高土石坝建设关键技术问题述评

丰土根,杨 贵,花剑岚,刘汉龙

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098;3.南京市水利规划设计院有限责任公司,江苏南京 210022)

水电作为绿色可重复利用的能源受到极大的重视.根据规划,到2020年,我国需开发水电1.7亿kW.土石坝因能适应复杂地形和地质以及可就地取材等而在水电建设中受到高度重视[1].在西部大开发中,将修建100m级、200m级乃至300m级的高土石坝,如232m高的水布垭面板堆石坝、261.5m高的糯扎渡心墙堆石坝、293m高的两河口心墙堆石坝等.这些工程由于坝高库大,坝址所在地区地形、地质条件复杂,环境恶劣,地震烈度高,一旦失事,将产生灾难性的后果.高坝设计中的应力变形关键问题、高边坡与深埋地下洞室等岩土工程问题都急需解决.大坝高度的增加将给现在所掌握的一般筑坝技术和设计理论带来挑战.20世纪80年代以来,我国已经在土石坝筑坝料研究方面取得很大进展,但由于坝高显著变化、受力条件复杂以及以前研究条件的限制等原因,仍有许多问题的研究不够成熟.为此,本文在总结国内外土石坝建设关键技术问题研究成果的基础上,针对高土石坝建设的特点,着重讨论高应力条件下土石料的试验方法、强度变形特性与本构模型、长期变形特性、动力特性与本构关系,土与结构接触面力学特性等关键问题,并探讨进一步研究的方向和主要科学问题.

1 高应力条件下土石料试验方法

1.1 粗粒土组构测试与定量分析方法

土石料作为一种散体材料,土颗粒间相互位置排列和粒间作用力对土石料的力学性质有重要影响,许多问题都涉及土石料组构问题.虽然人们很早就认识到散体材料的离散特征,然而依据实际物理现象构建数学模型时,却几乎一直沿用连续介质力学的方法.土石料组构是指土颗粒组成和土颗粒的几何排列方式,组构研究的主要内容是土颗粒的空间排列及相互作用的综合特性.组构研究大体分为3个阶段[2],即组构量的量化阶段、力学效应分析阶段和组构力学模型建立阶段,关键在于解决组构量的量化问题,这是建立组构力学模型最基本的任务.目前,由于解决组构量的量化问题未能找到合适方法,组构力学效应分析和组构力学模型构建难于深入.虽然在某些方面取得了一些成果[3-6],但土石料组构量与宏观力学性质的关系仍处于未知状态.要改变目前组构研究停滞状态,必须建立高效、便捷、精确的组构测试方法,只有获得了土石料的组构信息,其他研究才成为可能.

目前用于组构测试的方法通常有X线、扫描电镜、透射电镜等,对于土石料,要监测受力变形过程中试样内部结构的动态变化,最为合适有效的技术应该是计算机断层X线技术(computerized tomography,CT).近年来,CT在岩土试验中得到较为广泛的应用,主要用于研究岩体、膨胀土、红黏土和非饱和土等的损伤演化[7-10].目前,采用CT进行土石料组构研究的机构还不多见,只是长江科学院的水利部岩土力学与工程重点实验室在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的CT三轴仪上进行过探讨性试验,CT图像非常清晰可靠,能够准确地反映颗粒的位置和形态.但该设备用于研究土石料组构的最大不足是只能进行试样横向断面扫描.在土石料三轴试验过程中,轴对称试样中的土颗粒变位的主要方向是纵(轴)向,横向断面扫描难以反映试样的组构变化.实现纵向断面扫描最大的难点是,不仅要求三轴压力室侧壁是非金属的,而且要求提供轴向压力的装置(即液压千斤顶)也是非金属的.长江科学院自主研制的全非金属三轴压力室(包括非金属液压千斤顶)可以实现纵、横向断面扫描.

数值模拟是土石料组构研究的另一重要手段,DEM法(distinct element method)是当前国内外较为流行的数值方法,最初用于研究节理系统或多块体在准静力或动力条件下的力学问题,后由Cundall等[11]将其进一步推广应用于模拟颗粒介质的力学行为.其基本原理是用最简单的几何形状的离散单元来代表颗粒或块体的真实几何形状,将散粒体分离成离散单元的集合,利用牛顿第二定律建立每个单元的运动方程,用动态松弛法迭代求解,从而求得散粒体的整体运动性态.两单元间法向和切向的作用力由假定的力与相对位移的关系确定.文献[12-13]介绍了采用离散元法模拟砂土剪切试验和堆石料动力试验的情况.由于DEM法缺乏描述多体系统中颗粒或块体受力后运动和接触行为的完整运动学理论,因此,是否可以先通过小尺寸的室内组构与力学特性试验研究,再通过DEM法数值模拟推广应用到现场实际级配土石料是非常值得探讨的问题.

1.2 土石料缩尺效应研究

缩尺效应造成的室内试验成果与实际工程变形特性间的差异是土石料试验研究的瓶颈问题.随着大、重型振动碾压机械的使用和击实能量的提高,坝体填筑材料的最大允许颗粒已由原来的300～400mm提高到目前的600～800mm,而且随着碾压机械能量的加大,冲击碾压、填筑密度和最大粒径还有提高的趋势.王继庄[14]对粗粒料试验方法研究进行了回顾,通过D300mm,D100mm和D39.1mm系列三轴试样对标准砂、砂砾石和2种碎石料的不同胶膜层厚、不同允许最大粒径、制样密度,以等压固结排水剪的试验方法测定变形参数,从而对影响粗粒料变形特性和体积弹性模量的因素进行比较分析,得出了粗粒料试样直径D＜300mm时,对峰值强度的影响不太,但对其体应变及变形参数则有不可忽视的影响的结论,并认为粗粒料的测试技术、试验路径、胶膜楔入等问题有待进一步研究.国内外许多学者[15-16]研究过径径比(即最大允许粒径与试样直径之比dmax/D)问题,目前的采用值为0.2.常用的级配模拟方法主要有3种:相似级配法、等量替代法和剔除法.相似级配法虽可保持原始级配不均匀系数及曲率系数不变,但却使得细料含量增大,难免影响材料的工程性质;等量替代法虽可保持细料含量一定,但却会造成粗颗粒含量均化,使粗细颗粒填充关系变差,亦会影响材料的工程性质;剔除法仅适用于超径料含量较少的材料.由此可见,这3种方法都有其局限性.郦能惠等[17]在分析土石料强度与变形特性影响因素的基础上,通过大量室内对比试验研究了3种粗粒料的强度与变形特性,以及室内试验缩制而产生的缩尺效应,建立了粗粒料的强度和变形参数与缩尺比(原级配最大粒径/试验级配最大粒径)的关系式,通过外推得到原型土石料的强度和本构模型计算参数.由于受设备能力的限制,最小缩尺比仍然是较大的,这种外推方法可能是有风险的.总体来看,缩尺效应问题一直受到国内外研究者的重视,但研究深度不足.

土石料的内摩擦角随颗粒尺寸的增大而增大,随试样尺寸的增大而减小,试验过程中应力水平对试验结果也有较大影响,其影响程度超过试样尺寸的变化影响.从偏于保守的角度出发,用30 cm的试样,相应的最大粒径6 cm进行三轴仪试验,所得强度指标作为实际的大粒径土石料的强度指标,是可以接受的[18].然而,大试样与小试样在应力应变关系曲线上的差异,对确定本构模型参数,对应力变形计算结果会有什么影响,有多大影响,目前还不清楚.尺寸效应对200～300m级高土石坝应力变形的影响,实际上还没有研究过.此外,大颗粒剔除后,不同的颗粒级配方法(相似级配法和等量替代法)会带来怎样的影响,也需要进行系统研究.

1.3 掺砾心墙料的固结试验方法

近年来,我国的高土石坝得到迅猛发展,200m甚至300m级的高土石坝已经在建设或规划设计中.为减小心墙应力拱效应,心墙料常采用掺砾黏性土.砾质土心墙料中既含有颗粒较粗的碎石料,又含有大量的细粒黏性土.据统计,100m以上高土石坝中有70%的坝用这种土料作为心墙防渗料[19].在建和已建成的200m以上的高土石坝,用这种土料作为心墙防渗料的坝所占比例更高[20].掺砾黏性土颗粒大,进行强度变形试验需采用大型三轴仪;但它又含有相当大比例的黏性土,渗透性较小.大试样排水难,30 cm的大试样进行三轴仪排水剪试验,所需固结时间很长.若小试样3.9 cm所需固结时间为1d,则30 cm试样所需固结时间为60d.加偏应力的时间也很长.这不仅满足不了工程需要,而且长时间稳压,试验机械也无法实现.如何通过排水剪试验获得相应强度和变形指标,目前尚无合理方法.

2 土石料强度变形特性与本构模型

2.1 土石料颗粒破碎研究

目前,颗粒破碎的研究主要集中在颗粒破碎原因、形式及影响因素,颗粒破碎量的估算以及颗粒破碎对强度变形的影响等方面.Lee等[21-23]通过对堆石粗粒料在高围压下的三轴试验发现,颗粒破碎试验材料的颗粒级配随着外荷载的施加而逐渐变化,颗粒破碎的程度主要决定于原始试样级配、颗粒破碎强度以及应力水平.Marsal[23]从统计学角度对粗粒料颗粒进行了分类,定义了颗粒名义直径、形状系数、颗粒接触点数、土体体积颗粒密度和面积颗粒密度等概念,导出了颗粒接触点数、接触点力、破碎应力等的表达式.Miura等[24]也进行了颗粒表面积因素方面的研究.Hyodo等[25]通过对silica砂均匀级配和良好级配的一维高压压缩试验(最大竖向压力90MPa)发现,级配不同颗粒破碎的性状不同,压缩系数也不同.颗粒破碎的量化应该以颗粒的量化指标为基础,颗粒的量化类型主要有2种,即从颗粒群体统计角度入手和从单个颗粒角度入手,传统的以颗粒直径为控制的粒组描述方法是从颗粒群体角度入手的.Federico[26]从统计角度量化了颗粒土体的颗粒结构,对单个颗粒从形态学、几何学、能量学等多方面进行描述,采用的指标主要包括粒径、长径、短径、体态丰度等指标.对于颗粒破碎的研究,目前主要还是先从颗粒群体角度用直径进行度量,然后定义相应的颗粒破碎指标.颗粒破碎对强度的影响较大,因而研究相对较多.Marsal[23]进行了围压高达2.5MPa不同坝壳料的三轴剪切试验,发现随着围压的增大,摩尔库伦强度包线明显地非线性下弯.这说明高围压下颗粒破碎加剧,将造成土体抗剪强度进一步降低.Maksimovic等[27-28]通过对粗粒料抗剪强度的研究,得到了与以上类似的结论,同时Marcu等[28]指出抗剪强度的降低将影响到土石坝边坡的稳定.

郭庆国[29-30]采用标准砂进行了三轴剪切试验,发现当围压达到1.5MPa时,颗粒破碎明显加强,摩尔圆抗剪强度包线也在此压力之后明显弯曲.吴京平等[31]对人工钙质砂进行了三轴剪切试验研究,发现颗粒破碎的发生使钙质砂剪胀性减小,体积收缩应变增大,峰值强度降低.刘汉龙等[32-33]通过试验并结合大量已有资料归纳出粗粒料颗粒破碎量与三轴剪切峰值内摩擦角之间的关系.魏松等[34]对某花岗岩粗粒料进行了大量的三轴颗粒破碎试验,研究了不同应力状态下以及湿化引起的颗粒破碎情况.Naylor等[35]在研究高达48m的模型坝Beliche Dam施工填筑时发现,颗粒破碎引起了土体静止侧压力系数(K0)的增加和蠕变的逐渐加大.汪明元等[36]指出,颗粒破碎是粗粒料流变的一个重要因素.梁军等[37-38]进行了粗粒料的流变颗粒破碎试验,发现随着流变的发展,颗粒破碎量也在逐渐增加.王辉[39]的研究表明,粗粒料浸水湿化时颗粒会破碎.魏松[40]对湿化变形过程中的颗粒破碎进行了深入研究.到目前为止,颗粒破碎对湿化变形影响的定量分析还未见报道.

2.2 复杂应力条件下土石料强度变形特性与本构模型

随着土石坝高度量级的增加,土石料所受压力逐步增大.例如300m高的土石坝,其压力将达到6MPa以上,围压也将达到3MPa以上.由于当围压和水压较高以及应力路径发生变化时,土石料的颗粒结构将发生变化,因此其压缩变形特性试验研究以及在此基础上建立相应的本构模型将显得非常重要.土石料存在显著的各向异性,其变形特性受应力路径与应力历史的影响较强.实际上,土是弹塑性体,而塑性变形与过程相关.任何一个方向的应力变化都将产生塑性功,应力路径不同,所做塑性功不同,所产生的塑性应变也有所不同.常规三轴试验为轴对称加载条件,而实际工程的应力条件复杂,不少接近平面应变情况.例如,堆石坝应力条件先后经历3个阶段:填筑期相当于等主应力比的简单加荷过程;蓄水期水位反复升降相当于加荷与卸荷过程;运行期则存在蠕动变形情况.这些应力条件与常规三轴试验下的应力条件相差较大.因此,有必要开展粗粒料在复杂应力路径下变形特性的研究,为建立符合实际的本构模型提供依据.

土存在显著的各向异性,许多学者都已注意到了这一点,然而还没有引起足够的重视.常用本构模型都不能准确反映这一点.真三轴仪试验表明,从小主应力方向加荷,所引起的各向变形,远小于从大主应力方向加荷所产生的相应变形.各常用本构模型都是依据常规三轴仪试验,从大主应力方向连续加荷的试验结果来建立并确定参数的.对土石坝来说,水荷载无论作用在混凝土面板或混凝土防渗墙上,还是土质防渗心墙上,都是从小主应力方向施加的.这无疑会使计算产生不小的误差,甚至会将混凝土面板中的压应力算成拉应力.此外,由于碾压坝体材料还存在初始的各向异性,采用不考虑各向异性的常用模型,对土石坝应力变形的计算结果会有多大影响,如何改进,是一个亟待解决的问题.另一个问题是:土体的剪胀剪缩特性会显著影响侧向变形,而水压力作用下土体侧向变形的大小对混凝土防渗墙、土质心墙、混凝土面板中的应力都有重要影响.土体的侧向膨胀变形,会使得防渗体后面邻近的土体在水压力作用下有沿防渗体纵向张拉的趋势,进而引起防渗体内该方向上的拉应力.土体剪胀性愈强,这一因素所对应的防渗体内拉应力愈大.当然,水压力还会直接导致防渗体内产生压应力.可见土体的剪胀性对防渗体应力变形有着重要的影响.目前已有不少模型,如南水模型、椭圆抛物双屈服面模型等,可以同时反映剪胀和剪缩性,但复杂受力条件下所反映的剪胀和剪缩性是否合理,参数如何确定才更符合实际,都有待通过试验深入研究.

关于粗粒土本构模型,国内做了一些研究.如司洪洋等[41-42]对邓肯模型的应用及其参数确定问题进行了研究,但其研究只局限于粗粒土的大型普通三轴试验,所得到的仅仅是轴对称三轴应力状态下的应力应变特性,对粗粒土在复杂应力状态下的性质几乎没有涉及.实际上,大坝处于三维受力状态,即使处于平面应变状态,其应力应变特性也与轴对称的普通三轴应力状态有较大差别.因此,进行粗粒土的真三轴试验,揭示复杂应力状态下粗粒土的应力变形性质,准确了解粗粒土的力学行为,从而为准确预测土石坝的工作性态提供更为可靠的本构模型是十分必要的.

3 土石料长期变形特性

3.1 土石料长蠕变特性

若干堆石坝的运行实态和原型观测结果表明,坝体在建成蓄水后,其变形并未结束,在一定时期内仍然发展,这说明堆石具有流变性质[43-44].一个典型的实例就是罗马尼亚里苏坝[45],高约60m,水库运行2a后,由于左岸坝肩面板与趾板间产生显著相对位移,导致周边缝止水的破坏,漏水逐渐加大.满库运行4a后,靠近右岸坝肩面板产生了一系列主要裂缝,采用弹塑性应力应变模型的有限元分析已不能有效地解释这一现象,只有采用与时间效应有关的流变模型才能将里苏坝所测到的事故反映出来.国外还有关于堆石的流变效应引起混凝土护面局部碎裂的实例[44],而且在大多数情况下堆石的流变在现场观测中都表现得比较明显.国内一些地方利用岩性单一的软岩或多种岩性软硬相兼的石碴料作为坝体土石料,这些材料的蠕变性也是比较显著的[46].堆石体蠕变的机制、规律及其影响因素以及相应的蠕变计算模型等是必须研究的课题.

目前,堆石体流变的研究虽然取得了一些成果[47-49],但仍存在如下2个问题:(a)试验做得较少.长江科学院、南京水利科学研究院做了一些试验,但维持时间较短,土石料大三轴仪试验,能保持长期荷载不变的很少.(b)一些流变计算方法[50-51]还缺乏实际检验,参数确定更是没有把握.因此,研制适应长期加荷要求的大型高压长期变形试验仪,开展长期变形特性试验,建立反映实际的长期变形模型,并实现有限元数值全仿真模拟很有必要.

3.2 浸水变形和干湿循环问题

降雨造成的浸水变形、干湿循环和水位变动引起的荷载循环也是引起后期变形的一个重要原因.土石料浸水湿化时产生的变形,会导致坝体的应力应变状态发生变化,从而会产生不利于坝体安全运营的应力调整和变形[39,52].如:心墙坝,浸水变形往往使坝顶发生横向的伸长变形而造成纵向裂缝;混凝土面板堆石坝,下游尾水或坝顶雨水侵入造成的坝体土石料的湿化变形将影响面板的应力及周边缝的变位,严重的会造成面板开裂,使防渗设施失效[53].在土石坝粗粒料由于环境或运行条件的改变所造成的干湿循环过程中,坝体的工后变形对大坝安全运行影响较大.从目前国内外已建成的土石坝的监测资料看,土石坝在蓄水后的变形是不可忽视的,也不乏由于湿化变形危害坝体安全甚至造成溃坝的例子,如委内瑞拉的埃尔伊西罗坝蓄水后下游坝坡出现纵向裂缝,墨西哥的英菲尔尼罗坝(1964年)蓄水后引起坝顶快速下沉和向上游变位.如果因降水或渗漏使堆石体湿化甚至饱和,有可能产生较大的湿陷变形.三轴仪浸水变形试验有直接和间接2种方法[54-55].前者指加载到一定的应力状态浸水直接得到浸水变形,但这种试验相对复杂而且工作量大;后者指进行干、湿2种状态下的应力应变试验,用同一应力下的2种状态应变之差作为浸水变形,其误差较大.虽然关于浸水变形和干湿循环问题的研究[40,56-58]已经做了不少,但究竟如何进行合理的浸水变形试验,考虑浸水后干燥再浸水的干湿循环影响还是值得研究的.

另外,关于复杂应力条件下的粗粒料湿化变形如何计算模拟的问题,目前还未得到很好的解决.因此,粗粒料的浸水湿化和干湿循环变形,是目前高土石坝设计中急需解决的关键问题之一.

4 土石料动力特性与本构关系

4.1 土石料动力强度变形特性

由于大多数高土石坝位于我国西南和西北高烈度地震区,高坝设计必须注意抗震问题.动力分析的基础是材料的动力特性,因此土石料动力特性及其本构关系研究尤为重要.土石料的动力特性试验包括动强度和动变形.动强度试验是为了确定土石料的动强度指标.动强度指的是试样在某循环动周次Nf下,使试样达到某破坏标准的等幅动剪应力值.在土石坝抗震稳定分析中,通常规定轴向应变达到5%为破坏标准.动力变形特性试验测试的内容包括最大剪切模量Gmax、动剪模量G及阻尼比D随动剪应变γ的变化关系.土石料的动本构模型与静本构模型一样也包括黏弹非线性模型和弹塑性模型2种类型.但与静力分析不同的是动力弹塑性模型由于模型理论和参数确定的复杂性,还远远未达到工程应用的程度,因此,实际工程广泛使用的仍然是黏弹性模型[59].目前的研究还是集中在对黏弹性模型的改进和提高方面[60-61].与静力问题类似,高土石坝动力特性试验研究中面临的主要问题仍然是缩尺效应问题.如何修正黏弹性模型和如何选取合理的模型参数等是值得进一步研究的课题.

4.2 加筋土石料的动力强度变形特性

坝顶加速度放大作用是高土石坝抗震的一个重要问题.对于处于地震设防烈度较高的两河口300m级的高坝,由于坝体的动力放大作用,坝体上部的地震加速度较下部大,在坝顶附近地震加速度最大,因此抗震设计时考虑坝体上部约40m范围的堆石体内每2m铺设1层土工格栅,以提高坝体上部的抗震性能.如何评价土工格栅加筋的效果也是一个非常值得研究的课题.加筋土的静力特性研究国内外已取得不少成果[62-64],但加筋土石料的动力特性研究还是空白.加筋能够明显限制土体的侧向变形,增加坝体的整体性.在土石坝抗震分析时,对每层筋材进行模拟工作量太大且会遇到众多的动力接触面问题,因此,进行地震作用下加筋土石料综合特性的研究很有必要.

4.3 地震永久变形问题

地震永久变形是土石坝抗震设计的一个重要内容.早在1965年,Newmark就建议采用地震永久变形作为土石坝抗震稳定性的评价标准.即使抗震计算得到的坝体安全系数满足规定的要求,在一定强度的地震作用下,坝体安全系数可能在某一个时段瞬时小于1,但并不意味着坝体将完全破坏,实际上只要地震作用后坝体的变形在允许的范围内,可认为坝体是安全的,根据地震永久变形的大小和分布能够判断坝体的抗震性能与抗震稳定性,因此采用地震永久变形作为坝体的抗震稳定性评价标准比采用单一的安全系数作为坝体的抗震稳定性评价标准更为合理.

永久变形计算包括滑动体变形和整体变形分析2个部分.滑动体变形分析方法是Newmark基于极限平衡理论提出来的,该方法假设永久变形是由于滑动土体沿着最危险的滑动面在地震荷载作用下发生瞬态失稳时的滑动位移所产生的,当土体内某一点加速度超过材料的屈服加速度时,沿破坏面就会发生滑动,加速度减去屈服加速度积分2次就得到永久位移.Markdisi等[65-66]对Newmark法进行了改进.整体变形分析方法将地震前后坝体及其地基均假定为连续体,土的本构关系采用通常的黏弹性模型,先通过室内试验得到残余应变模型,再按照连续介质理论进行计算.从永久变形产生机制来看,这类方法又分为2种:(a)软化模量法.该方法认为地震荷载作用下土体发生软化,静剪切模量降低,从而产生不可恢复的残余变形,地震永久变形等于按降低的剪切模量所算得的静应变与地震前静应变之差.这种方法是由Lee提出来的,后来Serff等[67]又提出了初步近似估算法、线性修正模量法、非线性修正模量法.(b)等效结点力法[68].该方法认为地震荷载对变形的影响可用一组作用于单元结点上的静结点力(即等效结点力)代替,按照试验确定的动应力与残余变形关系曲线进行计算,地震永久变形即为在等效结点力作用下产生的附加变形.

目前的整体变形计算方法,大多只考虑剪切变形,考虑体积变形的较少,而实际上体积变形的影响是很大的,但过去体积变形的测试方法精度不够.因此,开展土石料振动三轴试验研究,精确测试体积变形,建立同时考虑剪切变形和体积变形的地震永久变形分析方法是迫切需要解决的一个问题.

5 土与结构接触面力学特性

混凝土防渗墙、混凝土面板是土石坝设计中的关键结构,它们与土共同作用承受荷载.土与混凝土防渗墙、混凝土面板之间接触面的变形特性及模型,对混凝土防渗体的计算应力有很大影响,接触面特性的研究,包括模型及其参数合理选用非常重要.用直剪试验配合无厚度的Goodman单元虽然可以模拟土与混凝土的错动滑移,但不能反映法向变形,所得法向应力常常会出现较大误差.国外Potyondy[69]最早采用直剪仪研究了土与混凝土接触面的力学特性,Clough等[70]建立了直剪试验的剪应力与剪切位移的非线性弹性本构关系.国内殷宗泽等[71-73]研究了细粒土与混凝土、砂与钢板等接触面力学性质,卢廷浩等[74]对薄层单元接触面模型应用问题进行了研究.近年来,张嘎等[75-76]对粗粒土与结构物接触面静力特性、循环剪切特性进行了研究,周小文等[77]进行了混凝土面板与垫层间接触面的单剪试验研究,王伟[78]基于能量耗散理论建立了接触面三参数模型.在坝体填筑和库水位升高、下降的过程中,防渗体与土(河床覆盖层)接触面的受力变形很复杂,应力路径也是变化的,接触面性质对防渗体结构受力变形和功能发挥有重要影响,甚至会直接影响到大坝的安危.

至今,防渗体与土接触面力学特性的研究较少,未弄清接触面应力变形与强度特性,还没有建立人们普遍认可的接触面本构模型.由于接触面应力路径的研究有重要学术价值和工程背景,研究成果可以推进理论发展,指导工程实践,因此,进行防渗体与土接触面应力路径单剪试验研究,很有必要,也很迫切.

6 结 论

高土石坝建设是我国当前水电建设,特别是西部优势能源开发利用的关键.即将兴建的世界一流的两河口水电站工程,需要相应的突破传统概念和方法的新的一流研究成果的科技支撑.针对上述复杂应力条件,进行土石料工程特性和变形规律的系统研究,建立相应的理论和分析方法,解决高土石坝颗粒破碎特性、土石料长期变形特性、土石料强度变形特性、土石料动力特性、接触面力学特性和防渗体渗透特性研究等难题,并开展相应的数值理论分析,保证高土石坝安全与长期稳定性,对高土石坝建设有重要的推动作用.

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