堆石料湿化变形特性研究综述

张延亿 贾伟 樊恒辉 邓刚 陈含 张茵琪

摘 要：堆石料是一种重要的土石坝筑坝材料，其湿化变形对土石坝安全运行的影响较为显著。着重梳理总结了堆石料湿化变形特性方面已有的研究成果，指出目前湿化试验仪器主要有固结仪、三轴仪及平面应变仪;试验方法主要包括单线法和双线法;堆石料湿化变形的影响因素主要分为内因和外因;堆石料湿化变形模型主要包括理论模型和经验模型。通过对已有研究成果总结分析，认为在降雨入渗引起的堆石料湿化变形及湿化稳定标准选取等方面还需深入研究。

关键词：堆石料;湿化变形;湿化模型;影响因素

中图分类号：U411;TV641

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.024

引用格式：张延亿，贾伟，樊恒辉，等.堆石料湿化变形特性研究综述[J].人民黄河，2021，43（9）：125-128.

Review of Research on Wetting Deformation Characteristics of Rockfill Materials

ZHANG Yanyi1，2， JIA Wei3， FAN Henghui3， DENG Gang1，2， CHEN Han1，2， ZHANG Yinqi1，2

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，

China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

2.Key Laboratory of Construction and Safety of Hydraulic Engineering of Ministry of Water

Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

3.College of Water Resources and Architectural Engineering， Northwest A & F University， Yangling 712100， China）

Abstract： Rockfill materials is an important material for earth and rockfill dam and its wetting deformation has a significant impact on the dam safety of earth and rockfill dams. In this paper， the research results on the wetting deformation characteristics of rockfill materials were emphatically summarized. The wetting test equipment mainly included consolidation apparatus， triaxial apparatus and plane strain apparatus; the test methods included single-line method and double-line method; the factors affecting the wetting deformation of rockfill were mainly divided into internal and external factors. The calculation model of rockfill wetting deformation included theoretical model and empirical model. Based on the summary and analysis of existing research results， the contents deeply researched on wet deformation of rockfill materials were proposed.

Key words： rockfill materials; wetting deformation; wetting model; influencing factors

堆石料作為主要筑坝材料在土石坝工程建设中得到了广泛认可和推广，其常见筑坝坝型有面板堆石坝和心墙堆石坝。堆石料不仅易于就地取材，可充分利用坝址附近的开挖料，减少工程投资，节约资源，而且其压实后强度较高、变形较小。

水库蓄水时堆石坝上游堆石体由干变湿会产生变形。大坝填筑过程中，外部降水入渗也会使堆石填筑体产生程度不等的变形，此类变形统称为湿化变形。堆石料湿化变形指堆石料在一定应力状态下浸水后颗粒被水润滑，使骨架中颗粒滑移、破碎及重新排列而发生变形的现象[1]。大量已建工程案例表明，堆石料湿化变形对坝体安全运行将造成严重影响。如：2018年老挝桑片地区大坝溃坝事件，主要是坝料的湿化变形引起初始裂缝并最终导致溃坝;美国寇加尔心墙堆石坝[2]、墨西哥英菲尔尼罗心墙堆石坝[2]首次蓄水时上游堆石体浸水引起心墙坝上游坝壳堆石料明显湿陷沉降;北京密云水库走马庄副坝因汛期水位快速上升而造成坝面下沉且坝顶心墙区产生纵向裂缝[3]。本文从多个方面总结梳理了现有堆石料湿化变形研究成果，分析其存在的问题，提出了堆石料湿化变形研究需要深入探讨的关键方面。

1 湿化变形试验研究

1.1 湿化试验设备

早期湿化试验设备[4]主要采用单向固结压缩仪，其只能反映大主应力方向的湿化变形性质。现有堆石料湿化试验设备主要包括三轴试验仪、固结压缩仪和平面应变试验仪等。

国内多数学者[5-9]主要采用中小型三轴试验仪开展湿化变形试验研究，如中国水利水电科学研究院研制的大型三轴蠕变仪（见图1）。三轴试验仪通常可设置较为复杂的应力控制条件，试验获取的参数指标较多，但其采集控制系统较为复杂，试验结果影响因素较多。彭凯等[10]、张茵琪等[11]、姜燊燊等[12]试验研究中采用的设备为大型三轴儀。此外，也有采用大型固结仪（见图2）进行试验研究的[13-15]。固结仪通常采用液压源和电机伺服相结合的控制方式，仅量测轴向力和轴向变形，试验采集控制较为简单，试验结果更为直接可靠。

1.2 湿化试验方法

湿化变形试验方法主要分为单线法和双线法。单线法将干样加载到某一应力状态后保持其不变，从试样底部进行浸水湿化，湿化稳定后的变形与浸水前的变形之差作为湿化变形量。双线法指对试样在风干状态和饱和状态下进行应力应变三轴试验，将同一偏差应力状态下的干态和饱和态应变之差作为湿化变形量，二者试验示意见图3。

Nobari等[16]采用两种方法对砂土进行试验研究后认为可用双线法代替单线法。魏松等[17]提出了改进的双线法，通过该方法得到的轴向应变与单线法试验结果接近，体应变较单线法稍大。程展林等[18-19]对两种方法进行差异性研究指出，堆石料采用单线法进行湿化变形试验更接近实际。张小洪等[20]对比两种方法的湿化应变经验公式，得出应力水平较高时湿化应变差别不大，反之双线法经验公式计算值较大。

2 湿化变形影响因素研究

影响堆石料湿化变形的因素分为内因和外因，内因主要有母岩特性、级配、含水率、密度等，外因主要有缩尺效应、试验方法、应力水平、围压、浸水速率及变形稳定标准等。

2.1 内部影响因素

针对母岩特性对堆石料湿化变形的影响，李广信[6]对由砂岩组成的堆石料和由石英等组成的砂砾料开展湿化变形试验，认为前者湿化变形量比后者大得多。张少宏等[21]对河床沉积砂卵石（试样A）和坡积砂砾石（试样B）进行湿化变形试验，得到不同应力水平η下围压σ3与轴变εsa的关系曲线（见图4），发现试样A轴变较试样B的小。

傅旭东等[22]对不同干密度试样进行研究后认为湿化变形与其干密度有关。柏树田等[23]对软岩堆石料进行试验研究发现，应力水平相同，干密度增加，湿化变形反而降低。傅华等[24]研究指出，堆石料密度提高后湿化变形量一定程度减小。

此外，有学者[4，25-27]研究认为试样级配、含水率等对堆石料湿化变形有显著影响。

2.2 外部影响因素

曹培等[28]研究了应力水平对湿化变形的影响，绘制出湿化变形随应力水平变化的曲线，发现围压相同，湿化轴变随应力水平的提高而增大，且应力水平低于0.6时两者近似为线性关系。

彭凯等[10]进行了三轴湿化试验研究，得到各向等压条件下湿化体变与围压之间的关系可用双曲线表示，轴变与围压之间的关系可用直线表示。李鹏等[29]研究认为应力水平一定的条件下，湿化轴变和体变均与围压有关。

缩尺效应及浸水速率等对湿化变形的影响方面也有学者进行了深入研究[22，30-31]。

3 湿化变形模型研究

堆石料湿化模型主要分为经验模型和理论模型，根据湿化变形变量描述形式的不同可分为全量模型和增量模型。全量模型一般由试验结果直接推求，属经验模型;增量模型一般由弹塑性理论、非线性弹性理论等结合建立，属理论模型。

3.1 湿化变形经验模型

朱百里等[32]假设剪应变与应力水平之间为双曲线关系，体变为常数，进而提出了CW-DW湿化模型，即

εωv=CW（1）

εωs=DWSL1-SL（2）

式中：εωv为湿化体变;εωs为湿化剪应变;SL为湿化应力水平;CW、DW为待定参数。

李国英等[33]对该模型进行了改进：

εωv=CW（σ3pa）nw（3）

εωs=DWSL1-SL（4）

式中：σ3为湿化小主应力;pa为标准大气压;nw为参数。

程展林等[18]假定湿化轴变仅与湿化应力水平有关，根据试验结果得到如下湿化变形计算公式：

εωa=aebSL（5）

εωv=（cσ3+d）SL+（eσ3+f）（6）

式中：εωa为湿化轴变;a、b、c、d、e、f为参数。

张延亿等[7]以球应力和偏应力为应力条件研究堆石料湿化变形规律，得到新的湿化计算模型，即

εωs=（a+bppa）μ（c+dppa）（7）

εωv=（e+fppa）+μ（g+hppa）（8）

式中：p为球应力;μ=q/p，q为偏应力;参数a、b、c、d、e、f、g、h由湿化试验结果推求。

3.2 湿化变形理论模型

李广信[6]基于广义虎克定律提出了湿化割线模型，该模型认为湿化体变模量与湿化剪切模量可分别由等向应力状态下的湿化试验及三轴压缩湿化试验确定，即

Ks=ζεωv=K0pa（ζpa）1-ms（9）

εωv=1K0（ppa）ms（10）

3Gs=1-bτa（11）

式中：Ks为湿化体变模量;ζ为平均主应力;K0、ms为试验常数;Gs为湿化剪切模量;τ为广义剪应力;a、b为σ3的函数。

此外，将湿化应变视为土由干变湿产生的塑性应变增量，假定湿化应变向量与清华弹塑性模型屈服面存在正交性，得到了由等向应力下湿化体变确定湿化应变量的塑性模型。

迟世春等[34]以非线性弹性理论计算堆石料湿化变形，认为湿化轴变与应力水平之间更适合用双曲线表达。介玉新等[35]提出基于广义位势理论的湿化变形计算思路，将湿化对土体的影响近似为一种荷载的作用，荷载增量较小时按湿土模型的弹性状态计算，荷载增量超过一定值后按正常加载情况考虑。

4 存在问题分析

近年来，越来越多的学者对堆石料湿化变形开展了相关研究并取得了大量成果，但对堆石料湿化变形特性的认识还不全面，笔者认为以下方面的研究尚显薄弱。

（1）对降雨入渗引起的湿化变形研究较少。降雨会引起非饱和入渗，导致堆石坝發生湿化变形，现有研究主要针对饱和湿化试验，在非饱和湿化试验研究方面，李广信等[36]通过在试样中加入冰屑的方法进行增湿，开展了一定非饱和含水率的湿化试验。丁艳辉等[37]采用模拟降雨入渗的方法控制堆石体湿化饱和度，研究了堆石体非饱和入渗过程和不同饱和度情况下的湿化变形特性。刘秋生等[38]认为浸润线以上堆石体降雨浸水产生的湿化变形随降雨量的增大而增大，且堆石体完全饱和时湿化变形最大。

（2）缺乏统一的变形稳定标准。湿化变形试验作为一种特定试验，土工试验标准并没有对湿化变形稳定标准作出明确规定。魏松等[39]总结了10种湿化变形稳定标准，认为采用15 min控制平均轴变率为0.000 6%/min作为变形稳定标准既节省时间又满足一定的精度。张延亿[40]认为湿化变形稳定受多种因素影响，建议湿化变形稳定标准采用10 min内平均轴变率不超过0.001%/min。傅华等[24]、程展林等[18]以轴变率不超过0.000 056%/min作为试样变形稳定标准。

5 结 语

堆石料由于压实后强度高、变形小，因此在土石坝工程中得到了广泛应用，而堆石料遇水产生的湿化变形会对坝体安全运行造成严重影响。本文总结了大量学者在堆石料湿化变形试验设备与方法、影响堆石料湿化变形的因素及湿化变形计算模型等方面的研究成果，分析了湿化变形的机理及发展规律。鉴于堆石料湿化变形的复杂性，认为在降雨入渗引起的堆石料湿化变形及湿化稳定标准选取等方面还需深入研究。

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【责任编辑 张华岩】