1.4　存在的問題與研究內容

基于膠凝砂礫石壩的優(yōu)越性能，該壩型在國內外均具有十分廣闊的應用前景，需將筑壩材料特性、壩體剖面尺寸、施工技術、壩體安全性與經濟性等方面綜合考慮，形成一套完整的設計理念。但由于膠凝砂礫石壩發(fā)展歷時短，尤其對膠凝砂礫石材料的力學性能、耐久性及壩型研究不夠深入系統，剖面設計缺乏理論支撐，難以確定安全、經濟的合理剖面。致使該壩型在國內應用多局限于臨時工程或輔助工程。著者認為膠凝砂礫石壩的研究存在以下4個方面的問題。

（1）膠凝砂礫石材料力學性能研究大多采用常規(guī)單軸抗壓試驗，雖然也有部分抗拉和三軸試驗成果，但是對同一配比的材料同時進行抗拉、抗壓和抗剪系統試驗研究不夠。難以確定其系統的強度指標，急需同時對不同水泥用量、骨料級配、砂率、粉煤灰摻量等進行大量的常規(guī)單軸試驗和大三軸試驗研究，建立材料性能指標體系。

（2）對膠凝砂礫石材料的本構特性認識還不夠深入，多是將膠凝砂礫石材料看作混凝土材料，采用線彈性的本構關系來模擬。但通過現有研究成果，普遍認為膠凝砂礫石材料應力應變關系為明顯的非線性軟化曲線，線彈性本構關系不能準確地模擬膠凝砂礫石材料的實際應力應變狀態(tài)，需要建立適合膠凝砂礫石材料自身特點的本構模型。

（3）由于膠凝砂礫石材料中水泥用量較少，與常規(guī)混凝土相比，材料本身強度低，抗?jié)B透性能差，易產生凍脹、滲透、溶蝕等影響工程耐久性的問題，其中溫度變化和凍融破壞是影響膠凝砂礫石材料耐久性的重要因素，但目前這方面的研究工作還不夠深入。

（4）由于上述基礎研究不夠深入，無法對膠凝砂礫石壩進行合理的應力及變形分析，不能夠準確掌握壩體實際應力應變分布狀態(tài)，也難以確定合理的剖面設計原則和控制標準，從而也就難以確定合理的壩體型式和進行安全、經濟、耐久的壩體剖面設計。

鑒于以上問題，反映出膠凝砂礫石壩的基礎理論研究還不夠充分，嚴重影響到該優(yōu)越壩型的發(fā)展。本書擬通過系統的試驗研究，掌握膠凝砂礫石材料的力學特性；建立符合其材料特性的本構關系；經凍融試驗，確定熱學參數；通過仿真分析，確定膠凝砂礫石壩剖面設計原則和控制標準；從材料配比和工程結構措施兩個方面提出增強膠凝砂礫石壩耐久性能的措施和方法。主要研究內容如下。

（1）膠凝砂礫石材料力學特性試驗與研究。針對影響膠凝砂礫石材料力學特性的主要因素，進行系統的試驗與研究。選取天然河道的砂卵石作為骨料，通過篩分，取不同顆粒級配、水泥用量、粉煤灰摻量、含砂率、水灰比、齡期、試件尺寸等同時進行常規(guī)抗拉、抗壓試驗和大三軸剪切試驗，得出相應的應力應變關系曲線，研究膠凝砂礫石材料強度隨之變化的規(guī)律。

（2）膠凝砂礫石材料耐久性研究。重點針對膠凝砂礫石材料在溫度變化及凍融影響下的耐久性問題進行深入研究。

1）采用混凝土快速凍融試驗設備，對多個配合比的膠凝砂礫石進行室內抗凍性能試驗，找出合適的測試方法，確定其相對耐久性指標；使用外加劑、粉煤灰、硅粉等對膠凝砂礫石材料進行改性試驗研究，探討提高材料抗凍耐久性的方法、途徑和可行性。

2）采用新型混凝土熱物理參數測定儀，進行不同初始溫度絕熱溫升試驗，獲得同齡期條件下自身不同配合比、不同初始溫度的絕熱溫升過程的試驗數據，同時測定導溫和比熱兩項參數，為仿真分析提供計算基礎數據。

（3）膠凝砂礫石材料本構模型研究。前期著者本著盡量貼近工程實際、計算分析方便的原則，采用“虛加彈簧法”解決了材料的軟化特性并建立了相應的本構模型。此次在分析和對比所得大量應力應變關系曲線的基礎上，同時采用其他解決材料軟化特性的方法，建立相應的本構模型，對比各模型的特點及適宜性，選擇適合于膠凝砂礫石材料性能的本構模型，并根據試驗成果確定相應的模型參數。

（4）膠凝砂礫石壩剖面設計原則及壩型研究。膠凝砂礫石壩剖面設計，只有清楚了解膠凝砂礫石材料的力學特性，建立符合膠凝砂礫石材料特性的本構模型，并在此基礎上對膠凝砂礫石壩進行合理的應力應變分析，掌握壩體實際應力應變分布狀態(tài)，將壩體實際應力應變狀態(tài)與筑壩材料的強度標準相結合，才能判斷壩體上、下游邊坡究竟是由抗拉、抗壓強度控制還是由抗剪強度控制，進而確定合理的控制標準和剖面設計原則。

根據所確定的材料性能指標體系和本構模型，通過大量的仿真分析，制定膠凝砂礫石壩合理的控制標準和剖面設計原則；分析膠凝砂礫石壩上、下游邊坡確定的控制條件；研究不同強度指標下應力、應變控制標準和壩體設計邊坡及壩高等，擬定合理的膠凝砂礫石壩壩型和剖面形式，研究膠凝砂礫石壩上、下游邊坡確定的理論依據和計算方法。

（5）膠凝砂礫石壩耐久性仿真分析。完善溫度場流固耦合有限元全過程仿真分析程序，建立膠凝砂礫石材料非線性控制微分方程和非線性邊界熱學特性的溫度場基本理論模型，確定不同防凍防裂條件下復合材料邊界熱學特性，根據實測氣溫資料，擬定受凍和融化溫度及持續(xù)時間；以抗凍試驗中的凍融破壞次數（試驗結果）為標準進行長期仿真分析，從而確定在實際工程條件下，膠凝砂礫石壩的凍融破壞時間和凍融影響深度；擬定防凍裂工程和結構措施方案，并賦予基于數學優(yōu)化算法的反分析研究，從而提出滿足工程防凍防裂要求的結構措施或工程措施。