孫向東 金津麗

土石料在一定應力狀態(tài)下浸水飽和，由于水的潤滑以及顆粒中礦物遇水溶解等，土石料顆粒之間會產生相互錯動、滑移甚至破碎，在重力的作用下調整到新的位置，進而產生濕化變形。在初期堆石壩建設中，主流觀點認為壩體填筑料的濕化引起的變形很小，在設計中可以忽略。但目前建成的一些堆石壩觀測結果揭示：大壩蓄水之后，雖然受水的浮力作用，但土石料卻發(fā)生豎直沉降而非上抬。

為更加精確地預測大壩的應力變形，進行土石料的濕化浸水變形研究對工程設計非常有意義。目前國內外學者已建立多種可用于進行土石壩濕化變形計算的計算模型和方法，如：由Nobari 和Duncan 提出的基于雙線法的初應變求解方法并對Oroville 土壩進行了計算；沈珠江在某一應力狀態(tài)下浸水的單線法試驗研究的基礎上提出的Cw－Dw模型等。本文利結合實際工程，用巖土專業(yè)有限元計算軟件MIDAS GTS NX，研究礫石土心墻壩在施工、蓄水過程中，考慮濕化作用對礫石土心墻堆石壩壩體和心墻的水平位移、豎直沉降、大小主應力等的影響，為土石壩設計中是否需要考慮濕化作用提供依據。

1 濕化變形計算方法

目前濕化變形的計算常采用雙線法，即分別對風干土樣和飽和土樣進行三軸剪切試驗，把相同應力條件下的干態(tài)與濕態(tài)變形的差值作為此應力條件下的濕化變形量。在土石壩有限元分析計算中，通常采用增量的分析方法：

單元在浸水前的應力狀態(tài)為{σd}，假設它是由n級應力增量逐級增加達到的，則每級應力增量為：

對于每級應力增量，采用干態(tài)的勁度矩陣［Dd］求解應變增量{Δc} ：

勁度矩陣[Dd]是與當前的應力狀態(tài)相關的干態(tài)彈性或塑性矩陣。將各級增量產生的{Δc}累加，可得浸水之前總應變{c}。

假設浸水前后應變一致，則浸水后每級應力的增量可由下式計算：

式中 [Dw]——浸水飽和狀態(tài)下的勁度矩陣。

將各級增量下的{Δσw}累加，即得浸水后的總的應力{σw}。

按假想約束的思路，可確定由濕化作用產生的“初應力”為：

然后將此假想的“初應力”約束釋放，轉化為等效結點荷載，即

式中 [B]——單元的幾何矩陣；負號表示將等效結點荷載反向作用在各結點上。

由等效結點荷載{F}作用在土體上，即可求得由于浸水濕化所引起的附加位移和附加應變。若同時施加水壓力、浮托力，便可得到考慮了水壓力、浮托力和濕化作用的結果。

2 計算參數(shù)與計算模型

某水庫工程攔河壩為當?shù)夭牧蠅?，大壩壩頂長522 m，壩頂高程1 340.50 m，防浪墻頂高程1 341.7 m，壩頂寬14.0 m，最大壩高161.5 m，心墻頂寬10 m，上、下游坡度均為1∶0.3。心墻上下游分別設置3.0 m 寬反濾層和3.0 m 寬過渡層。心墻上游側為上游堆石區(qū)，下游為下游堆石區(qū)，上下游分別設置一定區(qū)域，投放利用料。大壩上游壩坡為1∶2.1；下游壩坡為1∶1.65，下游坡面設八級上壩道路，寬10 m，下游綜合邊坡1∶2.15。在下游壩體標高1 198.00 m 以下設置水平排水區(qū)，水平排水層與下游過渡層相接，排水體末端設置排水棱體。表1 列出某水利樞紐工程礫石土心墻壩壩體穩(wěn)定計算與鄧肯張E-B 模型計算力學參數(shù)指標建議值。由于未做土石料濕化試驗，參考其他工程，濕化前各土石料的參數(shù)值Kˊ僅將鄧肯E-B模型中的參數(shù)K在此基礎上提高10%～20%，其余參數(shù)取值保持不變。

表1 土石壩壩體材料鄧肯-張模型參數(shù)取值表（含水狀態(tài)：飽和）

本工程庫壩區(qū)范圍地層巖性主要泥質粉砂巖、砂巖，巖石強度總體較低，風化層厚度普遍較大。弱風化-微新巖的巖屑石英砂巖飽和單軸抗壓強度40～60 MPa，屬中硬巖，微新粉砂巖飽和單軸抗壓強度為30～40 MPa，屬中硬巖，但軟化系數(shù)偏低，強風化-弱風化的砂巖、弱風化粉砂巖、微新泥質粉砂巖飽和單軸抗壓強度為15～30 MPa，屬較軟巖，強度和軟化系數(shù)均較低。強風化粉砂巖、強風化-弱風化泥質粉砂巖飽和單軸抗壓強度小于10 MPa，屬軟巖。表2 列出了大壩地基采用的計算力學參數(shù)建議值。

表2 地基采用的計算力學參數(shù)建議值表

本文對堆石壩填筑施工過程進行模擬，根據礫石土心墻堆石壩的施工特點，荷載采用逐級施加的方式，礫石土心墻與壩體堆石同步碾壓上升。按壩體施工填筑的先后順序分32 級來加載，其中第1 級進行地基加載求初始地應力場，同時完成混凝土防滲墻的施工；第2 級～第32 級模擬筑壩料的分級填筑；第33 級模擬蓄水至正常蓄水位，第34 級模擬蓄水后的應力平衡和濕化作用。整體有限元模型網格如圖1 所示。

3 計算結果

壩體正常運行期計算結果見表3。

為直觀看出濕化作用對壩體位移產生的影響，將考慮濕化的計算結果減去不考慮濕化的計算結果，得到的沉降差云圖如圖2 所示?？梢钥吹缴嫌问軡窕饔糜绊懨黠@，1∕3 壩高附近由于濕化引起的沉降甚至多達0.5 m 左右；下游由于蓄水后心墻的阻水作用，幾乎沒有因為濕化作用引起的沉降。

圖1 大壩整體有限元模型網格圖

表3 壩體正常運行期靜力計算結果匯總

4 結 語

在開采和碾壓施工過程中軟巖堆石料巖塊易于破碎，且軟化系數(shù)小。但對于缺少理想筑壩料源的地區(qū)來講，其儲量豐富、開采費用低，作為筑壩料利用和推廣有著廣闊的前景。不少工程已將其放在主堆石區(qū)，并有壩體全斷面采用軟巖料作為填筑料的發(fā)展趨勢。對于軟巖筑壩后蓄水濕化產生變形的問題本文在設計和計算方面有如下建議：

圖2 濕化作用引起的沉降云圖

（1）為避免填筑壩體完成后，在蓄水過程中濕化變形過大影響工程安全，建議在碾壓填筑過程中采取噴水預變形措施。

（2）在土石壩的應力變形計算中應計入濕化作用，否則在進行蓄水計算后，壩體可能由于孔隙水壓力作用導致有效應力降低，進而產生向上的位移導致壩體上浮。這顯然與實際監(jiān)測情況不符。

（3）單線法和雙線法在土石壩的濕化計算中均有一定地位，但雙線法更實用，對實驗要求也較低，適用性比單線法更強，推薦采用雙線法計算土石壩的濕化作用。

（4）軟巖筑壩應研究其流變特性，計入筑壩材料的流變效應，對筑壩蓄水后壩體的長期變形和穩(wěn)定做進一步研究。