環境因素對堆石料長期變形的影響研究

張 弛 徐 婷 陳 鵬

（西京學院，陜西 西安710123）

在我國過去的70 年中，水庫大壩通常以堆石料構筑的土石壩為主。堆石料在荷載不變的條件下會產生的長期變形，即堆石料流變。由于堆石料具有長期變形的特性，例如1989 年中國建成的第一座面板堆石壩- 西北口面板堆石壩，運行7 年后仍有較大的變形[1]。土耳其的Ataturk 心墻堆石壩竣工后壩頂沉降達2.5m，壩體最大沉降達7m[2]。通過實例可知，許多地區由于材料限制，惡劣的環境條件以及長期運行中各種意外因素對面板堆石壩的長期安全不利。

目前為止，面板堆石壩中堆石料的短期變形已有了較多的研究，而長期變形的研究相對較少。因此我國面板堆石壩在發展中必須要面對堆石料長期變形的挑戰，將重點歸納目前環境因素對堆石料長期變形的影響研究。

1 堆石料的干濕循環

面板堆石壩在運行過程中，常要經歷水位的升降變化或淋雨所引起的干濕循環。例如目前Justo & Durand[3]的研究表明，Martin Gonzalo 大壩在建成后，降雨強度對沉降速率有較大的影響，隨著降雨強度增大，沉降速率加快。Alonso 等[4]分析發現Beliche 大壩的沉降與降雨強度、壩體的蓄水位相關。這些例子均表明，干濕循環與堆石料的變形尤其是長期變形都有密切的聯系。

介于干濕循環對堆石料長期變形的重要影響，在清華大學的巖土工程研究改進的WYKEHAM 中型三軸試驗儀上進行了三軸干濕循環試驗，得出在各項等壓時，較低的圍壓條件下，體積變形量與圍壓成正比，較高圍壓下成反比。

在施加偏應力且圍壓與應力水平相同的條件下，軸變量與圍壓的關系與各項等壓條件下的類似。值得注意的是，初次軸變量占總體的變量較大，一般為75%～95%，且隨應力水平的增大而增大。后期的干濕循環中變形量通常在排干過程中，同時隨著循環次數的增加逐漸趨于穩定。

對于上述的實驗結論，可以采用雙曲線模型模擬僅由干濕循環導致體積應變和軸向應變與循環次數之間的關系。體積應變擬合曲線為

軸向應變擬合曲線為

通常變換為

式中：n 為循環次數，a1，av是軸應變和體應變與n 的關系曲線的初始斜率的倒數，b1，bv為最終軸應變和體應變的倒數。

從目前的研究發展來看，堆石料干濕循環對面板堆石壩的長期變形有著不可忽視的影響。通過試驗與建立干濕循環雙曲線的本構關系模型可以在一定程度上預測出干濕循環的長期影響，但由于室內試驗的局限性，試樣進行了等量替換的縮尺，會導致尺寸效應的發生。同時室內試驗的干濕循環速度比實際工程水位升降要快得多，因此室內試驗數據并不能完全反映出實際的干濕循環的影響。

而且在實際工程中，堆石料通常會產生風化作用，風化的堆石料會產生更大的變形。因此在未來的試驗及數值模擬的本構建立中，應考慮尺寸效應、風化作用等的影響，以便得到更準確的數據。

2 堆石料的溫度變化

近年來，我國在東北、西北、西南等地區修建了大量的面板堆石壩，這些地區通常工程環境較差，夏季冬季溫度變化大或晝夜溫差較大，導致堆石料經歷溫度循環變化，流變狀態不穩定。最終引起面板堆石壩在長期使用過程中變形增大，對長期安全不利。

目前，南京水利科學研究院筑壩材料試驗中心通過研制并改進大型劣化儀測得溫度循環變化對堆石料的強度和變形產生的影響。堆石料強度經流變穩定后增大，且溫度越高強度越大，但經溫度循環后強度降低，循環次數越多強度衰減越大。堆石料的體積變形符合熱脹冷縮規律，溫度升高體積膨脹，溫度降低體積收縮，經溫度循環后體積流變量大于未經溫度循環的堆石料，隨循環次數增加體積流變量減小。軸向變形由于受體積變形的影響，隨溫度升高變形減小，反之增大，軸向流變量經溫度循環，變化與體積流變量類似，且也隨著循環次數增加軸向流變量減小，最終趨向穩定。

試驗也指出，溫度循環會導致堆石料顆粒產生劣化破碎、重新排列，整體破碎率增大，可推斷出體積與軸向變形因溫度循環次數增加而增大，與實驗結果相悖，證明顆粒破碎對試驗結果無法起到決定性影響，原因可能是經數次溫度循環后劣化破碎已經完成。

但在未來的實驗中，應考慮溫度效應產生的影響以得到更加嚴謹的數據。同時，由于實驗室條件受限，溫度循環次數較少，而且只采用一種巖體的堆石料為實驗材料不能證明實驗數據的準確性，因此想要普遍的規律，還應繼續通過大量實驗證明。

3 冷濕- 干熱耦合作用

在面板堆石壩的長期運行中，通常溫度變化與干濕循環不會單獨作用。因此，想要得到實際工程中堆石料長期變形受環境影響的因素，必須考慮溫度變化和干濕循環耦合作用下對堆石料的共同影響。

孫國亮等[5]探討了冷濕- 干熱耦合循環作用下堆石料的變形，通過實驗測得壓縮應變約為0.3%，變形主要發生在干熱階段，濕冷階段會出現一個較小的應變膨脹反彈。冷濕- 干熱耦合循環作用下的壓縮變形與單獨干濕循環的規律類似，但變形幅度較大，20 次循環后的豎向變形從3%增加到4.8%。

由下圖可見冷濕- 干熱耦合、冷熱循環、干濕循環3 種條件下的軸向應變，通過比較可得出冷濕- 干熱耦合對堆石料的影響最大，同時也證明了冷濕- 干熱耦合作用下產生的軸向應變不是冷熱循環、干濕循環的實驗數據簡單的疊加。前期循環中冷濕- 干熱耦合作用下的堆石料軸向變形主要來自于干濕循環，后期的變形主要來源由于溫度變化產生附加作用導致堆石料劣化變形。

不同類型試驗結果的對比Comparison of strain under different conditions

通過對試驗后的試驗進行篩分實驗冷熱循環、干濕循環和濕冷- 干熱耦合循環的顆粒破碎率分別為2%、2.8%和5.6%。濕冷- 干熱耦合循環導致堆石料劣化更加接近實際工程情況。但由于堆石料顆粒的劣化是一個較長的過程，即使試驗采用了較易劣化的泥質粉砂巖也較難觀測堆石料的劣化過程。

因此，想要得到更加接近實際工程中堆石料受環境因素影響產生的長期變化規律，除了進行長期試驗外，也可以分別對其顆粒建立數值模擬，賦予不同尺寸粒徑、顆粒形狀等數值進行分析計算。

4 結論

環境對堆石料長期變形的影響通常表現在溫度變化，干濕循環及濕冷- 干熱耦合循環幾個方面，通過總結研究結果可以得出無論是溫度變化還是干濕循環都會導致堆石料的劣化從而對長期變形產生的影響。

濕冷- 干熱耦合循環得到的結果更加接近實際工程情況，前期循環中堆石料軸向變形主要來自于干濕循環，后期的變形主要來源由于溫度變化產生附加作用導致堆石料劣化變形。但總體來說，由于試驗中采用的材料種類單一，顆粒尺寸較小等因素，得到的結論與實際情況相比還需進一步的推敲。