【摘要】：對于高土石壩工程,填筑體變形控制是壩體設(shè)計和施工中的關(guān)鍵因素,也是攸關(guān)大壩安全的重要問題。大量工程實踐證明,蓄水過程中壩體堆石料的浸水濕化變形和庫水位升降變動過程因荷載循環(huán)所引發(fā)累積變形是土石壩運行過程中壩體變形的重要組成部分,對工程安全具有重大影響。隨著國家水利水電開發(fā)和相關(guān)工程建設(shè)的不斷發(fā)展,近期將有一批200m～300m級壩高的高土石壩工程開工建設(shè),深入開展高土石壩變形機理的研究,具有重要的理論價值和工程實踐意義。論文在深入分析以往研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合對高土石壩工程運行期實際工作狀態(tài)和應力狀態(tài)變化過程的研究,以室內(nèi)試驗研究為基礎(chǔ),考慮了多種影響因素,結(jié)合材料變形機理分析,研究了浸水濕化和水位升降兩種條件下堆石材料的變形發(fā)展規(guī)律。研究成果為深入了解蓄水過程中壩體堆石料的浸水濕化變形和庫水位升降變動過程因荷載循環(huán)所引發(fā)的累積變形的機理提供了基礎(chǔ),同時,也提升了對高土石壩工程建設(shè)與運行過程中相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題的認識。論文的研究工作和主要成果如下:(1)針對堆石材料的濕化變形試驗,通過大量的試驗對比,研究、探討了對濕化變形試驗的穩(wěn)定控制標準。研究中將單線法濕化試驗的全過程分為三個階段,提出了考慮材料受荷流變以及設(shè)備長歷時穩(wěn)定控制對試驗的影響,并結(jié)合試驗目標和試驗效率制定適宜的變形穩(wěn)定標準的總體思路。提出了堆石料濕化試驗過程各階段采用10分鐘內(nèi)平均軸向應變率不超過0.001%/min的變形穩(wěn)定控制建議標準。(2)開展了以球應力和偏應力為試驗應力條件的堆石材料濕化試驗。通過研究認為該應力條件更能反映土石壩上游壩殼堆石材料在蓄水過程中應力狀態(tài)的變化,也更易于以此建立濕化變形理論模型。研究得出:偏應力和球應力均對材料的濕化剪應變有影響,但球應力的影響程度相對較弱可以忽略。濕化體應變隨球應力的增大呈冪函數(shù)的變化(增大)規(guī)律;對于相同的偏應力條件,濕化剪切應變隨球應力的增大而減小,對于相同的球應力條件,濕化剪切應變隨偏應力增大呈冪函數(shù)的增大規(guī)律。(3)開展了考慮多種影響因素的堆石材料濕化試驗。采用了不同母巖材料、不同初始含水量和不同制樣密度進行濕化試驗研究。研究表明:母巖強度顯著影響材料的濕化變形,對于相同應力條件,母巖強度高的材料濕化變形小;初始含水量顯著影響材料的濕化變形,對于相同應力條件,濕化變形隨著初始含水量的增大顯著降低。制樣密度會顯著影響材料的濕化變形,對于相同的應力條件,試樣密度在較低的范圍內(nèi)增加時,濕化變形量將隨密度的增加而減小,而當試樣密度過高時,制樣過程造成過多的顆粒破碎造成細顆粒含量增加,導致濕化變形有一定程度的增加。(4)以球應力和偏應力試驗研究為基礎(chǔ),將應力條件轉(zhuǎn)化為圍壓力和應力水平的組合,比較兩種應力組合條件下材料的濕化變形規(guī)律。研究表明:濕化體積應變和濕化剪切應變均與圍壓力和應力水平有關(guān)。對于相同的圍壓力,濕化體應變隨應力水平的增大呈線性增大,濕化剪切應變隨應力水平呈冪函數(shù)增大的規(guī)律;對于相同的應力水平,濕化體積應變隨圍壓力增大呈線性增大規(guī)律,濕化剪應變隨圍壓力的增大基本呈線性變化規(guī)律。此變形規(guī)律與以往的研究結(jié)論較為一致,由此可證明作者以球應力和偏應力為應力條件試驗成果規(guī)律的正確性。(5)建立了以球應力和偏應力為變量的堆石料濕化變形計算模型。模型反映了濕化剪應變隨著偏應力的增大呈冪函數(shù)增長的變化規(guī)律,同時也體現(xiàn)了球應力對濕化剪應變的影響,并反映了濕化體應變隨著球應力的增大呈冪函數(shù)增長的變化規(guī)律。模型應力條件與實際蓄水過程中的應力狀態(tài)較為符合,可較為便利地進行堆石材料濕化變形理論模型的開發(fā)和有限元計算分析。采用不同母巖材料、不同制樣干密度以及不同初始含水量條件,以及其他研究者以往試驗結(jié)果數(shù)據(jù)對所建立的濕化模型的試驗驗證,結(jié)果表明作者提出的濕化模型可以很好地反映堆石的濕化變形規(guī)律,證實了模型在多種條件下的良好適應性。(6)開展了偏應力恒定,球應力低速循環(huán)條件下的堆石材料變形特性試驗研究。試驗以初始有效球應力、初始偏應力以及球應力循環(huán)幅值為變量,得出以下基本規(guī)律:隨著有效球應力的減小,試樣體積變形表現(xiàn)為體積膨脹,隨著有效球應力的增大,試樣體積變形則表現(xiàn)為體積回縮,變化規(guī)律均可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系式較好地模擬;隨著有效球應力的減小,試樣剪切變形隨應力條件的不同而存在顯著差異,或基本不變或有較大增長,變化規(guī)律亦可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系式進行模擬。隨著有效球應力的增大,試樣剪切變形基本表現(xiàn)略有線性減小的特征;單個循環(huán)周次和多個循環(huán)周次后的體積應變向壓縮方向發(fā)展。隨著循環(huán)周次的增加,體積變形和剪切變形具有累積發(fā)展的趨勢,但累積量值均趨緩。初始應力比值和球應力循環(huán)過程的動態(tài)應力比大小是影響循環(huán)變形發(fā)展的主要影響因素,且其對剪切應變的影響尤為顯著。(7)分析球應力低速循環(huán)第1周次的剪應變變化規(guī)律,根據(jù)擬定的剪應變不同閾值,得出了材料的轉(zhuǎn)折應力比值點,提出了“狀態(tài)轉(zhuǎn)折線”的概念�！盃顟B(tài)轉(zhuǎn)折線”可作為球應力循環(huán)過程中彈性變形和塑性變形的分界線,當試樣應力狀態(tài)處于狀態(tài)轉(zhuǎn)折線之內(nèi),不論初始應力條件的大小,在球應力循環(huán)過程中,剪應變量值較小,試樣主要表現(xiàn)為彈性變形,且循環(huán)周次對剪應變的累積效應也不明顯。當試樣所受應力狀態(tài)處于破壞線和“狀態(tài)轉(zhuǎn)折線”所圍區(qū)域時,剪應變將發(fā)生突變,其變形趨勢接近指數(shù)函數(shù)規(guī)律,由此產(chǎn)生較為顯著的塑性變形,且循環(huán)周次對其累積剪應變的發(fā)展也較為明顯。
【圖文】：

隨著庫內(nèi)水位升降變化，上游壩殼堆石材料的受力狀態(tài)也將往復變化，，也將使得堆石體逡逑產(chǎn)生一定程度的變形，該部分變形可稱之為水位變動引發(fā)的變形。逡逑Ｎｏｂａｒｉ和Ｄｕｎｃａｎ［２］曾將水庫蓄水對土石壩狀態(tài)的影響分為四個方面，見圖１－１：（１）逡逑隨著蓄水位提升，心墻上游側(cè)橫向拉力增大，使壩體產(chǎn)生向下游側(cè)的變形；（２）水壓力逡逑作用在高壓縮性的上游地基上，使壩體形狀發(fā)生變化；（３）蓄水后上游壩殼內(nèi)的浮力使逡逑得上游壩殼內(nèi)的有效應力降低；（４）上游壩殼內(nèi)材料遇水濕化以及軟化變形將使材料強逡逑度指標和彈性模量降低，并最終產(chǎn)生沉降變形。逡逑堆石材料濕化變形給土石壩工程帶來嚴重影響的案例較多，比較有代表性的案例包逡逑括：委內(nèi)瑞拉的埃爾伊西羅壩［３］，壩型為土質(zhì)心墻砂礫料壩，上、下游區(qū)的壩殼材料均逡逑為含少量粘粒且級配好的礫質(zhì)砂土，最大粒徑約１０ｃｍ。蓄水后在下游壩坡發(fā)現(xiàn)了一條縱逡逑向裂縫。學者對該裂縫的形成原因進行了分析，最終認為是由于上游壩殼料初次蓄水濕逡逑化造成的局部濕陷所引起的。在其初次蓄水濕陷后

該試驗材料存在兩種巖性，對該巖石樣品制作了兩個薄片（１＃薄片和２＃薄片）分別逡逑進行分析。其中１＃薄片肉眼觀察：巖石呈黑灰色，晶屑巖屑熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，逡逑硬度高；鏡下觀察顯示該巖石具巖屑晶屑凝灰結(jié)構(gòu)（見圖２－１邋（ａ）），定向構(gòu)造；巖石由逡逑晶屑（４４％？４６％）、巖屑（１０％？１１％）、小于０．０５ｍｍ火山塵（２８％？３２％）及一些陸源逡逑碎屑（１４％？１６％）構(gòu)成。其中晶屑呈棱角狀、次棱角狀，粒徑０．０５ｍｍ？０．３０ｍｍ，由石逡逑英、鉀長石、斜長石、白云母組成。石英為碎鐮刀狀（玻屑脫玻）、次圓狀和次棱角狀；逡逑鉀長石可見泥化、碳酸鹽化；斜長石可見聚片雙晶，可見碳酸鹽化、絹云母化；白云母逡逑片狀，干涉色鮮艷，平行消光。巖肩為次棱角狀、次圓狀，主要為燧石巖屑，其次為安逡逑山質(zhì)巖屑，粒徑0．0５ｍｍ？０．６５ｍｍ。火山塵為小于０．０５ｍｍ的各種碎屑，可見碳酸鹽化，逡逑局部}y云母化。陸源碎屑為圓狀、次圓狀，由長石、石英、及少量不透明礦物和電氣石逡逑組成，粒徑０．０５ｍｍ？０．５０ｍｍ。逡逑ＭＵ逡逑（ａ）邋１＃薄片局部圖邐（ｂ）邋２＃薄片局部圖逡逑圖２－１邋１＃材料礦物分析典型圖逡逑２＃薄片肉眼觀察：巖石呈灰黑色，隱晶結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，硬度中等。鏡下觀察顯示逡逑巖石具變余凝灰質(zhì)細粉砂結(jié)構(gòu)（見圖２－１邋（ｂ））
【學位授予單位】：中國水利水電科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TV41

【參考文獻】

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本文編號：2648475