【摘要】：對(duì)于高土石壩工程,填筑體變形控制是壩體設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵因素,也是攸關(guān)大壩安全的重要問(wèn)題。大量工程實(shí)踐證明,蓄水過(guò)程中壩體堆石料的浸水濕化變形和庫(kù)水位升降變動(dòng)過(guò)程因荷載循環(huán)所引發(fā)累積變形是土石壩運(yùn)行過(guò)程中壩體變形的重要組成部分,對(duì)工程安全具有重大影響。隨著國(guó)家水利水電開(kāi)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(jí)壩高的高土石壩工程開(kāi)工建設(shè),深入開(kāi)展高土石壩變形機(jī)理的研究,具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)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(duì)高土石壩工程運(yùn)行期實(shí)際工作狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)變化過(guò)程的研究,以室內(nèi)試驗(yàn)研究為基礎(chǔ),考慮了多種影響因素,結(jié)合材料變形機(jī)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(guò)程中壩體堆石料的浸水濕化變形和庫(kù)水位升降變動(dòng)過(guò)程因荷載循環(huán)所引發(fā)的累積變形的機(jī)理提供了基礎(chǔ),同時(shí),也提升了對(duì)高土石壩工程建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。論文的研究工作和主要成果如下:(1)針對(duì)堆石材料的濕化變形試驗(yàn),通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)比,研究、探討了對(duì)濕化變形試驗(yàn)的穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)。研究中將單線法濕化試驗(yàn)的全過(guò)程分為三個(gè)階段,提出了考慮材料受荷流變以及設(shè)備長(zhǎng)歷時(shí)穩(wěn)定控制對(duì)試驗(yàn)的影響,并結(jié)合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和試驗(yàn)效率制定適宜的變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的總體思路。提出了堆石料濕化試驗(yàn)過(guò)程各階段采用10分鐘內(nèi)平均軸向應(yīng)變率不超過(guò)0.001%/min的變形穩(wěn)定控制建議標(biāo)準(zhǔn)。(2)開(kāi)展了以球應(yīng)力和偏應(yīng)力為試驗(yàn)應(yīng)力條件的堆石材料濕化試驗(yàn)。通過(guò)研究認(rèn)為該應(yīng)力條件更能反映土石壩上游壩殼堆石材料在蓄水過(guò)程中應(yīng)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(yīng)力和球應(yīng)力均對(duì)材料的濕化剪應(yīng)變有影響,但球應(yīng)力的影響程度相對(duì)較弱可以忽略。濕化體應(yīng)變隨球應(yīng)力的增大呈冪函數(shù)的變化(增大)規(guī)律;對(duì)于相同的偏應(yīng)力條件,濕化剪切應(yīng)變隨球應(yīng)力的增大而減小,對(duì)于相同的球應(yīng)力條件,濕化剪切應(yīng)變隨偏應(yīng)力增大呈冪函數(shù)的增大規(guī)律。(3)開(kāi)展了考慮多種影響因素的堆石材料濕化試驗(yàn)。采用了不同母巖材料、不同初始含水量和不同制樣密度進(jìn)行濕化試驗(yàn)研究。研究表明:母巖強(qiáng)度顯著影響材料的濕化變形,對(duì)于相同應(yīng)力條件,母巖強(qiáng)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(duì)于相同應(yīng)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(huì)顯著影響材料的濕化變形,對(duì)于相同的應(yīng)力條件,試樣密度在較低的范圍內(nèi)增加時(shí),濕化變形量將隨密度的增加而減小,而當(dāng)試樣密度過(guò)高時(shí),制樣過(guò)程造成過(guò)多的顆粒破碎造成細(xì)顆粒含量增加,導(dǎo)致濕化變形有一定程度的增加。(4)以球應(yīng)力和偏應(yīng)力試驗(yàn)研究為基礎(chǔ),將應(yīng)力條件轉(zhuǎn)化為圍壓力和應(yīng)力水平的組合,比較兩種應(yīng)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(yīng)變和濕化剪切應(yīng)變均與圍壓力和應(yīng)力水平有關(guān)。對(duì)于相同的圍壓力,濕化體應(yīng)變隨應(yīng)力水平的增大呈線性增大,濕化剪切應(yīng)變隨應(yīng)力水平呈冪函數(shù)增大的規(guī)律;對(duì)于相同的應(yīng)力水平,濕化體積應(yīng)變隨圍壓力增大呈線性增大規(guī)律,濕化剪應(yīng)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(yīng)力和偏應(yīng)力為應(yīng)力條件試驗(yàn)成果規(guī)律的正確性。(5)建立了以球應(yīng)力和偏應(yīng)力為變量的堆石料濕化變形計(jì)算模型。模型反映了濕化剪應(yīng)變隨著偏應(yīng)力的增大呈冪函數(shù)增長(zhǎng)的變化規(guī)律,同時(shí)也體現(xiàn)了球應(yīng)力對(duì)濕化剪應(yīng)變的影響,并反映了濕化體應(yīng)變隨著球應(yīng)力的增大呈冪函數(shù)增長(zhǎng)的變化規(guī)律。模型應(yīng)力條件與實(shí)際蓄水過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)較為符合,可較為便利地進(jìn)行堆石材料濕化變形理論模型的開(kāi)發(fā)和有限元計(jì)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(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)所建立的濕化模型的試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)了模型在多種條件下的良好適應(yīng)性。(6)開(kāi)展了偏應(yīng)力恒定,球應(yīng)力低速循環(huán)條件下的堆石材料變形特性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)以初始有效球應(yīng)力、初始偏應(yīng)力以及球應(yīng)力循環(huán)幅值為變量,得出以下基本規(guī)律:隨著有效球應(yīng)力的減小,試樣體積變形表現(xiàn)為體積膨脹,隨著有效球應(yīng)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(yīng)力的減小,試樣剪切變形隨應(yīng)力條件的不同而存在顯著差異,或基本不變或有較大增長(zhǎng),變化規(guī)律亦可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行模擬。隨著有效球應(yīng)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(gè)循環(huán)周次和多個(gè)循環(huán)周次后的體積應(yīng)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(shì),但累積量值均趨緩。初始應(yīng)力比值和球應(yīng)力循環(huán)過(guò)程的動(dòng)態(tài)應(yīng)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(duì)剪切應(yīng)變的影響尤為顯著。(7)分析球應(yīng)力低速循環(huán)第1周次的剪應(yīng)變變化規(guī)律,根據(jù)擬定的剪應(yīng)變不同閾值,得出了材料的轉(zhuǎn)折應(yīng)力比值點(diǎn),提出了“狀態(tài)轉(zhuǎn)折線”的概念。“狀態(tài)轉(zhuǎn)折線”可作為球應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中彈性變形和塑性變形的分界線,當(dāng)試樣應(yīng)力狀態(tài)處于狀態(tài)轉(zhuǎn)折線之內(nèi),不論初始應(yīng)力條件的大小,在球應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中,剪應(yīng)變量值較小,試樣主要表現(xiàn)為彈性變形,且循環(huán)周次對(duì)剪應(yīng)變的累積效應(yīng)也不明顯。當(dāng)試樣所受應(yīng)力狀態(tài)處于破壞線和“狀態(tài)轉(zhuǎn)折線”所圍區(qū)域時(shí),剪應(yīng)變將發(fā)生突變,其變形趨勢(shì)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(duì)其累積剪應(yīng)變的發(fā)展也較為明顯。
【圖文】：

隨著庫(kù)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(fù)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(dòng)引發(fā)的變形。逡逑Ｎｏｂａｒｉ和Ｄｕｎｃａｎ［２］曾將水庫(kù)蓄水對(duì)土石壩狀態(tài)的影響分為四個(gè)方面，見(jiàn)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(yīng)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(qiáng)逡逑度指標(biāo)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(lái)嚴(yán)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(jí)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(xué)者對(duì)該裂縫的形成原因進(jìn)行了分析，最終認(rèn)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(yàn)材料存在兩種巖性，對(duì)該巖石樣品制作了兩個(gè)薄片（１＃薄片和２＃薄片）分別逡逑進(jìn)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(jiàn)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(zhǎng)石、斜長(zhǎng)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(zhǎng)石可見(jiàn)泥化、碳酸鹽化；斜長(zhǎng)石可見(jiàn)聚片雙晶，可見(jiàn)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�；鹕綁m為小于０．０５ｍｍ的各種碎屑，可見(jiàn)碳酸鹽化，逡逑局部}y云母化。陸源碎屑為圓狀、次圓狀，由長(zhǎng)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(xì)粉砂結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖２－１邋（ｂ））
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TV41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2648475