高聚物胶凝堆石料技术及其抗震性能

刘汉龙，费 康，杨 贵，刘 平（.河海大学土木与交通学院，江苏南京 20098；2.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；3.扬州大学岩土工程研究所，江苏扬州 22527）



高聚物胶凝堆石料技术及其抗震性能

刘汉龙1，2，费 康1，3，杨 贵1，刘 平1
（1.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098；2.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；
3.扬州大学岩土工程研究所，江苏扬州 225127）

摘要：为提高坝体堆石料的整体性及强度、改善土石坝的抗震性能，在分析高土石坝地震危害和抗震措施的基础上，提出加固坝顶和坝坡浅层等局部位置的高聚物胶凝堆石料技术，通过静、动三轴试验分析高聚物对堆石料的改性作用。试验结果表明，掺加高聚物之后材料的黏聚力大幅增加，动弹性模量略有提高，残余变形明显减小，显现良好的抗震性能。某典型高土石坝的数值计算分析结果表明，采用高聚物胶凝堆石料技术进行加固后，坝坡地震过程中的最小抗滑安全系数增加约10%，大坝的抗震稳定性得到提高。

关键词：高聚物胶凝堆石料；土石坝；抗震性能；抗剪强度；动弹性模量；残余变形

土石坝结构简单、选材容易、对地形和地质条件的适应性好，是目前世界各国高坝建设所采用的主流坝型[1]。我国目前已建、在建及拟建的150 m以上的大坝大多采用土石坝坝型[2]，如糯扎渡、双江口和两河口大坝等。这些高土石坝大多处于我国西部地震活动性强的地区，若大坝抗震能力不足，工程失事后将造成极大的生命财产损失和生态环境破坏，因此加强高土石坝的抗震性能研究十分必要。

高聚物是指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量化合物。近年来，以聚氨酯为代表的非水反应类高聚物在水利、土木、交通等工程领域的防渗加固和地基处理工程中得到了越来越多的应用[3-4]。由于高聚物具有良好的材料特性，若将其作为胶凝材料对土石坝坝顶区堆石体进行改性，可以提高坝体堆石料的整体性和强度，改善变形条件，从而达到提高土石坝抗震性能的目的。本文在总结土石坝地震危害和抗震措施的基础上，对采用高聚物胶凝堆石料改善大坝抗震性能的技术原理、加固效果等进行研究。

1 土石坝地震危害和抗震措施

1. 1 土石坝地震危害

从目前已有的大量实测资料来看，土石坝的地震危害类型主要有滑坡失稳、震陷、坝基或筑坝料液化。下面主要针对前两种破坏进行概述。

a.滑坡失稳。现有的研究表明，土石坝的抗震性能较好。但由于鞭梢效应高土石坝坝顶附近的地震响应比坝体底部大得多，在地震作用下，坝顶区堆石体松动、滚落，甚至坝坡出现浅层滑动破坏[5-6]。紫坪铺混凝土面板堆石坝在汶川地震中坝顶出现堆石松动，河床坝段在约845 m高程位置处砌石护坡局部松动且向坝坡外移动[7]。数值计算和振动台试验也表明地震中坝体安全与坝顶区堆石体的稳定关系密切[8]，大坝遭遇强震而发生破坏时，破坏将首先从大坝顶部开始，破坏面位置一般在坝顶及上、下游两侧坝面浅层。

b.震陷。堆石等筑坝料在循环荷载作用下将产生塑性体积应变和塑性剪切应变，宏观表现为坝顶震陷和水平永久变形[9]。若震陷过大，大坝存在库水漫顶的危险，水平变形过大往往意味着滑坡破坏，此外，永久变形会使坝体产生纵、横向裂缝从而破坏坝体刚性建筑物之间的连接，增加渗漏破坏和滑坡的风险。如汶川地震中，紫坪铺面板堆石坝的主要地震危害是永久变形过大，坝顶出现明显震陷，震后坝顶竖向残余变形为744. 3 cm，占坝高的0. 47%，随后在余震作用下震陷又有所增加。大坝的残余变形造成面板与坝体脱开，面板出现了挤压破坏。根据实测数据，坝体上部产生的残余沉降占整个变形的大部分，高程820～850 m之间的压缩沉降是高程760～790m之间变形的6倍左右[10]。因此，坝顶以下的浅层区域应是土石坝抗震设计的关键部位。

1. 2 土石坝抗震措施分析

针对土石坝滑坡失稳和震陷，学者们提出了一系列的抗震措施[11-12]，主要可分为以下几类：

a.构造措施。包括增加坝顶宽度，增设马道，放缓坝坡，适当增加坝顶超高，在坝顶区选用抗剪强度较高的材料，提高压实控制标准等。增加坝顶宽度、增设马道、放缓坝坡和坝顶选用强度较高的材料主要是为了避免坝顶附近出现滑坡的可能。增加坝顶超高是为了防止大坝震陷过大。提高压实控制标准可增大材料的密实度，减小振动过程中出现的孔隙水压力，提高抗剪强度，并且筑坝料压实后残余应变势也会降低，从而减小残余变形和裂缝。

b.压重护坡措施。为了防止坝体出现滑坡失稳，可在上、下游坝脚采用大块石压重，设置压重平台。上、下游坡面也可设置干砌石及大石块加重护坡，防止坝面堆石体被震落而危及大坝安全。我国的瀑布沟、长河坝、小浪底大坝都在上、下游坡面设置了大块石护坡。

c.加筋措施。加筋措施是指在坝顶以下局部范围（通常是1/5～1/4坝高）内采用现浇混凝土框格梁、土工格栅加筋等方法，通过加筋材料和坝体材料的相互作用提高坝体堆石材料的整体性和稳定性。研究表明，这类方法可提高地震过程中坝体的稳定性，防止堆石体在振动过程中的松动、滑移以及滑动，尤其是联合采用加筋与钉结技术可有效防止坝坡的表层和深层滑动[8]。同时，若采用钉结护面板，坝坡的稳定性将高于一般堆石坝，因此可降低对坝坡坡度和坝顶宽度的额外要求，从而节省土石方量。目前加筋措施已在冶勒、糯扎渡等土石坝工程中得到了成功应用。

2 高聚物胶凝堆石料技术原理

根据对土石坝地震危害和抗震措施的分析可以发现，坝顶区是土石坝抗震的关键部位，强震过程中若坝顶区堆石体松动、咬合力丧失，将在上、下游坝坡顶部发生浅层滑动。基于这一认识，若能对坝顶局部的堆石料进行改性，使其具备更大的黏聚力，将起到较好的抗震效果。曾有学者尝试以水泥作为胶凝材料，加入适量水后与堆石拌和，得到类似素混凝土或结石材料[13]。国外也有类似的技术，将河床砂砾以及开挖弃渣加入水泥、粉煤灰胶凝材料和水进行简易拌和而成胶凝砂砾石[14-15]。掺加水泥后，堆石体的强度提高明显，静力条件下不易破坏；但其刚度也有较明显的增加，将会进一步放大坝顶的地震反应，而且材料硬化后变脆，抵抗变形的能力下降，不利于高坝的抗震。若能采用柔韧性、抗裂性能较好的胶凝材料，使得堆石料改性后强度提高明显，刚度变化不大，则可望明显改善大坝的抗震性能。

高聚物是一种较好的胶凝材料，研究表明固化后的高聚物具有以下特点：①密度处于150～300 kg/ m3之间，是一种轻质材料；②力学性能优良，强度随固化密度的增大而提高，常用注浆密度范围内的抗压强度约为4～10 MPa，抗拉强度可达2～4 MPa，具有很好的柔韧性，适应变形的能力远强于水泥；③防水抗渗性能较好，渗透系数约为10-8m/ s；④环保耐久，为非水敏感性材料，长期不干缩、不变质，对环境无污染，在表面刷涂料、乳胶漆等涂层保护，可有效防止材料老化，使用寿命超过50 a，具有耐稀酸、耐稀碱、耐油等优点。

由于高聚物具有以上良好的材料特性，可将其作为胶凝材料对堆石体进行改性，即在坝体填筑完成后，通过高压注浆系统和注浆导管将双组份高聚物材料注入坝顶及坝坡以下的局部范围，材料发生化学反应后浆体材料体积膨胀并形成泡沫状固体，从而在相应部分形成高聚物胶凝堆石区，通过高聚物填充孔隙、胶结堆石粗颗粒的作用达到增强材料整体性、提高强度、改善变形性能，以及提高大坝强抗震能力的目的。

3 高聚物胶凝堆石料力学性能

3. 1 静力性能

为研究高聚物对材料静力性能的影响，采用中三轴仪（试样尺寸100 mm×200 mm）进行堆石料和高聚物胶凝堆石料试样固结排水剪切试验。试验所采用堆石的平均粒径d50为5 mm，不均匀系数Cu为21. 9，曲率系数Cc为2. 53，高聚物质量比（高聚物与堆石料质量之比）Rp为4%。

图1给出了不同围压σc下堆石料和高聚物胶凝堆石料的偏应力轴向应变关系曲线。试验结果表明，掺加高聚物后，从剪切初始到结束高聚物胶凝堆石料的偏应力轴向应变曲线均高于相同围压下堆石料的偏应力轴向应变曲线，其原因在于高聚物胶凝材料填充了堆石料孔隙并将堆石料颗粒黏结在一起，增大了颗粒重排列的阻力，减少了颗粒破碎的发生几率，约束了堆石料的变形，因而使堆石料抗剪性能提高。另一方面，高聚物胶凝堆石料偏应力的峰值大于相同围压条件下堆石料偏应力的峰值，高聚物胶凝材料对提高堆石料的抗剪性能是有利的[16]。

图1高聚物胶凝堆石料静力偏应力轴向应变关系曲线

高聚物胶凝堆石料和堆石料的非线性强度包线见图2。试验结果表明，与堆石料相似，高聚物胶凝堆石料的强度仍可按Mohr-Columb强度准则确定。高聚物胶凝材料加固前后的堆石料强度包线基本平行，表明高聚物能有效提高材料的黏聚力，对摩擦角无明显影响。根据表1中的线性强度准则拟合结果，掺加高聚物后材料的黏聚力增大为原来的7. 5倍。若考虑堆石料的摩擦角随围压的变化，则可采用Duncan等[17]建议的非线性强度准则对强度包线进行拟合，相关结果也列于表1中，表中c为黏聚力，φ为内摩擦角，φ0为试验围压为1个大气压时的内摩擦角，Δφ为内摩擦角增量。非线性强度准则的拟合结果同样表明，高聚物的加入大幅度提高了堆石料的黏聚力，本次试验中提高了103 kPa，内摩擦角随高聚物的加入略有提高，但提高幅度不大。

图2 高聚物胶凝堆石料非线性强度包线

表1 高聚物胶凝堆石料静力强度指标

3. 2 动力性能

图3 高聚物胶凝堆石料动弹性模量试验结果

图3（a）是围压σc＝300 kPa、固结比Kc＝1. 5条件下中等动三轴试验得到的高聚物胶凝堆石料骨干曲线。由图3可知，掺加高聚物后（Rp＝4%），材料的骨干曲线要高于未掺加高聚物的情况，但两者的形状是类似的，均可使用双曲线拟合，Hardin模型等常用的本构关系仍然适用。

图3（b）给出了高聚物胶凝材料加固前、后堆石料的动弹性模量衰减曲线和阻尼比变化曲线，结果表明掺加高聚物后，堆石料的动弹性模量有所提高，阻尼比有所下降。但弹性模量变化的幅度要明显小于强度的变化。根据试验结果，掺加高聚物后材料的最大动弹性模量约提高了20%；当剪应变较大时，高聚物对材料动弹性模量的影响已很小。这表明高聚物胶凝堆石料在显著提高材料强度（黏聚力）的同时，仍然保持了较好的适应变形的能力。

图4（a）和（b）分别是围压σc＝300 kPa、固结比Kc＝1. 5时不同动应力水平下残余剪切应变和残余体积应变随振次的变化关系。试验结果表明，由于堆石料粗颗粒之间的高聚物起到了胶凝作用，减小了颗粒与颗粒之间的滑移变形，残余剪切应变大幅度减小，约为堆石料的5%。同样，残余体积应变也有较大幅度的减小，高聚物胶凝堆石料动应力为40%围压、加载30循环周次的残余体积应变约为0. 09%，而堆石料的残余体积应变则为0. 51%。随着动应力水平Rd的增加，高聚物胶凝堆石料的残余应变有所增加，但增加的幅度小于堆石的增幅。综上可知，采用高聚物胶凝堆石料可以显著减小地震作用下坝体的永久变形。

图4 高聚物胶凝堆石料残余变形特性

4 高聚物胶凝堆石料抗震技术效果分析

4. 1 工程概况

某典型心墙堆石坝坝体分区如图5所示，坝高291 m，正常蓄水位281 m，上、下游边坡均为1：2。建议在坝顶区1/5坝高范围内进行高聚物注浆，高聚物质量比为4%。采用二维动力有限元法分析高聚物胶凝堆石对大坝抗震性能的影响[18-19]。静力计算采用E-B模型，动力计算采用等效线性模型进行计算，模型参数如表2和表3所示。表中K为模量系数；n为动模量指数；Rf为破坏应力比；ρ为密度；k1，k2为动模量系数。基岩水平输入加速度峰值为0. 29 g，竖直方向加速度取水平方向的2/3，加速度时程曲线和反应谱如图6所示，其中地震波A为某工程的场地波，地震波B为EI-Centro波。动剪切模量和阻尼比随剪应变的关系按沈珠江模型确定，分别如式（1）、式（2）所示：其中式中：G为动剪切模量；γd为动剪应变；Pa为大气压；σ为平均应力。

式中：λ为阻尼比；λmax为最大阻尼比；-γd为归一化动剪应变。

图5 土石坝坝体分区示意图

表2 静力计算参数

图6 地震波加速度时程曲线和反应谱

高土石坝永久变形计算采用沈珠江残余变形模型[20]，计算参数见表4，残余体积应变εvr和残余剪应变γr的增量形式如下所示：式中：c1、c2、c3、c4、c5为永久变形计算试验拟合参数；Sl为应力水平；N为加载周数。

表4 永久变形计算参数

4. 2 结果分析

a.加速度分布。图7为地震波A作用下水平向加速度分布示意图，不同地震波工况下的地震反应规律基本一致，动力响应及稳定性计算结果见表5。从图7和表5可以看出，高聚物加固前后坝体加速度分布规律基本一致，即加速度反应随着高程的增大而增大，在坝顶达到最大值。高聚物胶凝堆石区的加速度响应小于加固前的情况，特别是在坝顶部位降低相对较为明显，最大值由原来的5. 4m/ s2降低为5. 0 m/ s2，降低了约8%。这主要是由于坝顶堆石体注浆后动剪切模量增大，在地震荷载作用下堆石体抵抗变形的能力增强，加速度响应有所降低。

图7 土石坝水平向加速度分布（单位：m/ s2）

表5 坝体动力响应及稳定性计算结果

b.永久变形分析。图8为地震波A作用下土石坝永久变形分布示意图，不同地震波工况下的地震反应规律基本一致，竖向永久变形最大值见表5。从图8可以看出，高聚物加固前后坝体竖向永久变形分布规律基本一致，加固后坝体整体永久变形有所降低，随着高程增大加固前后永久变形差异逐渐增大，向下游的顺河向永久变形最大值位于下游堆石顶部，分别为0. 89m和0. 85 m；竖向永久变形最大值均位于下游堆石体顶部，分别为1. 20 m和1. 15 m，最大值降低约4. 2%。加固前后永久变形差异不大，这主要是由于加固区范围较小。

图8 土石坝竖向永久变形分布（单位：m）

c.坝坡稳定性分析。图9给出了地震波A作用下大坝加固前后地震过程中的危险滑弧位置及对应的最小安全系数Fs，不同地震波工况下的地震反应规律基本一致，最小安全系数见表5。从图9可以看出，由于加固后坝顶附近的动力响应有所下降，而高聚物胶凝堆石的黏聚力远高于纯堆石，加固后稳定安全系数由原来的1. 94增加到2. 13，提高了约10%，且最危险滑弧深度和范围明显增加，减小了坝面发生浅层破坏的可能，如果进一步提高高聚物含量，或在坝坡浅层也采用高聚物胶凝材料，大坝的抗震稳定性还将进一步提高。

图9 加固前后土石坝危险滑弧位置

5 结 论

a.坝顶及坝坡浅层是土石坝抗震设计中的关键部位，提高这些区域材料的整体性是提高大坝抗震能力的重要措施。

b.高聚物具有良好的材料性能，可将其作为胶凝材料对堆石料进行改性。改性后的堆石料的强度特性仍符合Mohr-Columb强度准则，掺加高聚物后，堆石料的黏聚力明显增加，摩擦角变化很小。

c.加入高聚物后，堆石料的动弹性模量增加，阻尼比减小。高聚物对动弹性模量的影响在动应变水平较低时相对显著，两者之间的差异约为20%；当动应变较大时，高聚物对材料动弹性模量的影响已很小。

d.高聚物的胶凝作用减小了颗粒与颗粒之间的滑移变形，动荷载作用之下的残余应变大幅度减小，残余应变随加载循环周次、动应力水平增加的幅度也小于纯堆石料的情况。

e.某典型高土石坝的数值计算结果表明，在坝顶局部区域采用高聚物胶凝堆石料后，坝顶的峰值加速度下降了8%，坝坡浅层的抗滑安全系数增加了10%，坝体竖向永久变形有所降低，最大值降低约4. 2%。

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Use of polyurethane foam adhesive-reinforced rockfill material to improve seismic behavior of earth-rockfill dam/ /

LIU Hanlong1，2，FEI Kang1，3，YANG Gui1，LIU Ping1（1. College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China；3. Institute of Geotechnical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China）

Abstract：In order to improve the integrity and strength of rockfill material as well as the seismic stability of earth-rockfill dams，a new technique of using polyurethane foam adhesive（PFA）-reinforced rockfill material to reinforce the shallow zone beneath the dam crest and slope，based on analysis of seismic disasters and aseismic measures of high earth-rockfill dams，is presented. The effects of PFA on the mechanical behavior of rockfill material were studied through static and dynamic triaxial tests. The test results show that PFA significantly increases the cohesion of rockfill material，slightly increases the dynamic elastic modulus of rockfill material，and significantly reduces the residual strain of rockfill material. The PFA-reinforced rockfill material show good seismic behavior. The numerical results regarding a high earth-rockfill dam show that，after use of the proposed technique，the minimum safety factor against sliding during an earthquake is increased by 10%，indicating that the seismic stability of the dam is improved.

Key words：PFA-reinforced rockfill materials；earth-rockfill dam；seismic behavior；shear strength；dynamic elastic modulus；residual strain

收稿日期：（2014 10 29 编辑：骆超）

作者简介：刘汉龙（1964—），男，教授，博士，主要从事堤坝工程与桩基工程等研究。E-mail：hliuhhu@163. com

基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助（IRT1125）；江苏省自然科学基金（BK20141279）；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金（2012491111）

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0060 06