2.3 筑壩材料流變、濕化變形特性及計算方法

2.3.1 壩料濕化變形特性及計算方法

堆石體濕化變形的機理是，堆石體在一定應力狀態下浸水，其顆粒之間被水潤滑、顆粒礦物發生浸水軟化，而使顆粒發生相互滑移、破碎和重新排列，從而導致體積縮小的現象。水庫蓄水過程中，盡管水對心墻壩上游壩殼有浮力作用，但大壩變形觀測資料表明，在蓄水過程中上游壩殼在浮力的作用下并未發生上抬現象，而是出現了下沉。這是由于濕化變形的存在，不僅抵消了因浮力作用而產生的上抬變形，而且出現了不同程度的下沉現象。

在糯扎渡水電站心墻堆石壩工程中，采用單線法浸水變形試驗研究了角礫巖、花崗巖和泥質砂巖3種壩殼料在不同應力狀態下的浸水濕化變形特性。試驗研究結果顯示，堆石料的濕化變形與浸水前所處的應力狀態以及堆石料本身的特性有關。相對泥質砂巖而言，角礫巖和花崗巖顆粒強度高，浸水不易軟化，顆粒破碎量較小，所以浸水后濕化變形量較小。角礫巖和花崗巖相比，其強度稍高一些，故其浸水后的濕化變形量也略小一些。但不同堆石料在不同應力狀態下浸水所表現出的濕化變形規律是一致的，可歸結為以下幾點：

（1）當試樣浸水前處于低圍壓和低應力水平狀態時，濕化變形主要表現為體積收縮。當試樣浸水前處于低圍壓和高應力水平狀態時，濕化變形主要表現為沉陷及側向膨脹現象。

（2）不同應力水平下的濕化變形試驗結果顯示，浸水前圍壓較低時，濕化體應變隨應力水平的增加而減小，浸水前圍壓較高時，濕化體應變隨應力水平的增加而增加，表明在低圍壓下試樣的剪脹是明顯的。

（3）壩料浸水引起的體應變包括兩部分，一部分是圍壓σ₃引起的增量，另外一部分是偏應力q引起的增量，前者隨圍壓的增加而增加，后者與圍壓有關，引起的體應變可能增加也可能減小。

（4）浸水變形引起的廣義剪應變與圍壓σ₃關系不大，主要與應力水平有關，隨著應力水平的增加而增加。

國外學者在20世紀70年代初便研究土石壩濕化變形的計算方法。在國內，濕化變形的研究起步于“七五”期間，主要結合小浪底斜墻堆石壩進行。經過多年的研究，提出過多種濕化變形計算模型與方法，主要有：殷宗澤的基于雙線法的增量初應力法，李廣信的割線模型與彈塑性模型，沈珠江的基于單線法的濕化模型以及在此基礎上的改進模型。根據糯扎渡水電站心墻堆石壩上游壩殼料濕化變形試驗揭示的規律，建議的堆石體濕化變形計算數學模型為：

式中 c_w、d_w、n_w、b_w——模型參數；

S_l——應力水平；

σ_3d——隨著應力水平的增加濕化體積應變減少或增長的圍壓分界值。

2.3.2 壩料流變變形特性及計算方法

土體發生流變的根本原因是由于土體在主固結完成之后，土體中仍有微小的超靜孔隙水壓力存在，驅使水在顆粒間流動，即所謂的次固結現象。

堆石體與土體的粒徑、粒間接觸形式以及顆粒組成不同，它們發生流變的機理也不同。堆石體由于排水自由，不存在固結現象。從機理上說，在荷載作用下堆石體內石塊的破碎對堆石體的流變過程有非常大的影響，這種影響在堆石流變的初期階段尤為明顯，雖然這種影響難以通過微觀分析進行定量研究，但并不妨礙人們對堆石體的流變進行宏觀上的把握。堆石體的流變在宏觀上表現為：高接觸應力—顆粒破碎和顆粒重新排列—應力釋放、調整和轉移的循環過程。在這種反復過程中，堆石體體變的增量逐漸減小最后趨于相對靜止。

為了揭示壩料的流變特性，在糯扎渡水電站心墻堆石壩工程中，采用大型高壓三軸儀對筑壩材料進行了流變試驗，研究了角礫巖、花崗巖、泥質砂巖和心墻含礫土(摻礫35%)在不同應力狀態下的流變性狀。試驗結果表明，壩料流變與自身性質有關，心墻土流變較堆石料大，顆粒強度低的堆石料流變較顆粒強度高的堆石料大，飽和堆石料的流變較風干堆石料的流變大。雖然不同壩料的流變量有所差別，但各種壩料在不同應力狀態下表現出來的流變性狀基本是相同的，根據流變試驗結果，可以得到以下幾條規律：

（1）在較低圍壓下，壩料的體積流變量較小，而在高圍壓下壩料的體積流變量則有較為明顯的增加。

（2）壩料的體積流變不僅與圍壓有關，而且與剪應力（應力水平）有明顯關系。壩料的剪切流變主要與剪應力（應力水平）有關，圍壓的影響相對較小。

（3）在高圍壓下，壩料的體積流變明顯高于剪切流變。在低圍壓下，當應力水平較低時，壩料的流變仍以體積流變為主，但隨著應力水平的升高，剪切流變量將超過體積流變量。

（4）不同應力水平下的流變試驗結果顯示，當圍壓較低時，體積應變隨應力水平的增加而減小。當圍壓較高時，體積應變隨應力水平的增加而增加。

在土石壩應力變形計算中考慮流變的工作近年來逐漸受到重視，流變模型的確定通常有兩個途徑：①借鑒土體的流變理論建立模型；②根據流變試驗揭示的流變特性，采用經驗模型。目前，應用較多的是采用基于應力-應變速率的經驗函數型流變模型，主要有雙曲函數模型和指數衰減型模型等。雙曲函數和指數函數都可以較好地擬合試驗的流變曲線，在圍壓較低時雙曲函數能更好地描述堆石體的ε-t關系，但在高圍壓狀態下采用雙曲線擬合，則使其后期變形的發展過于平緩，過早地到達終值ε_f。鑒于糯扎渡水電站心墻堆石壩壩高達到260m，壩體大都處于高應力狀態，壩料流變衰減曲線選用指數函數（沈珠江三參數和七參數流變變形計算模型）更合適些。