竖向应力对堆石料降雨湿化变形影响研究

摘 要：

堆石料遇水后产生的湿化变形对堆石坝的安全运行造成一定影响，但目前对降雨作用引起的堆石料非饱和湿化变形的认识还不够充分。以某工程软岩堆石料为研究对象，开展不同竖向应力条件下的降雨湿化变形试验，分析材料湿化变形基本规律及竖向应力对材料湿化变形的影响。结果表明：不同竖向应力条件下材料湿化变形发展规律相似，其湿化应变增长经历了快速、缓慢及稳定三个阶段，各阶段湿化变形量值、发展速率及稳定时间有所差异；竖向应力对初次降雨时材料湿化变形的影响十分显著，随着竖向应力的增大，湿化应变时程曲线呈完全不同的发展趋势。同时，分析了竖向应力对多次降雨循环下材料湿化变形的影响，发现低竖向应力时材料颗粒滑移、位置重排引起了大部分湿化变形，其应变增加幅值小；竖向应力较高时，颗粒破碎等加剧了湿化变形的发展，应变大幅增加；随着竖向应力的进一步增大，颗粒破碎率降低，试样密实度提高，颗粒间咬合约束作用凸显，湿化变形增幅减小。

关键词：湿化变形;非饱和入渗;竖向应力;堆石料;

张延亿(1979—),男，高级工程师，博士，主要从事岩土工程试验研究。

*贾伟(1994—),男，硕士研究生，主要从事特殊土工程性质及岩土工程试验研究。

基金：

国家重点研发计划项目(2018YFC1508502);

中国水科院基本科研业务费项目(GE145B023021);

引用:

张延亿，贾伟，樊恒辉，等． 竖向应力对堆石料降雨湿化变形影响研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 2) : 79-86.

ZHANG Yanyi，JIA Wei，FAN Henghui，et al． Study on influence of vertical stress on rainfall wetting deformation of rockfill material［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 2) : 79-86.

0 引 言

随着我国经济发展，土石坝工程规模不断扩大，由于堆石料易于压实且压实后强度高、变形小，因此得到了工程界广泛认可。变形控制是土石坝工程建设的关键问题，而土石坝建设周期往往较长，降雨因素必然会引起材料性质的变化，最终导致堆石填筑体产生变形。外部降水引起的湿化变形称为堆石料降雨湿化变形，即浸水后堆石颗粒因水的润滑作用等使骨架中颗粒滑移、破碎甚至重新组合而发生变形的现象。

降雨入渗引起的堆石料湿化变形受堆石体质量影响较大，对软岩堆石料而言，降雨入渗的影响甚为显著。许多工程实践都已证明，堆石料降雨湿化变形对坝体安全运行造成一定影响。例如：意大利的Vajoint水库曾因长持时降雨作用及人为调控水库引起水位剧烈波动等原因，导致库岸滑坡,造成重大经济损失，成为世界上最大的滑坡事件之一。三峡库区位于四川盆地与长江中下游平原的结合部，历年降雨量较大，强降雨等因素影响水库两岸大量滑坡的稳定。天生桥一级水电站堆石坝工程变形监测资料显示，降雨季节雨水入渗引起了该坝显著的湿化变形。

堆石料湿化变形作为工程设计和施工过程的关键问题,众多学者对其进行了深入研究，综观已有研究成果，发现大多研究主要是开展材料饱和湿化变形试验,少量学者对降雨引起的土石坝非饱和湿化变形进行了研究。其中：ALONSO等研究了Beliche坝各测点监测变形与降雨强度的关系(见图1),认为大坝实测变形速率与降雨强度之间具有明显相关性，且降雨对坝体长期变形影响十分突出，特别是前期降雨引起了明显的测点沉降。张丙印等对比了天生桥一级混凝土面板堆石坝从1999年6月至2000年10月坝顶某点计算位移与实际监测位移，并考虑堆石流变特性，发现该段时间(雨季)内雨水入渗引起的湿化变形使同期坝体后期变形明显加速，1999年10月后坝顶水平变形、沉降速率与实测结果基本一致。丁艳辉等模拟降雨入渗进行湿化试验，发现降水在土石坝中引起非饱和入渗，使坝体产生明显湿化变形，并且认为材料颗粒间相互接触形成的细小孔隙保证了坝体的持水能力，形成的较大孔隙则实现了坝体内降水的流动。韩朝军等通过总结梳理众多学者的研究成果，结合国内外已建堆石坝工程实例，分析了产生坝顶裂缝的原因，发现降雨作用使堆石体浸水改变了坝体内应力应变状态。中国水科院研究团队通过对老挝某水电站大坝预沉降期变形监测及降雨量关系(见图2)对比研究，发现当坝体填筑到某一高程后，坝顶沉降随降雨量的增加而显著增加，特别是在降雨量激增后，坝顶沉降变形更为显著。

图1 典型测点变形与雨强关系曲线

图2 临时坝顶沉降与降雨量关系曲线

以往研究证实，坝体变形与降雨之间存在明显相关性，但对降雨时不同应力状态下材料湿化变形规律的分析研究鲜有述及。降雨作用引起的堆石料非饱和湿化变形不可忽视，因此，对降雨入渗非饱和湿化变形机理的研究具有重要意义，开展降雨作用引起的堆石料非饱和湿化变形问题研究十分必要。

1 试验方案

降雨引起的堆石料湿化变形问题极为复杂，其入渗规律不仅取决于降雨强度，且与非饱和渗透性有关。实际工程中，坝体填筑一般会经历整个雨季，必须考虑其变形情况，然而降雨强度受多种因素影响，各次降雨甚至同次降雨不同阶段雨强不尽相同，因此，以实测降雨强度分析入渗规律是非常困难的。

1.1 试验材料及设备

本次试验采用甘肃某水电站软岩堆石料，工程所用堆石料颗粒最大粒径800 mm, 但试验容许试样直径为300 mm, 《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)规定,试样直径需大于试验材料颗粒直径的5倍。现采用混合法对原级配材料进行缩尺，得到试验材料最大粒径为60 mm, 原材料级配和试验材料级配如表1所列。

为便于试验结果分析，本次试验控制密度采用同一相对密度所对应的干密度值。对材料进行相对密度试验时最小干密度采用固定体积法，试样筒尺寸300 mm×340 mm(直径×高度),人工将搅拌均匀的风干试验材料轻轻装入试样筒，并整平试样表面，利用填料的重量和试样的体积计算得最小干密度。最大干密度采用表面振动法，击实器静压强14 kPa, 振动频率50 Hz, 每次试验击实2次，单次振动8 min。此外，取材料样品进行岩矿鉴定测得其主要矿物成分含量等。试验材料基本物理性质及矿物成分含量如表2所列。

试验设备采用改进后的大型固结仪(见图3)。试样尺寸300 mm×240 mm(直径×高度),试样变形由4支位移传感器自动采集，精度0.01 mm, 可测得准确的变形值；竖向应力由精密力传感器测量，精度1 kPa, 测量准确度高；降雨通过改装后在试样上透水板顶盖内均匀分布的带孔管路模拟，供水装置采用具有程序控制功能的标准压力体积控制器，控制精度0.01 mL/s。

图3 大型固结仪

1.2 试验工况及方法

经过多次试验研究，结合降雨资料,本试验选取典型降雨雨型为大雨(降雨强度25 mm/h)、降雨持时10 min; 选取低应力(50～400 kPa)和高应力(800～3 200 kPa)共7种应力条件开展试验(见表3)。

将按级配称好的堆石料搅拌均匀后分3等份进行填装，每装1层，用击实器击实以达到设计密度，为了提高测量的准确性，装填完成后对试样顶面进行整平。试样安装好之后，对其预压5 kPa的轴向荷载，保证试样上方的球心面压板与试样良好接触，预压结束后对位移传感器及轴向荷载等清零，准备开始固结试验。

固结试验开始，按设定的固结程控，以5 kPa/s加载速率分级加载至相应竖向应力，位移传感器实时记录试样变形值，试样变形达到固结变形稳定控制标准后自动结束固结试验，立即进入湿化程控，并同步控制标准压力体积控制器提供降水，开始降雨湿化试验。湿化试验开始时位移传感器即记录试样湿化变形，湿化过程分为降雨阶段及雨停阶段，1次降雨过程和雨停后试样变形稳定过程合称为1个完整的降雨循环。雨停阶段试样达到湿化变形稳定控制标准后即认为该次降雨循环试样变形完成，进行下一个降雨循环,以此往复，直至降雨湿化试验完成。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

通过上述试验方案得出试验材料在不同工况下降雨湿化应变时程曲线如图4所示，由图4可知，随着竖向应力的增大，材料湿化变形稳定应变量值在逐渐增加，R1—R7工况下降雨湿化稳定应变量值分别约为0.12%、0.13%、0.16%、0.28%、1.11%、1.25%、1.70%。选取如表4所列的4种工况下部分降雨循环时材料湿化净应变值，从表4可以看出，随着降雨循环次数的增加，单次降雨时材料湿化应变量值总体趋于减小，与一般的湿化变形试验结果较为符合。

图4 不同工况下降雨湿化应变时程曲线

2.2 降雨湿化变形发展规律

图5 工况R7湿化应变时程曲线

2.2.1 快速阶段

材料湿化变形增长迅速，湿化应变占总湿化应变约91%,湿化应变时程曲线表现出明显“台阶”状，且单次降雨时材料湿化变形稳定时间长，平均约2.4 h。分析认为，前期材料较为干燥，经过降水软化及润滑作用后，材料颗粒结构发生变化，且试样表层渗透性较大，导致颗粒摩擦力及破碎强度迅速降低,材料湿化变形迅速发展并逐渐趋于稳定。但该阶段材料颗粒及试样未完全湿化，因此再次降雨湿化时，变形又快速增长，曲线形态最终表现出“台阶”状。

2.2.2 缓慢阶段

材料湿化应变增长速率减缓，该阶段湿化应变占总湿化应变约7%。分析认为，一方面，降雨对材料颗粒持续软化及润滑；另一方面，多次降雨极大地改变了试样含水状况，使其基质吸力进一步降低,导致湿化变形小幅度慢速增长。同时，该阶段后期入渗达到非饱和稳定状态，湿化应变增长减缓。

2.2.3 稳定阶段

材料湿化变形发展不明显、应变增量小，湿化应变占总湿化应变约2%。因为该阶段试样中的少量剩余非饱和区域已发展为饱和状态，原来非饱和区域颗粒重度变为饱和重度，且变形模量进一步减小，材料湿化变形基本稳定。

2.3 竖向应力对堆石料湿化变形的影响

2.3.1 竖向应力对单次降雨时材料湿化变形的影响

试验结果表明，初次降雨时材料湿化应变增长显著，故对其进行单独分析。表5总结梳理了各工况下固结及初次降雨的试验成果，其中初次降雨湿化应变占比为初次降雨引起的湿化应变与固结应变及初次降雨湿化应变总和的比值。此外，绘制了各工况初次降雨湿化应变时程曲线(见图6)。可以看出：

图6 各工况初次降雨湿化应变时程曲线

(1)如表5所列，初次降雨时材料湿化应变最大值约为0.54%,最小值约为0.02%,初次降雨引起的湿化应变占总应变的比例最大约19.32%。可以看出，除了个别工况，初次降雨湿化应变占比总体较为接近，且比值显著，因此不同应力条件下初次降雨导致的材料湿化应变不可忽视。

(2)如图6所示，初次降雨时材料湿化应变在低应力和高应力两种条件下表现出不同的发展趋势。低应力时曲线较平缓，湿化应变增长缓慢，量值较小，且湿化应变在短时间内很快趋于稳定；当应力状态较高时，降雨后湿化应变增长极为迅速，并且在后期很长一段时间内仍有明显增长趋势。由此可见，初次降雨材料湿化应变增长与竖向应力密切相关。

进一步分析竖向应力对其他单次降雨时湿化变形的影响，由于篇幅所限，仅选取各工况下典型单次降雨循环时净湿化应变值，并绘制曲线如图7所示。由图7可以看出，低竖向应力下随着降雨循环次数的增加，单次降雨净湿化应变值基本稳定在一定范围内；而高竖向应力下，曲线较“陡”,即随降雨循环次数的增加，单次降雨净湿化应变明显减小。这是因为高竖向应力下材料颗粒破碎严重，小孔隙增多，颗粒比表面积增加，材料更容易吸水，湿化变形增长迅速，前几次降雨循环就已经导致颗粒结构逐渐吸水饱和，因此中后期降雨时，湿化变形发展较慢。

图7 降雨循环次数与单次降雨净湿化应变曲线

2.3.2 竖向应力对多次降雨循环下材料湿化变形的影响

通过前文分析发现，竖向应力对堆石料湿化变形影响显著，为探究不同竖向应力条件下材料湿化变形的共同特点，现对试验得到的各工况下材料湿化应变值进行归一化处理，将其映射至0～1区间内，并绘制湿化应变时程曲线如图8所示。

图8 归一化处理后各工况湿化应变时程曲线

从图8可见，随降雨湿化时间的增加，材料湿化应变不断增大直至稳定，不同竖向应力条件下的材料湿化应变发展具有相似的变化趋势，但结合图4可以看出，湿化应变增加幅值仍存在明显差异。在低竖向应力条件下，随着竖向应力的增大，材料湿化应变随之增加，但增加幅度较小；当竖向应力继续增大时，材料湿化应变随着竖向应力的增加而迅速增大，增大的幅值明显高于低竖向应力条件下的幅值。分析认为：

(1)低竖向应力条件下，材料颗粒孔隙率相对较大，粒间接触应力较小，降水润滑导致材料颗粒摩擦系数减小，颗粒滑移引起位置重新排列，这是该条件下产生湿化变形的主要原因。

(2)当竖向应力增加至800 kPa时，颗粒棱角等部位间接触应力较大，堆石颗粒开始发生屈服破碎，导致材料湿化变形明显加快，增大的幅值提高，此时试样中较小尺寸的颗粒迅速增加，大尺寸颗粒相对减少。

(3)当竖向应力进一步增大时，材料颗粒破碎率逐渐减小，试样密实度提高，湿化变形也随之减缓。此时颗粒滑移能力受孔隙的约束程度提高，颗粒间咬合作用明显，故高竖向应力下(工况R5—R7、)的应变曲线较“紧密”。当然，颗粒局部仍有可能发生少量破碎及小幅错动，此时应变量会有一定程度增长。

上述现象与马刚等进行相关数值模拟试验的结果较为相似，即，湿化变形特征曲线明显表现为较低应力时颗粒部分破碎、快速破碎及高应力时慢速破碎3个阶段，低应力阶段多数颗粒的应力水平不满足破碎准则，湿化变形主要为颗粒弹性变形及位置重组；快速破碎阶段，材料颗粒发生屈服破碎，新增颗粒数量与轴向应力成正相关；当应力增加至一定值后，颗粒破碎率降低，湿化变形增长也逐渐放缓。

3 结 论

(1)不同竖向应力条件下材料降雨湿化变形发展趋势相似，均表现为随湿化时间增加，湿化应变不断增大并逐渐稳定，湿化过程基本可划分为快速、缓慢及稳定3个阶段，其中快速阶段材料完成了大部分湿化变形。

(2)竖向应力对单次降雨时材料的湿化变形有一定程度影响，尤其对初次降雨时材料湿化变形的影响甚为显著，且不同等级竖向应力条件下湿化应变表现出不同的发展趋势。其他各次降雨净湿化应变在低竖向应力条件下的变化幅度较小。

(3)竖向应力对多次降雨循环下材料湿化变形的影响主要表现在湿化应变增加幅值上。低竖向应力条件下材料湿化变形主要由颗粒滑移、位置重排引起，其应变增加幅度小；竖向应力较高时，材料颗粒屈服破碎等加剧了湿化变形的发展；随着竖向应力进一步增大，材料颗粒破碎减缓，且试样较为密实，颗粒咬合及约束作用明显，故湿化变形增加逐渐放缓。

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