环境因素对堆石料长期变形的影响研究

张 弛 徐 婷 陈 鹏

（西京学院，陕西 西安710123）

在我国过去的70 年中，水库大坝通常以堆石料构筑的土石坝为主。堆石料在荷载不变的条件下会产生的长期变形，即堆石料流变。由于堆石料具有长期变形的特性，例如1989 年中国建成的第一座面板堆石坝- 西北口面板堆石坝，运行7 年后仍有较大的变形[1]。土耳其的Ataturk 心墙堆石坝竣工后坝顶沉降达2.5m，坝体最大沉降达7m[2]。通过实例可知，许多地区由于材料限制，恶劣的环境条件以及长期运行中各种意外因素对面板堆石坝的长期安全不利。

目前为止，面板堆石坝中堆石料的短期变形已有了较多的研究，而长期变形的研究相对较少。因此我国面板堆石坝在发展中必须要面对堆石料长期变形的挑战，将重点归纳目前环境因素对堆石料长期变形的影响研究。

1 堆石料的干湿循环

面板堆石坝在运行过程中，常要经历水位的升降变化或淋雨所引起的干湿循环。例如目前Justo & Durand[3]的研究表明，Martin Gonzalo 大坝在建成后，降雨强度对沉降速率有较大的影响，随着降雨强度增大，沉降速率加快。Alonso 等[4]分析发现Beliche 大坝的沉降与降雨强度、坝体的蓄水位相关。这些例子均表明，干湿循环与堆石料的变形尤其是长期变形都有密切的联系。

介于干湿循环对堆石料长期变形的重要影响，在清华大学的岩土工程研究改进的WYKEHAM 中型三轴试验仪上进行了三轴干湿循环试验，得出在各项等压时，较低的围压条件下，体积变形量与围压成正比，较高围压下成反比。

在施加偏应力且围压与应力水平相同的条件下，轴变量与围压的关系与各项等压条件下的类似。值得注意的是，初次轴变量占总体的变量较大，一般为75%～95%，且随应力水平的增大而增大。后期的干湿循环中变形量通常在排干过程中，同时随着循环次数的增加逐渐趋于稳定。

对于上述的实验结论，可以采用双曲线模型模拟仅由干湿循环导致体积应变和轴向应变与循环次数之间的关系。体积应变拟合曲线为

轴向应变拟合曲线为

通常变换为

式中：n 为循环次数，a1，av是轴应变和体应变与n 的关系曲线的初始斜率的倒数，b1，bv为最终轴应变和体应变的倒数。

从目前的研究发展来看，堆石料干湿循环对面板堆石坝的长期变形有着不可忽视的影响。通过试验与建立干湿循环双曲线的本构关系模型可以在一定程度上预测出干湿循环的长期影响，但由于室内试验的局限性，试样进行了等量替换的缩尺，会导致尺寸效应的发生。同时室内试验的干湿循环速度比实际工程水位升降要快得多，因此室内试验数据并不能完全反映出实际的干湿循环的影响。

而且在实际工程中，堆石料通常会产生风化作用，风化的堆石料会产生更大的变形。因此在未来的试验及数值模拟的本构建立中，应考虑尺寸效应、风化作用等的影响，以便得到更准确的数据。

2 堆石料的温度变化

近年来，我国在东北、西北、西南等地区修建了大量的面板堆石坝，这些地区通常工程环境较差，夏季冬季温度变化大或昼夜温差较大，导致堆石料经历温度循环变化，流变状态不稳定。最终引起面板堆石坝在长期使用过程中变形增大，对长期安全不利。

目前，南京水利科学研究院筑坝材料试验中心通过研制并改进大型劣化仪测得温度循环变化对堆石料的强度和变形产生的影响。堆石料强度经流变稳定后增大，且温度越高强度越大，但经温度循环后强度降低，循环次数越多强度衰减越大。堆石料的体积变形符合热胀冷缩规律，温度升高体积膨胀，温度降低体积收缩，经温度循环后体积流变量大于未经温度循环的堆石料，随循环次数增加体积流变量减小。轴向变形由于受体积变形的影响，随温度升高变形减小，反之增大，轴向流变量经温度循环，变化与体积流变量类似，且也随着循环次数增加轴向流变量减小，最终趋向稳定。

试验也指出，温度循环会导致堆石料颗粒产生劣化破碎、重新排列，整体破碎率增大，可推断出体积与轴向变形因温度循环次数增加而增大，与实验结果相悖，证明颗粒破碎对试验结果无法起到决定性影响，原因可能是经数次温度循环后劣化破碎已经完成。

但在未来的实验中，应考虑温度效应产生的影响以得到更加严谨的数据。同时，由于实验室条件受限，温度循环次数较少，而且只采用一种岩体的堆石料为实验材料不能证明实验数据的准确性，因此想要普遍的规律，还应继续通过大量实验证明。

3 冷湿- 干热耦合作用

在面板堆石坝的长期运行中，通常温度变化与干湿循环不会单独作用。因此，想要得到实际工程中堆石料长期变形受环境影响的因素，必须考虑温度变化和干湿循环耦合作用下对堆石料的共同影响。

孙国亮等[5]探讨了冷湿- 干热耦合循环作用下堆石料的变形，通过实验测得压缩应变约为0.3%，变形主要发生在干热阶段，湿冷阶段会出现一个较小的应变膨胀反弹。冷湿- 干热耦合循环作用下的压缩变形与单独干湿循环的规律类似，但变形幅度较大，20 次循环后的竖向变形从3%增加到4.8%。

由下图可见冷湿- 干热耦合、冷热循环、干湿循环3 种条件下的轴向应变，通过比较可得出冷湿- 干热耦合对堆石料的影响最大，同时也证明了冷湿- 干热耦合作用下产生的轴向应变不是冷热循环、干湿循环的实验数据简单的叠加。前期循环中冷湿- 干热耦合作用下的堆石料轴向变形主要来自于干湿循环，后期的变形主要来源由于温度变化产生附加作用导致堆石料劣化变形。

不同类型试验结果的对比Comparison of strain under different conditions

通过对试验后的试验进行筛分实验冷热循环、干湿循环和湿冷- 干热耦合循环的颗粒破碎率分别为2%、2.8%和5.6%。湿冷- 干热耦合循环导致堆石料劣化更加接近实际工程情况。但由于堆石料颗粒的劣化是一个较长的过程，即使试验采用了较易劣化的泥质粉砂岩也较难观测堆石料的劣化过程。

因此，想要得到更加接近实际工程中堆石料受环境因素影响产生的长期变化规律，除了进行长期试验外，也可以分别对其颗粒建立数值模拟，赋予不同尺寸粒径、颗粒形状等数值进行分析计算。

4 结论

环境对堆石料长期变形的影响通常表现在温度变化，干湿循环及湿冷- 干热耦合循环几个方面，通过总结研究结果可以得出无论是温度变化还是干湿循环都会导致堆石料的劣化从而对长期变形产生的影响。

湿冷- 干热耦合循环得到的结果更加接近实际工程情况，前期循环中堆石料轴向变形主要来自于干湿循环，后期的变形主要来源由于温度变化产生附加作用导致堆石料劣化变形。但总体来说，由于试验中采用的材料种类单一，颗粒尺寸较小等因素，得到的结论与实际情况相比还需进一步的推敲。