不同強度壩基與壩體接觸面力學特性試驗研究

2023-11-22 03:52:36韓樹軍韓華強魏向誠趙署光

水力發電 2023年11期

韓樹軍，王勇，李偉，韓華強，尤恒，陳葉，魏向誠，趙署光

(1.內蒙古赤峰抽水蓄能有限公司，內蒙古赤峰 025350；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；3.南京水利科學研究院，江蘇南京 210024)

0 引言

土石壩存在多種不同材料的交界面或接觸帶，如心墻與反濾料、壩體與岸坡或基巖、混凝土(瀝青)面板與墊層料以及壩基與防滲墻等部位。由于接觸面兩側材料性質的差異，在界面兩側常存在較大的剪應力并出現位移不連續現象。已有研究表明，2種強度都較高的接觸面材料，剪切破壞面就是接觸面，而這些部位通常也是大壩易發生事故的薄弱環節[1-2]。從格里拉斯(Golillas)和里蘇(Lesu)2座混凝土面板堆石壩的運行和實測情況看，在狹窄陡峭河谷地形條件下，壩體堆石可能會沿陡峭的壩肩發生滑移，從而導致面板裂縫或止水破壞[3-4]。陳生水等[5]對“635”黏土心墻砂礫石壩進行原型觀測表明，該壩防滲體和陡岸坡接觸部位在水庫運行期發生了較大的剪切和水平位移，導致上游防滲體和岸坡出現脫空趨勢，從而可能在高水頭作用下形成滲漏通道。

當前，對于土石壩接觸面問題的研究多集中于不同材料分區之間或與岸坡、面板、基巖之間[6-7]。隨著我國水電事業尤其是抽水蓄能電站建設的飛速發展[8]，越來越多的大壩直接建在軟弱基巖甚至覆蓋層上。一般情況下，壩基軟弱基巖與新填壩體的力學特性存在較大差異，且由于接觸面2種材料之間的剛度差異較大，在荷載作用下，兩者接觸面因變形不協調會發生相對位移。為了反映兩者之間的相互作用，必須考慮其接觸特性，兩者的接觸部位也應是大壩建設中應關注的重點問題?；诖?，本文結合芝瑞抽水蓄能電站，通過軟弱基巖和較硬基巖與新建壩體之間接觸面的直剪試驗，對比研究了不同強度接觸面的力學特性。

1 工程概況

芝瑞抽水蓄能電站上水庫位于內蒙古自治區赤峰市克什克騰旗芝瑞鎮百岔河左岸山體頂部玄武巖臺地上，庫區開挖范圍內壩基巖性主要為新近系氣孔狀玄武巖和凝灰質角礫巖，厚約200 m。玄武巖具多個韻律旋回，顯示多期次的火山噴發活動，每期次火山噴發活動之間具有一定間斷[9]，表現為每期次玄武巖之間均具一定厚度的凝灰質角礫巖。巖石室內試驗結果表明，氣孔狀玄武巖飽和抗壓強度相對較高，凝灰質角礫巖飽和抗壓強度為0.3～4.8 MPa，平均值僅為1.6 MPa，各向異性不明顯。凝灰質角礫見圖1。

圖1 凝灰質角礫巖

根據上水庫庫區地形、地質條件及調節庫容要求，上水庫采用庫內開挖、環庫周圈填筑方式形成。庫盆采用全庫瀝青混凝土簡式面板防滲形式，大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩，主壩壩頂寬度10.0 m，壩軸線長1 899.0 m，最大壩高73.0 m。上游庫坡及壩坡均為1∶1.75，下游壩坡在1 550.0 m高程以上為1∶2，1 550.0 m高程以下為1∶1.5。壩體從上游到下游分區分別為墊層區、過渡區、堆石1區、堆石2區、干砌石護坡，壩體下部與壩基接觸部位采用將過渡區從上游一直延伸到大壩下游的“L”形布置方式。

2 試驗設備

試驗是研究不同材料間接觸面應力變形特性的重要途徑。Clough等[10]較早采用直剪儀開展了相關研究工作，試驗時將壓實砂樣置于直剪儀的上剪切盒，將養護完成的混凝土塊置于下剪切盒中，通過研究砂與7 d及28 d齡期的混凝土接觸面的剪切特性，初步揭示了不同材料間接觸面的力學特性。試驗結果表明，接觸面的位移與剪應力的關系仍符合Duncan所提出的雙曲線模型。然而，由于直剪試驗自身的缺點，在沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少，使得施加于剪切面的法向應力不斷增大，無疑影響了試驗結果的可靠性。因此，一些研究者對常規直剪儀進行了一定的改造，如Desai等[11]提出的雙自由度扭剪儀、Brant[12]提出的大型合成直剪儀、Jewell[13]提出的對稱直剪儀等。盧廷浩等[14]則把常規直剪儀的下剪切盒取出，直接用結構物(混凝土、磚、石等)代替，較好地解決了剪切過程中實際剪切面積不斷減小、上下剪切盒邊緣處應力集中的問題。

借鑒上述研究成果，南京水利科學研究院與南京土壤儀器廠有限公司合作研制了NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪試驗儀[15]。該設備具有試樣尺寸大、應力大、精度高、自動化程度高、操作方便等特點，適用于土石壩工程中粗顆粒土與不同材料間接觸面的力學特性試驗研究。

NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀由框架構件、上下剪切盒、導軌、法向力及剪切力施加裝置、測量控制單元等組成?？蚣軜嫾袚Q向荷載和水平荷載；計算機控制軟件實現試驗控制、數據采集等功能，可實現試驗數據的實時采集和實時繪圖等?？蚣芙Y構見圖2。

圖2 NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀框架結構

考慮到土木和水利工程的實際情況，借鑒粗顆粒土接觸面力學特性試驗研究的先進成果，為克服沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少的缺點，沿剪切方向，NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀下剪切盒長比上剪切盒長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)，使得試樣的最大允許剪切位移達到170 mm，用以保證剪切過程中剪切面積不發生改變，克服了沿接觸面剪切過程中剪切面積一直在減少而法向應力一直在增加的缺點，保證了試驗成果的可靠性。試驗設備見圖3。

圖3 NHRI-4000型高性能大型接觸面直剪儀

3 試樣制備及試驗過程

試樣時，上剪切盒充填過渡區料，模擬新填壩體。為研究新填壩體(過渡區料)和下部軟弱基巖(凝灰質角礫巖)的接觸關系，分別進行了過渡區料和凝灰質角礫巖的接觸面試驗、過渡區料和較硬基巖的接觸面試驗。芝瑞上水庫大壩基巖以氣孔狀玄武巖為主，由于符合試驗尺寸的長方體巖塊現場取樣和制備均有一定困難，所以采用和基巖單軸抗壓強度接近的混凝土試塊模擬基巖(氣孔狀玄武巖)，并在混凝土試塊表面采用人工增糙模擬現場邊坡的開挖，人工增糙面的鑿毛起伏差不大于5 mm。過渡區和凝灰質角礫巖的試驗級配曲線見圖4。從圖4可知，過渡區料級配曲線相對連續光滑，級配良好。凝灰質角礫巖細料含量相對較高，5 mm以下細料含量超過了40%，0.075 mm以下粉粒及黏粒含量接近20%。細料及粉粒黏粒均相對較高，使得凝灰質角礫巖力學性能相對較差。過渡料制樣干密度采用設計干密度值2.12 g/cm3，凝灰質角礫巖的制樣密度則采用現場檢測密度均值1.34 g/cm3。

圖4 試驗級配曲線

試樣均采用振動擊實法分層進行裝填，并根據不同的干容重控制每層試樣的振動時間。試樣裝置完成后，采用靜水頭法對試樣進行飽和。待試樣飽和后，按要求對試樣施加垂直荷載，試樣固結穩定后對試樣進行剪切。剪切過程中，控制上下剪切盒開縫值為20 mm，并同步記錄水平剪力和水平位移，直到接觸面剪應力出現峰值后結束試驗。

4 接觸面模型

在接觸面本構關系的研究中，學者們一般直接將由接觸面試驗得到的剪切曲線作為建模的基礎。Clough和Duncan[10]根據接觸面直剪試驗成果提出了雙曲線接觸面模型，該模型至今仍是最常用的接觸面本構模型。Clough和Duncan認為，接觸面剪應力τ與接觸面相對位移ws呈非線性關系，可近似表示成雙曲線形式，即

(1)

式中，a、b為反映接觸面性質的參數。通過試驗確定相應參數后，接觸面的切線剪切勁度系數kst可表示為

(2)

式中，φ、c分別為接觸面摩擦角和凝聚力；k1、n、Rf為試驗參數，均由試驗確定；pa為大氣壓力，取100 kPa；γw為水的容重，取10 kN/m3；σn、τ分別為接觸面上的法向應力和剪應力。

5 試驗結果及分析

對于過渡料與凝灰質角礫巖接觸面、過渡料與氣孔狀玄武巖接觸面，均分別開展了0.3、0.6、1.0 MPa和1.5 MPa共4級垂直應力條件下的直剪試驗，試驗過程曲線分別見圖5、6。從圖5、6可知，不同垂直壓力下接觸面的剪應力與剪位移均具有較好的變化規律，曲線具有明顯的非線性特征，曲線的初始切向勁度系數隨著剪切面法向應力的增加而逐步增加。但由于接觸面材料的差異，兩者的試驗曲線形狀差異明顯，過渡料與氣孔狀玄武巖的接觸面剪應力與剪切位移曲線有明顯的峰值出現，呈現出明顯的軟化型的變形特征，各試樣的破壞剪切位移隨剪切面的法向應力的增加而增大；過渡料與軟弱基巖(凝灰質角礫巖)的接觸面剪應力與剪切位移曲線則沒有明顯的峰值出現，呈現出典型的硬化型的變形特征。

根據上述試驗結果，整理出相應的接觸面模量參數，結果見表1。從表1可知，新建壩體與壩基軟弱基巖及較硬基巖的結果差距顯著，尤其是接觸面摩擦角φ由36.9°降低到了24.3°，降低了約34%，勁度系數由7 758降低到了2 421，降低了約69%，隨著壩基由較硬基巖轉換為軟弱基巖，新填壩體與壩基接觸面的力學特性急劇衰減。顯然，壩基軟弱基巖(凝灰質角礫巖)與較硬基巖(氣孔狀玄武巖)2種接觸材料間力學特性的差異，是造成新填壩體與上述材料間的接觸面力學特性產生顯著差異的主要原因。作為壩基與壩體的接觸部位，除基巖外，壩基為軟弱基巖，尤其是軟弱覆蓋層時，其與新填壩體間接觸面的力學特性差異顯著，相關接觸面的力學特性值得重視及進一步研究。