不同强度坝基与坝体接触面力学特性试验研究

韩树军，王 勇，李 伟，韩华强，尤 恒，陈 叶，魏向诚，赵署光

(1.内蒙古赤峰抽水蓄能有限公司，内蒙古 赤峰 025350；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024)

0 引 言

土石坝存在多种不同材料的交界面或接触带，如心墙与反滤料、坝体与岸坡或基岩、混凝土(沥青)面板与垫层料以及坝基与防渗墙等部位。由于接触面两侧材料性质的差异，在界面两侧常存在较大的剪应力并出现位移不连续现象。已有研究表明，2种强度都较高的接触面材料，剪切破坏面就是接触面，而这些部位通常也是大坝易发生事故的薄弱环节[1-2]。从格里拉斯(Golillas)和里苏(Lesu)2座混凝土面板堆石坝的运行和实测情况看，在狭窄陡峭河谷地形条件下，坝体堆石可能会沿陡峭的坝肩发生滑移，从而导致面板裂缝或止水破坏[3-4]。陈生水等[5]对“635”黏土心墙砂砾石坝进行原型观测表明，该坝防渗体和陡岸坡接触部位在水库运行期发生了较大的剪切和水平位移，导致上游防渗体和岸坡出现脱空趋势，从而可能在高水头作用下形成渗漏通道。

当前，对于土石坝接触面问题的研究多集中于不同材料分区之间或与岸坡、面板、基岩之间[6-7]。随着我国水电事业尤其是抽水蓄能电站建设的飞速发展[8]，越来越多的大坝直接建在软弱基岩甚至覆盖层上。一般情况下，坝基软弱基岩与新填坝体的力学特性存在较大差异，且由于接触面2种材料之间的刚度差异较大，在荷载作用下，两者接触面因变形不协调会发生相对位移。为了反映两者之间的相互作用，必须考虑其接触特性，两者的接触部位也应是大坝建设中应关注的重点问题。基于此，本文结合芝瑞抽水蓄能电站，通过软弱基岩和较硬基岩与新建坝体之间接触面的直剪试验，对比研究了不同强度接触面的力学特性。

1 工程概况

芝瑞抽水蓄能电站上水库位于内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗芝瑞镇百岔河左岸山体顶部玄武岩台地上，库区开挖范围内坝基岩性主要为新近系气孔状玄武岩和凝灰质角砾岩，厚约200 m。玄武岩具多个韵律旋回，显示多期次的火山喷发活动，每期次火山喷发活动之间具有一定间断[9]，表现为每期次玄武岩之间均具一定厚度的凝灰质角砾岩。岩石室内试验结果表明，气孔状玄武岩饱和抗压强度相对较高，凝灰质角砾岩饱和抗压强度为0.3～4.8 MPa，平均值仅为1.6 MPa，各向异性不明显。凝灰质角砾见图1。

图1 凝灰质角砾岩

根据上水库库区地形、地质条件及调节库容要求，上水库采用库内开挖、环库周圈填筑方式形成。库盆采用全库沥青混凝土简式面板防渗形式，大坝采用沥青混凝土面板堆石坝，主坝坝顶宽度10.0 m，坝轴线长1 899.0 m，最大坝高73.0 m。上游库坡及坝坡均为1∶1.75，下游坝坡在1 550.0 m高程以上为1∶2，1 550.0 m高程以下为1∶1.5。坝体从上游到下游分区分别为垫层区、过渡区、堆石1区、堆石2区、干砌石护坡，坝体下部与坝基接触部位采用将过渡区从上游一直延伸到大坝下游的“L”形布置方式。

2 试验设备

试验是研究不同材料间接触面应力变形特性的重要途径。Clough等[10]较早采用直剪仪开展了相关研究工作，试验时将压实砂样置于直剪仪的上剪切盒，将养护完成的混凝土块置于下剪切盒中，通过研究砂与7 d及28 d龄期的混凝土接触面的剪切特性，初步揭示了不同材料间接触面的力学特性。试验结果表明，接触面的位移与剪应力的关系仍符合Duncan所提出的双曲线模型。然而，由于直剪试验自身的缺点，在沿接触面剪切过程中剪切面积一直在减少，使得施加于剪切面的法向应力不断增大，无疑影响了试验结果的可靠性。因此，一些研究者对常规直剪仪进行了一定的改造，如Desai等[11]提出的双自由度扭剪仪、Brant[12]提出的大型合成直剪仪、Jewell[13]提出的对称直剪仪等。卢廷浩等[14]则把常规直剪仪的下剪切盒取出，直接用结构物(混凝土、砖、石等)代替，较好地解决了剪切过程中实际剪切面积不断减小、上下剪切盒边缘处应力集中的问题。

借鉴上述研究成果，南京水利科学研究院与南京土壤仪器厂有限公司合作研制了NHRI-4000型高性能大型接触面直剪试验仪[15]。该设备具有试样尺寸大、应力大、精度高、自动化程度高、操作方便等特点，适用于土石坝工程中粗颗粒土与不同材料间接触面的力学特性试验研究。

NHRI-4000型高性能大型接触面直剪仪由框架构件、上下剪切盒、导轨、法向力及剪切力施加装置、测量控制单元等组成。框架构件承担竖向荷载和水平荷载；计算机控制软件实现试验控制、数据采集等功能，可实现试验数据的实时采集和实时绘图等。框架结构见图2。

图2 NHRI-4000型高性能大型接触面直剪仪框架结构

考虑到土木和水利工程的实际情况，借鉴粗颗粒土接触面力学特性试验研究的先进成果，为克服沿接触面剪切过程中剪切面积一直在减少的缺点，沿剪切方向，NHRI-4000型高性能大型接触面直剪仪下剪切盒长比上剪切盒长170 mm(上剪切盒尺寸500 mm×500 mm×150 mm、下剪切盒尺寸500 mm×670 mm×150 mm)，使得试样的最大允许剪切位移达到170 mm，用以保证剪切过程中剪切面积不发生改变，克服了沿接触面剪切过程中剪切面积一直在减少而法向应力一直在增加的缺点，保证了试验成果的可靠性。试验设备见图3。

图3 NHRI-4000型高性能大型接触面直剪仪

3 试样制备及试验过程

试样时，上剪切盒充填过渡区料，模拟新填坝体。为研究新填坝体(过渡区料)和下部软弱基岩(凝灰质角砾岩)的接触关系，分别进行了过渡区料和凝灰质角砾岩的接触面试验、过渡区料和较硬基岩的接触面试验。芝瑞上水库大坝基岩以气孔状玄武岩为主，由于符合试验尺寸的长方体岩块现场取样和制备均有一定困难，所以采用和基岩单轴抗压强度接近的混凝土试块模拟基岩(气孔状玄武岩)，并在混凝土试块表面采用人工增糙模拟现场边坡的开挖，人工增糙面的凿毛起伏差不大于5 mm。过渡区和凝灰质角砾岩的试验级配曲线见图4。从图4可知，过渡区料级配曲线相对连续光滑，级配良好。凝灰质角砾岩细料含量相对较高，5 mm以下细料含量超过了40%，0.075 mm以下粉粒及黏粒含量接近20%。细料及粉粒黏粒均相对较高，使得凝灰质角砾岩力学性能相对较差。过渡料制样干密度采用设计干密度值2.12 g/cm3，凝灰质角砾岩的制样密度则采用现场检测密度均值1.34 g/cm3。

图4 试验级配曲线

试样均采用振动击实法分层进行装填，并根据不同的干容重控制每层试样的振动时间。试样装置完成后，采用静水头法对试样进行饱和。待试样饱和后，按要求对试样施加垂直荷载，试样固结稳定后对试样进行剪切。剪切过程中，控制上下剪切盒开缝值为20 mm，并同步记录水平剪力和水平位移，直到接触面剪应力出现峰值后结束试验。

4 接触面模型

在接触面本构关系的研究中，学者们一般直接将由接触面试验得到的剪切曲线作为建模的基础。Clough和Duncan[10]根据接触面直剪试验成果提出了双曲线接触面模型，该模型至今仍是最常用的接触面本构模型。Clough和Duncan认为，接触面剪应力τ与接触面相对位移ws呈非线性关系，可近似表示成双曲线形式，即

(1)

式中，a、b为反映接触面性质的参数。通过试验确定相应参数后，接触面的切线剪切劲度系数kst可表示为

(2)

式中，φ、c分别为接触面摩擦角和凝聚力；k1、n、Rf为试验参数，均由试验确定；pa为大气压力，取100 kPa；γw为水的容重，取10 kN/m3；σn、τ分别为接触面上的法向应力和剪应力。

5 试验结果及分析

对于过渡料与凝灰质角砾岩接触面、过渡料与气孔状玄武岩接触面，均分别开展了0.3、0.6、1.0 MPa和1.5 MPa共4级垂直应力条件下的直剪试验，试验过程曲线分别见图5、6。从图5、6可知，不同垂直压力下接触面的剪应力与剪位移均具有较好的变化规律，曲线具有明显的非线性特征，曲线的初始切向劲度系数随着剪切面法向应力的增加而逐步增加。但由于接触面材料的差异，两者的试验曲线形状差异明显，过渡料与气孔状玄武岩的接触面剪应力与剪切位移曲线有明显的峰值出现，呈现出明显的软化型的变形特征，各试样的破坏剪切位移随剪切面的法向应力的增加而增大；过渡料与软弱基岩(凝灰质角砾岩)的接触面剪应力与剪切位移曲线则没有明显的峰值出现，呈现出典型的硬化型的变形特征。

根据上述试验结果，整理出相应的接触面模量参数，结果见表1。从表1可知，新建坝体与坝基软弱基岩及较硬基岩的结果差距显著，尤其是接触面摩擦角φ由36.9°降低到了24.3°，降低了约34%，劲度系数由7 758降低到了2 421，降低了约69%，随着坝基由较硬基岩转换为软弱基岩，新填坝体与坝基接触面的力学特性急剧衰减。显然，坝基软弱基岩(凝灰质角砾岩)与较硬基岩(气孔状玄武岩)2种接触材料间力学特性的差异，是造成新填坝体与上述材料间的接触面力学特性产生显著差异的主要原因。作为坝基与坝体的接触部位，除基岩外，坝基为软弱基岩，尤其是软弱覆盖层时，其与新填坝体间接触面的力学特性差异显著，相关接触面的力学特性值得重视及进一步研究。

表1 接触面试验结果

6 结 语

本文基于NHRI-4000型高性能大型接触面直剪试验仪，通过直剪试验，对比研究了软弱基岩和较硬基岩与坝体之间接触面的力学特性，得出以下结论：

(1)沿剪切方向，采用下剪切盒长度大于上剪切盒的设计方式，NHRI-4000型高性能大型接触面直剪仪可以保证剪切过程中剪切面积不发生改变，克服了沿接触面剪切过程中剪切面积一直在减少而法向应力一直在增加的缺点，保证了试验成果的可靠性。

(2)不同垂直压力下，接触面的剪应力与剪位移曲线具有明显的非线性特征，大体仍符合Clough等提出的双曲线接触面模型。

(3)由于接触材料的差异，新填坝体与不同材料间接触面的力学特性差异显著，随着接触材料由较硬基岩到软弱基岩，接触面剪应力与剪切位移曲线由典型的软化型转变为硬化型。

(4)随着坝基由较硬基岩转换为软弱基岩，采用双曲线接触面模型整理得到的新填坝体与坝基接触面的力学指标发生急剧衰减，接触面摩擦角降低了34%，劲度系数降低了约69%。

(5)作为坝基与坝体的接触部位，坝基为软弱基岩，尤其是软弱覆盖层时，相关接触面的力学特性值得重视及进一步研究。