(shù)。通過試驗(yàn)確定相應(yīng)參數(shù)后，接觸面的切線剪切勁度系數(shù)kst可表示為

(2)

式中，φ、c分別為接觸面摩擦角和凝聚力；k1、n、Rf為試驗(yàn)參數(shù)，均由試驗(yàn)確定；pa為大氣壓力，取100 kPa；γw為水的容重，取10 kN/m3；σn、τ分別為接觸面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于過渡料與凝灰質(zhì)角礫巖接觸面、過渡料與氣孔狀玄武巖接觸面，均分別開展了0.3、0.6、1.0 MPa和1.5 MPa共4級(jí)垂直應(yīng)力條件下的直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)過程曲線分別見圖5、6。從圖5、6可知，不同垂直壓力下接觸面的剪應(yīng)力與剪位移均具有較好的變化規(guī)律，曲線具有明顯的非線性特征，曲線的初始切向勁度系數(shù)隨著剪切面法向應(yīng)力的增加而逐步增加。但由于接觸面材料的差異，兩者的試驗(yàn)曲線形狀差異明顯，過渡料與氣孔狀玄武巖的接觸面剪應(yīng)力與剪切位移曲線有明顯的峰值出現(xiàn)，呈現(xiàn)出明顯的軟化型的變形特征，各試樣的破壞剪切位移隨剪切面的法向應(yīng)力的增加而增大；過渡料與軟弱基巖(凝灰質(zhì)角礫巖)的接觸面剪應(yīng)力與剪切位移曲線則沒有明顯的峰值出現(xiàn)，呈現(xiàn)出典型的硬化型的變形特征。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，整理出相應(yīng)的接觸面模量參數(shù)，結(jié)果見表1。從表1可知，新建壩體與壩基軟弱基巖及較硬基巖的結(jié)果差距顯著，尤其是接觸面摩擦角φ由36.9°降低到了24.3°，降低了約34%，勁度系數(shù)由7 758降低到了2 421，降低了約69%，隨著壩基由較硬基巖轉(zhuǎn)換為軟弱基巖，新填壩體與壩基接觸面的力學(xué)特性急劇衰減。顯然，壩基軟弱基巖(凝灰質(zhì)角礫巖)與較硬基巖(氣孔狀玄武巖)2種接觸材料間力學(xué)特性的差異，是造成新填壩體與上述材料間的接觸面力學(xué)特性產(chǎn)生顯著差異的主要原因。作為壩基與壩體的接觸部位，除基巖外，壩基為軟弱基巖，尤其是軟弱覆蓋層時(shí)，其與新填壩體間接觸面的力學(xué)特性差異顯著，相關(guān)接觸面的力學(xué)特性值得重視及進(jìn)一步研究。

表1 接觸面試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 語

本文基于NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪試驗(yàn)儀，通過直剪試驗(yàn)，對(duì)比研究了軟弱基巖和較硬基巖與壩體之間接觸面的力學(xué)特性，得出以下結(jié)論：

(1)沿剪切方向，采用下剪切盒長度大于上剪切盒的設(shè)計(jì)方式，NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀可以保證剪切過程中剪切面積不發(fā)生改變，克服了沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少而法向應(yīng)力一直在增加的缺點(diǎn)，保證了試驗(yàn)成果的可靠性。

(2)不同垂直壓力下，接觸面的剪應(yīng)力與剪位移曲線具有明顯的非線性特征，大體仍符合Clough等提出的雙曲線接觸面模型。

(3)由于接觸材料的差異，新填壩體與不同材料間接觸面的力學(xué)特性差異顯著，隨著接觸材料由較硬基巖到軟弱基巖，接觸面剪應(yīng)力與剪切位移曲線由典型的軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)橛不汀?/p>

(4)隨著壩基由較硬基巖轉(zhuǎn)換為軟弱基巖，采用雙曲線接觸面模型整理得到的新填壩體與壩基接觸面的力學(xué)指標(biāo)發(fā)生急劇衰減，接觸面摩擦角降低了34%，勁度系數(shù)降低了約69%。

(5)作為壩基與壩體的接觸部位，壩基為軟弱基巖，尤其是軟弱覆蓋層時(shí)，相關(guān)接觸面的力學(xué)特性值得重視及進(jìn)一步研究。