額爾齊斯河流域輸水灌渠防滲混合料力學穩定性研究

廖志偉

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

輸水灌渠工程設計中，必須考慮渠底防滲問題，確保輸水運營過程中渠底滲流場以及水位變化處于穩定狀態，此為輸水安全的重要反映方面，為此，開展輸水工程中防滲性研究很有必要[1-3]。目前，主要采用防滲材料作為渠底防滲的一項重要措施，而輸水工程運營工況下受力變形乃是防滲材料重要研究課題。曹明偉等[4]、朱小磊等[5]、劉國華等[6]根據防滲材料主要包括混凝土或其他顆粒流類型材料，設計利用離散元仿真手段，建立顆粒流計算模型，開展相應的力學特征研究，并獲得了不同配合比參數混合料、不同試驗環境下力學穩定性變化特征，豐富了水利工程中防滲材料力學認識成果。另一方面，由于離散元仿真計算結果過于理想化，故而工程現場一些工程師利用原位試驗，包括原位抗剪、觸探等試驗，研究包括原狀土、混合料等在內的荷載變形特征，直接可作為工程設計的參考資料[7-9]。室內試驗由于精度較高，其結果可靠性較佳，且可根據工程現場試樣開展相應的室內力學試驗，包括單、三軸或其他類型力學破壞實驗，研究不同因素影響下的力學特征變化，為工程設計提供重要基礎參數[10-12]。本文根據額爾齊斯河流域輸水灌渠擬建工程U型混合料力學穩定性問題，開展纖維含量、尺寸效應影響下的力學加載破壞試驗，分析混合料力學特征受此兩因素影響變化，為灌渠建設提供設計依據。

1 試驗概況

1.1 工程背景

額爾齊斯河流域作為新疆地區重要水資源河流，引額爾齊斯河作為農田灌溉、生活供水乃是重要水利措施。由于輸水灌區經過高寒地區，其熱力耦合下不論是渠底亦或是渠道邊坡，橫向變形與沉降變形均未超過結構材料安全值，冬季冰蓋體對渠道產生的凍結損傷處于可控范疇，U型防滲混合料以及渠邊坡無顯著張拉或剪切破壞特征，整體輸水灌渠工程處于安全可靠。一方面，由于U型防滲混合料中加入有混雜纖維，包括天然纖維與人造纖維體，其摻量在不同灌渠區段有所不同，因而研究纖維含量對U型混合料力學穩定性影響很有必要；另一方面，局部輸水渠道尺寸變窄區域所適用的U型混合料尺寸差異顯著，故尺寸效應在防滲混合料中影響必須考慮。本文就此兩種因素開展混合料力學加載破壞試驗，為工程設計提供參考。

1.2 試驗介紹

為確保試驗結果可靠性，從額爾齊斯河流域輸水灌渠建設工程場地取樣，在室內根據目標配合比進行制樣，養護齡期為28 d，后經精加工、打磨后制作成巖石類圓柱體試樣，制作完畢后放置入養護箱內養護24 h[13-14]，再進行圍壓20 MPa下的損傷愈合養護，以彌補混合料制樣損傷效應。本試驗中纖維含量與尺寸效應兩個因素分別設計有對比組試驗方案，纖維含量有5%、10%、15%、20%、25%、30%，以試樣直徑為尺寸效應表征量，試樣高度統一均為150 mm，設定直徑分別有25 mm、50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm，各組試驗方案僅改變單一參量因素，具體試驗方案如表1所示。

表1 各組重塑試樣纖維含量與尺寸效應

2 結果與分析

2.1 纖維含量對混合料力學穩定性影響

2.1.1 應力應變特征

根據對纖維含量試驗組中混合料力學數據進行處理，獲得纖維含量影響下的混合料應力應變特征，如圖1所示。從圖中可知，纖維含量愈多，混合料試樣加載應力水平愈強，在試樣直徑75 mm試驗組中，應變1%時纖維含量5%試樣的加載應力為4.8 MPa，而含量15%、25%、30%試樣同應變條件下的加載應力較之前者分別增長了1.94倍、3.50倍、5.30倍，表明纖維含量有促進混合料承載應力水平作用。當增大試樣直徑為100 mm后，整體加載應力水平低于前一組試驗結果，但不同纖維含量試樣間加載應力水平差異有所縮小，應變2%下含量15%、25%、30%試樣同應變條件下的加載應力較之含量5%試樣分別增長了98.7%、2.0倍、3.2倍。分析認為，纖維成分的存在有利于改善混合料中顆粒礦物韌性及延展性較差的狀態，細纖維可以進入混合料顆粒骨架中，作為晶體間鏈接劑，使之在受荷過程中處于較穩定狀態，顆粒骨架不受大變形影響，表現在加載應力水平整體提升的現象；當試樣尺寸改變時，如試樣直徑增大，此時受荷面積提升，且試樣內部整體孔隙體積亦增多，在加荷過程中會受到骨架約束影響，纖維成分對顆粒孔隙的改善程度彼此差距不大，故纖維含量對混合料加載應力水平影響性有所減弱。

分析纖維成分對試樣變形影響可知，當纖維含量愈多時，試樣峰值應變愈低，圖1(a)組中纖維含量5%、15%、25%、30%試樣的峰值應變分別為2.2%、1.8%、1.6%、1.3%；另一方面，纖維含量愈多，試樣線彈性變形階段增長速率愈大，即線彈性模量值愈高，在直徑75 mm試驗組中纖維含量5%的線彈性模量為10.7 MPa，而含量15.0%、30.0%試樣的模量參數相比前者提高了116.5%、241.9%。圖2為混合料試樣應變特征參數變化特征，依圖可知，纖維含量愈高，則試樣的最大應變參數愈低，直徑100 mm試驗組中含量30%試樣的最大、峰值應變分別為1.50%、1.26%，而含量5%最大應變、峰值應變分別為2.63%、2.10%。當混合料中添加有纖維成分后，不僅可提升混合料承載能力，亦可約束限制混合料發生變形的能力，在工程中可作為高強度耐磨性材料使用。

圖1 纖維含量影響下的混合料應力應變特征

圖2 混合料試樣應變特征參數變化關系曲線

2.1.2 強度特征

圖3為纖維含量與混合料抗壓強度關系曲線。從圖中可看出，纖維含量與強度具有線性函數的正相關關系，試樣直徑50 mm試驗組中纖維含量5%試樣抗壓強度為22.7 MPa，而含量20%、30%試樣強度較之提升了61.1%、82.8%，在該試驗組中纖維含量增大5%，平均可提升混合料強度13.2%。當試樣直徑為100 mm后，隨纖維含量每增大5%，抗壓強度平均增幅為16.2%。由此可見，額爾齊斯河流域輸水灌渠工程中應根據不同尺寸砌塊的適用環境，選擇合適纖維含量加入，使強度表現與工程荷載相一致。

圖3 纖維含量與混合料抗壓強度關系曲線

2.2 尺寸效應對混合料力學穩定性影響

2.2.1 應力應變特征

尺寸效應對輸水灌渠U型防滲混合料砌塊的力學穩定性同樣具有重要影響，根據不同尺寸試樣力學試驗數據處理，獲得尺寸效應影響下防滲混合料試樣應力應變特征，如圖4所示。從圖中可看出，隨試樣直徑增大(徑高比增大)，混合料試樣承載應力降低，在應變1%下直徑25 mm試樣的加載應力為33 MPa，而直徑75 mm、125 mm、150 mm試樣相比前者分別降低了48.1%、64.5%、76.2%，表明徑高比參數愈高，愈可限制混合料加載應力水平。筆者認為，當徑高比愈大，則試樣加載應力方向與高度方向具有較大對沖差異，裂紋的擴展、延伸會較快，且直接對試樣承載能力帶來較大損傷，而徑高比較低試樣，裂紋的形成受加載應力方向約束作用，導致裂紋在形成過程受二次壓密影響，使之承載應力水平較高[15-16]。從不同試樣應變特征可知，試樣徑高比愈大，則線彈性變形能力愈低，直徑25 mm試樣的線彈性模量為32.554 MPa，而直徑75 mm、150 mm試樣的線彈性模量相比降低了33.0%、54.5%；不僅線彈性模量降低，且最大應變均與試樣直徑為負相關變化，直徑150 mm試樣最大應變為1.72%，而直徑50 mm、125 mm試樣的最大應變分別為2.50%、1.96%；峰值應變受尺寸效應影響較小，無顯著一致性規律變化，直徑25 mm、50 mm、75 mm、100 mm、150 mm五個試樣峰值應變分別為1.50%、1.40%、1.56%、1.50%、1.46%。

圖4 尺寸效應影響下混合料試樣應力應變特征

2.2.2 強度變化特征

同理可獲得尺寸效應影響下防滲混合料抗壓強度變化特征，如圖5所示。從圖中可知，隨直徑增大，混合料強度遞減，纖維含量10%試驗組中，直徑為100 mm、150 mm試樣的強度相比直徑25 mm下分別降低了41.4%、68.4%，從整體降幅亦可知，直徑每增加25 mm，平均可導致混合料試樣強度損耗23.3%；當纖維含量增大至20%后，強度平均降幅為14.6%，即纖維含量愈多，可縮小尺寸效應對強度損耗影響。

圖5 尺寸效應影響下混合料抗壓強度變化特征

3 結 論

本文主要獲得以下結論：

(1)纖維含量愈多，混合料加載應力水平愈強，且纖維含量與強度具有線性函數關系，直徑50 mm、100 mm下纖維含量增大5%，混合料強度平均提升幅度分別為13.2%、16.2%，根據不同尺寸砌塊搭配相應的纖維含量加入有利于工程成本與強度穩定性。

(2)試樣直徑增大，混合料試樣承載應力降低，纖維含量10%下試樣直徑每增加25 mm，平均可導致混合料強度損耗23.3%，且纖維含量增多，尺寸效應抑制強度影響性有所減弱。

(3)纖維含量愈多，試樣線彈性模量值愈高，但最大應變、峰值應變降低，直徑75 mm下纖維含量15%、30%試樣模量相比含量5%時提高了116.5%、241.9%；尺寸效應可限制混合料線彈性模量、最大應變，但峰值應變受尺寸效應影響較小。