金峰水库沥青混凝土心墙堆石坝坝壳料流变及其湿化变形

赵跃辉

(绵阳佳成建设有限公司，四川 绵阳 621000)

科学研究及工程设计

金峰水库沥青混凝土心墙堆石坝坝壳料流变及其湿化变形

赵跃辉

(绵阳佳成建设有限公司，四川 绵阳 621000)

金峰水库挡水坝坝型为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高为88m。坝体从上游至下游分别为上游石渣料区、上游过渡料区，沥青混凝土心墙料区、下游过渡料区、下游竖向排水带、下游石渣料区及水平排水带。由于坝壳料采用全断面软岩～极软岩筑坝，软岩软化系数低，湿化和流变变形显著，如其变形过大，可能造成防渗体系变形过大，使得防渗体产生裂缝，从而影响其防渗性能及工程的安全运行。

沥青混凝土；软岩；流变；湿化

金峰水库挡水建筑物采用沥青混凝土心墙堆石坝，坝壳拟采用大坝左坝肩上游炮台嘴料场的砂泥岩混合料填筑，将新鲜砂岩料放在上游，将风化砂岩和砂岩与泥岩的混合料放在下游。炮台嘴料场砂岩属极软岩—较软岩，砂岩和泥岩互层分布。

1 工程概况

金峰水库坝址位于盐亭县金安乡西北1.50km西河支流凤鸣河上源王家沟。枢纽建筑物包括大坝、左岸导流放空洞以及充、取水建筑物。大坝顶长454.87m、宽8m，坝顶高程477.00m，最大坝高88m。水库正常蓄水位475.00m，设计洪水位475.00m，校核洪水位475.45m,总库容0.98亿m3。金峰水库是一座属于西梓干渠的中型在线囤蓄水库。

依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)的规定，将主要建筑物中大坝的等级提高一级，按2级建筑物设计，但不提高洪水标准，其余建筑物级别不变。

2 坝体分区及防渗体设计

2.1 沥青混凝土心墙防渗体

心墙防渗体位于坝体中央，心墙轴线与坝轴线重合，心墙顶部宽度为0.60m，底部宽度为1m，中间段宽度为0.80m，阶梯形布置。心墙底部采用渐变式扩大基础与C25混凝土基座相接，基座厚1.50m、宽7m，基座下部为粉砂质泥岩。

2.2 过渡带

过渡带位于沥青混凝土心墙两侧，初设阶段厚度均为2.50m(心墙底部)，过渡层的外侧垂直布置。施工图阶段：上游调整为3m，下游调整为1.50m，同时在下游过渡带增设2m宽的竖向排水带。

2.3 坝壳石渣区

坝壳石渣区位于反滤料过渡带外侧，坝壳拟采用大坝左坝肩上游炮台嘴料场的砂泥岩混合料填筑，将新鲜砂岩料放在上游，将风化砂岩和砂岩与泥岩的混合料放在下游。炮台嘴料场砂岩属极软岩—较软岩，砂岩和泥岩互层分布。

2.4 坝坡防护

上游坡面采用0.20m厚预制混凝土块护坡，中部设排水孔，在护坡底部设0.30m厚的砂砾石垫层料。为避免预制混凝土块滑动，采用现浇混凝土框格梁进行固定，框格梁间距为7m×7m。大坝下游坝坡采用混凝土框格加草皮护坡。

2.5 坝体排水

由于下游石渣坝壳料经碾压后，渗透系数很小，为了保障心墙的安全，在大坝下游侧设置水平及竖向排水带。水平排水带厚3m，竖向排水带厚2.50m，排水带采用人工掺配的砂卵石料填筑，要求渗透系数大于1×10-2cm/s。水平排水带顶高程为405.00m，与下游地面排水沟高度基本一致，水平排水带上下面均设砂砾石反滤料。

3 湿化变形试验

3.1 湿化变形机理

湿化变形，是指坝料在一定的应力状态下浸水，由于颗粒间被水润滑及颗粒矿物浸水软化等原因而使颗粒发生相互滑移、破碎和重新排列，从而发生变形，并使土体中的应力重新分布的现象。

3.2 湿化变形试验方法

按照试验方法的不同，浸水变形试验可分为“单线法”和“双线法”两种。

“单线法”是将干样先剪切到一定程度后保持不变，然后使试样浸水饱和，测定饱和过程中的体积应变和轴向应变增加量(见图1)，图中水平直线段即为浸水变形引起的应变增量。

图1 “单线法”示意

“双线法”是分别对干样和饱和样进行三轴剪切试验(见图2)，在某一应力状态下，饱和样和干样之间的应变差值即认为是浸水变形引起的应变增量。

图2 “双线法”示意

左元明、沈珠江通过对横山坝壳砂砾料进行浸水变形试验后认为，“单线法”测定浸水后的轴向应变和体应变增量与“双线法”干、饱和两条曲线的差值是不同的。“单线法”测定的轴向应变增量较“双线法”大，后者通常仅为前者的20%～77%；“单线法”测定的体积应变增量较“双线法”小，前者通常仅为后者的54%～100%。

鉴于“单线法”和“双线法”测定量值差别较大，加之“双线法”的试验应力路径和现场的湿化路径不相符，本文研究采用“单线法”进行浸水变形试验。

3.3 试验成果

3.3.1 试验级配

设计方提供的坝壳料设计级配平均线见表1和图3。

表1 初拟试验级配和试样直径

图3 设计平均级配和初拟试验级配

根据设计平均级配，初拟采用大三轴进行试验，其试样尺寸为30cm×70cm，最大粒径限制为6cm。为此，需要对原级配进行缩制。把原级配缩制成试验级配最常用方法的有相似级配法和等量替代法。相似级配法保持了级配关系(不均匀系数不变)，细颗粒含量变大，但不应影响原级配的力学性质，一般来讲，小于5mm颗粒含量不大于15%～30%；等量替代法具有保持粗颗粒的骨架作用及粗料的级配连续性和近似性等特点，适用超粒径含量小于40%的堆石料。

根据上述方法，坝料的级配缩制方法(缩制后的试验级配见表1和图3)简介如下。

新鲜砂岩：设计最大粒径为500mm，超粒径含量为58.70%，粒径小于5mm的含量为15%，首先采用相似级配法(n=2)，然后采用等量替代法进行缩制。

砂岩泥岩混合料：设计最大粒径为500mm，超粒径含量为47.70%，粒径小于5mm的含量为20%，首先采用相似级配法(n=2)，然后采用等量替代法进行缩制。

由于现场不具备坝料粉碎和筛分条件，运至试验室的试验材料均为大块岩石，由于砂岩和砂岩泥岩混合料均属极软岩—较软岩，在坝料粉碎和制样过程中，最大粒径一般均小于2cm(见图4)，故试样直径改为101mm，由此缩制后的级配见表2和图3，试验设备见图5。

表2 试验级配(最大粒径2cm)

图4 运至试验室的坝壳料和制样后的坝壳料

图5 流变和湿化变形试验采用的中三轴仪

3.3.2 试验干密度

设计方提供的坝壳料设计干密度见表3。在试样制备过程中发现，对新鲜砂岩，按该密度制备的试样较为疏松，而对于砂岩泥岩混合料，制备样的干密度又达不到设计干密度，室内所能达到的最大干密度见表3。

表3 设计干密度和室内试样最大干密度

本文研究针对新鲜砂岩和砂泥岩混合料分别开展流变和湿化试验，流变试样采用的是饱和样，制样过程中可以加水；而湿化试验采用的是干样，制样过程中不能加水。因此，湿化变形试验制备样的干密度较之流变试样要小。最后采用的制样干密度及其对应的含水量见表4。

表4 制样干密度及对应的含水量

4 流变变形试验

4.1 流变变形机理

黏性土和粗集料的粒径、接触形式和颗粒组成不同。其根本原因是土壤的土在主固结完成后，仍有较小的孔隙水压力，通过粒子间的水流驱动，水的流速很小，超孔隙水压力小，无法衡量，因此容积率变化率和从毛孔流出土壤孔隙水，与土壤的厚度无关。因此，土壤蠕变速率可由室内土壤样品的测试估计。与粗粒土的自由排水相比，它没有固结现象。它通常被称为变形的变化，随着时间的推移，产生负载被称为流变学，即粗颗粒料的流变是荷载作用上去后就发生的。

在荷载作用下粗粒料的破碎对流变过程的影响很大，在流变的初期阶段这种影响尤其明显，尽管这种影响是很难通过微观分析进行定量研究，但并不妨碍在宏观上控制粗骨料流动。粗集料的流变可以体现在宏观层面：高接触力和循环过程中破碎颗粒重新排列-应力释放、调整和转移，在重复增量下体积变化逐渐降低，最后趋于相对静止，其总的趋势是非常明显的，因此这个过程需要很长的时间完成，直到不再破碎；在这个过程中，粗集料应力基本上在颗粒重排过程中，慢慢靠近高密度、低孔隙率，因此这个阶段的变形量较小而且比较平稳，所需时间较长。

粗晶材料流变试验，因为样本大小和材料最大尺寸限制，高接触应力循环力破碎颗粒重新排列-应力释放、快结束的调整和转移，并为纯颗粒重新排列的过程，也因为样本量有限，这种对变形过程纯颗粒排列造成的难以衡量。因此，试验室中粗集料的流变特性具有快速稳定的变形特征。

4.2 流变变形稳定标准

流变稳定标准为：相邻两次(24h)读数差/总流变量≤5%。

4.3 流变试验结果

体积流变εvf与围压的关系见图6，剪切流变γf与应力水平的关系见图7。表5给出了2种材料流变变形的最终轴向流变量εaf、体积流变量εvf及剪切流变量γf。

5 结 语

坝料湿化变形和流变除与其本身的物理力学特性有关外，还与应力状态密切相关。湿化与流变引起的广义剪应变主要与应力水平有关，与围压的关系相对较小。流变引起的体积应变与围压和应力水平都有关，

图6 砂岩泥岩混合料流变体积应变与湿化剪切应变

图7 新鲜砂岩流变体积应变与湿化剪切应变

表5 流变变形试验结果

湿化引起的体积应变则主要与围压有关，这主要是由于坝料湿化引起的收缩变形较大从而削弱了其剪胀性。

坝壳料体积流变较小，流变变形主要表现为剪切流变。由于在试样制备过程中已经发生了显著的颗粒破碎，在试样剪切过程中颗粒破碎相对较小，故整体上坝壳料流变变形较小。

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Dam Shell Material Rheology and Wetting Deformation in Asphalt Concrete Core-Wall Rockfill Dam of Jinfeng Reservoir

ZHAO Yuehui

(MianyangJiachengConstructionCo.,Ltd.,Mianyang621000,China)

Jinfeng Reservoir retaining dam type belongs to an asphalt concrete core-wall rockfill dam. The maximum dam height is 88m. The dam is divided into an upstream ballast material zone, upstream transition material zone, asphalt concrete core-wall material zone, downstream transition material zone, downstream vertical drainage belt, downstream ballast material zone and horizontal drainage belt respectively from upstream area to downstream area. Since whole-section soft rock ～ very soft rock is adopted as the dam shell material, soft rock softening coefficient is low, wetting and rheological deformation are significant, if the deformation is too big, it maybe possibly causing too large deformation of the impervious system. Cracks are produced in the impervious system, thereby affecting the anti-seepage performance and safe operation of the project.

asphalt concrete; soft rock; rheology; wetting

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.011

TV641.4+1

A

1673-8241(2017)06- 0044- 06