徐澤平

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究概述

采用分層填筑、薄層振動(dòng)碾壓的堆石（或砂礫石）作為大壩主體的現(xiàn)代混凝土面板堆石壩已有40多年的歷史。在當(dāng)代壩工建設(shè)實(shí)踐中，混凝土面板堆石壩以其優(yōu)越的安全性、經(jīng)濟(jì)性，以及對(duì)復(fù)雜地形、地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性為特征，在壩型比選中表現(xiàn)出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用和迅速的發(fā)展，目前全世界已建的混凝土面板堆石壩數(shù)量已接近400座?，F(xiàn)代混凝土面板堆石壩的建設(shè)始于澳大利亞的Cethana面板堆石壩，Cethana面板堆石壩設(shè)計(jì)和施工中所建立的標(biāo)準(zhǔn)和方法對(duì)其后的混凝土面板堆石壩發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際上相繼開(kāi)工建設(shè)了一批壩高200 m級(jí)的高混凝土面板堆石壩，并應(yīng)用了一些新的技術(shù)手段，取得了較為豐富的成果。但部分已建200 m級(jí)高壩工程在運(yùn)行中也出現(xiàn)了面板擠壓破壞、面板裂縫和大量滲漏等問(wèn)題，這些問(wèn)題集中反映了高混凝土面板堆石壩的新特征，引起了國(guó)際壩工界的普遍重視，同時(shí)也對(duì)中國(guó)高混凝土面板堆石壩技術(shù)發(fā)展起到了借鑒和促進(jìn)作用。限于篇幅，本篇論文將主要論述中國(guó)在混凝土面板堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)上的進(jìn)展，有關(guān)國(guó)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)展的論述可參見(jiàn)文獻(xiàn)［1-2］。

中國(guó)現(xiàn)代混凝土面板堆石壩建設(shè)起步于1985年，以壩高95.0 m的湖北西北口混凝土面板堆石壩為標(biāo)志。1985年，美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)年會(huì)在底特律召開(kāi)，會(huì)議重點(diǎn)討論了現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和最新的工程技術(shù)實(shí)踐，由37篇論文組成的會(huì)議論文集被稱為混凝土面板堆石壩的“第一本綠皮書(shū)”，對(duì)推動(dòng)全球混凝土面板堆石壩的建設(shè)具有重大影響。出席會(huì)議的中國(guó)專家?guī)Щ亓水?dāng)時(shí)國(guó)際混凝土面板堆石壩技術(shù)的最新設(shè)計(jì)理念和工程實(shí)踐，從而使中國(guó)混凝土面板堆石壩建設(shè)得以起步于一個(gè)較高的起點(diǎn)［3］。西北口大壩作為中國(guó)第一座開(kāi)工建設(shè)的混凝土面板堆石壩，于1990年建成，而第一座建成的混凝土面板堆石壩則是遼寧的關(guān)門山水庫(kù)大壩，壩高58.5 m，1988年建成。

中國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn)：一是緊跟國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平，及時(shí)引進(jìn)最新技術(shù)，并在工程實(shí)踐中消化、吸收；二是十分重視科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和自主創(chuàng)新。西北口大壩作為中國(guó)混凝土面板堆石壩的第一座試驗(yàn)壩，被列入國(guó)家“七五”科技攻關(guān)課題，課題各研究單位針對(duì)100 m級(jí)壩高的混凝土面板堆石壩工程開(kāi)展了大量的科學(xué)試驗(yàn)和計(jì)算分析工作，取得了系統(tǒng)的研究成果。同時(shí)，編制了相關(guān)設(shè)計(jì)導(dǎo)則、施工規(guī)程，為混凝土面板堆石壩在中國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自1980年代開(kāi)始，混凝土面板堆石壩連續(xù)被列入國(guó)家“七五”、“八五”、“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)，還得到了水利水電行業(yè)重點(diǎn)課題、國(guó)家電力公司重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等不同渠道的支持。通過(guò)系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)研究，中國(guó)在混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)方面取得了大量創(chuàng)新成果，解決了工程實(shí)踐中的關(guān)鍵技術(shù)難題，逐步形成了具有中國(guó)特色的混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)體系。

目前，中國(guó)的混凝土面板堆石壩分布遍及全國(guó)，涵蓋了各種不同的地形、地質(zhì)和氣象條件，以及各種嚴(yán)酷的自然條件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，中國(guó)已建壩高30 m以上的混凝土面板堆石壩數(shù)量約270座，在建工程數(shù)量約60座［4］，中國(guó)混凝土面板堆石壩數(shù)量已占全球同類壩型數(shù)量的一半以上。大量工程的建設(shè)，積累了應(yīng)對(duì)各種困難情況的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，同時(shí)，也在相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題研究方面取得了很大的發(fā)展。在中國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展過(guò)程中，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也曾出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題，其中包括青海溝后面板壩的潰壩事故、湖南株樹(shù)橋面板壩的面板折斷、坍陷，以及天生橋一級(jí)面板壩的面板擠壓破壞等。針對(duì)這些問(wèn)題和教訓(xùn)的總結(jié)，也從另一方面促進(jìn)了中國(guó)混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步。

從1980年代起，中國(guó)工程師結(jié)合混凝土面板堆石壩工程的建設(shè)，在材料特性、數(shù)值分析和模型試驗(yàn)等方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)的科學(xué)研究，在混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐中取得了一系列的成果。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，使混凝土面板壩的建設(shè)由經(jīng)驗(yàn)和判斷為主的方式逐漸走向了經(jīng)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的途徑。

目前，中國(guó)的混凝土面板堆石壩建設(shè)既孕育著重大的發(fā)展機(jī)遇，也面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件，嚴(yán)酷的壩址自然環(huán)境，以及壩高從200 m級(jí)到300 m級(jí)的跨越等，對(duì)混凝土面板堆石壩的技術(shù)發(fā)展提出了更高的要求。此外，在混凝土面板堆石壩的研究中也面臨著筑壩堆石材料力學(xué)特性、壩體堆石變形機(jī)制及混凝土面板破損機(jī)理等一系列基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。在充分掌握材料工程特性基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性的準(zhǔn)確把握與預(yù)測(cè)，是應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)跨越的重要基礎(chǔ)［5］。本文將總結(jié)、歸納目前我國(guó)在混凝土面板堆石壩材料試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算分析方法上的研究進(jìn)展，并重點(diǎn)對(duì)混凝土面板堆石壩的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、論述。

2 材料工程特性研究

作為一種當(dāng)?shù)夭牧蠅涡?，混凝土面板堆石壩的填筑料涵蓋了十分廣泛的類型，從大的類別上可劃分為堆石和砂礫石兩種。材料工程特性的研究是大壩建設(shè)的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題，主要包括級(jí)配特征、壓縮變形特性、強(qiáng)度特性和應(yīng)力變形特性等研究。近些年來(lái)，隨著高壩建設(shè)的不斷發(fā)展，筑壩材料流變特性、濕化變形特性，以及干濕循環(huán)作用下的材料性質(zhì)劣化等逐漸成為研究中的熱點(diǎn)。

目前，土石材料工程特性的研究手段主要依賴于室內(nèi)大型試驗(yàn)。自1980年代以來(lái)，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、長(zhǎng)江科學(xué)院、河海大學(xué)、清華大學(xué)和大連理工大學(xué)等研究院所和高等院校相繼研制開(kāi)發(fā)了適用于粗顆粒材料的高壓三軸儀、壓縮儀、滲透儀、平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)儀、高壓三軸流變?cè)囼?yàn)儀、接觸面試驗(yàn)儀等大型試驗(yàn)設(shè)備，建立、形成了較為完善的室內(nèi)大型試驗(yàn)體系。

2.1 材料顆粒級(jí)配特性堆石料的開(kāi)采通常通過(guò)爆破獲得，其級(jí)配的優(yōu)劣主要取決于爆破開(kāi)采方法和巖體本身的結(jié)構(gòu)以及裂隙的發(fā)育程度。堆石材料顆粒級(jí)配特征研究關(guān)注的重點(diǎn)是級(jí)配的變異性及其影響因素。就堆石料級(jí)配的變化過(guò)程而言，壩體填筑壓實(shí)過(guò)程中的顆粒破碎對(duì)其級(jí)配的影響最大，顆粒破碎的程度主要取決于巖塊的強(qiáng)度以及壓實(shí)功能等因素，而顆粒級(jí)配的變異，將會(huì)直接導(dǎo)致堆石料工程特性的變化［6］。因此，顆粒破碎研究目前已經(jīng)成為粗顆粒材料工程特性研究中的重點(diǎn)［7-9］。

鑒于母巖材料和級(jí)配特征對(duì)于堆石壓實(shí)特性的重要影響，在中國(guó)的實(shí)踐中，對(duì)于高混凝土面板堆石壩提出了針對(duì)堆石材料的基本控制性指標(biāo)：母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度≥30 MPa，軟化系數(shù)大于0.7～0.8，堆石級(jí)配中小于5 mm粒徑的顆粒含量為10%～15%左右，最低不能小于5%，相應(yīng)的不均勻系數(shù)應(yīng)大于15。母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度＜30 MPa的軟巖堆石料也可用于修建混凝土面板堆石壩，但通常用于中低壩高的工程。需要注意的是，對(duì)于軟巖材料，嚴(yán)重的顆粒破碎會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)后的實(shí)際級(jí)配與原始級(jí)配的巨大差異，使原來(lái)的堆石料變成性質(zhì)迥異的另一種材料，在這種情況下，材料的級(jí)配應(yīng)以壓實(shí)后的實(shí)際級(jí)配為依據(jù)取用相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)。

砂礫石材料的級(jí)配為天然級(jí)配，而且，由于顆粒的磨圓度較高，相對(duì)于堆石材料而言不易產(chǎn)生由于顆粒破碎而引起的級(jí)配變化，但值得關(guān)注的是，由于砂礫石材料的級(jí)配特性還與其地質(zhì)成因密切相關(guān)，在某些情況下，其級(jí)配會(huì)呈現(xiàn)較大的離散性。天然沉積砂礫石的其級(jí)配常呈不連續(xù)分布，甚至?xí)a(chǎn)生級(jí)配的間斷。因此，當(dāng)采用砂礫石材料筑壩時(shí)，應(yīng)對(duì)料源的級(jí)配特征作深入的調(diào)研。

2.2 材料強(qiáng)度特性土石材料的強(qiáng)度特性是決定混凝土面板堆石壩壩坡穩(wěn)定的重要因素。對(duì)于堆石等散粒體材料，其抗剪強(qiáng)度包括滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦兩部分，而顆粒咬合摩擦又包含了剪脹效應(yīng)和顆粒破碎影響，因此，堆石材料的抗剪強(qiáng)度應(yīng)該是由顆粒間的滑動(dòng)摩擦、剪脹效應(yīng)、顆粒的破碎與重新定向排列所組成。

對(duì)于棱角尖銳的堆石而言，由于顆粒破碎的影響，其強(qiáng)度包線在相對(duì)較小的應(yīng)力下即發(fā)生了彎曲，因而呈現(xiàn)出較為明顯的非線性的特征。試驗(yàn)結(jié)果表明［10］，硬巖堆石的破碎壓力約為0.8 MPa，堆石的強(qiáng)度包線由線性轉(zhuǎn)為非線性的分界應(yīng)力約為0.85 MPa。對(duì)于堅(jiān)硬、渾圓且級(jí)配優(yōu)良的砂卵石，其顆粒破碎的問(wèn)題不突出，因此，其強(qiáng)度包線在相對(duì)較高的應(yīng)力水平下仍可保持近似的直線關(guān)系。

堆石材料非線性強(qiáng)度特征的描述主要有de melo的指數(shù)形式和Duncan的對(duì)數(shù)形式。在中國(guó)的堆石壩工程計(jì)算分析中，通常采用Duncan對(duì)數(shù)表達(dá)式［11］：

式中：φ0為當(dāng)圍壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的摩擦角；Δφ為圍壓相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓增大10倍時(shí)的摩擦角遞減量。

需要指出的是，在堆石強(qiáng)度的對(duì)數(shù)非線性表達(dá)式中沒(méi)有參數(shù)c，參數(shù)c所代表的咬合摩擦部分實(shí)際上已包含在參數(shù)φ0和Δφ之中，因此，這兩個(gè)參數(shù)已不再是通常意義上的內(nèi)摩擦角。中國(guó)學(xué)者通過(guò)對(duì)大量大型三軸試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)和回歸分析得出［10］，對(duì)于一般的硬巖堆石料，φ0=54.4°，Δφ=10.4°。

2.3 材料變形特性堆石材料的顆粒形狀為多面體，顆粒之間通常為點(diǎn)接觸，其整體壓縮性主要取決于顆粒的重新排列，同時(shí)也受母巖巖性、密度、級(jí)配等因素影響。作為一種由堅(jiān)硬顆粒所組成的散粒體材料，堆石體在經(jīng)過(guò)碾壓后，將達(dá)到較高的密度和較小的孔隙比，從而具有較低的壓縮性。碾壓后的堆石體，通常都會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)完成其壓縮變形的大部分。但是對(duì)于高壩，由于堆石體承受的應(yīng)力水平較高，后續(xù)的顆粒破碎和級(jí)配調(diào)整將會(huì)導(dǎo)致堆石體產(chǎn)生持續(xù)的變形。

堆石材料變形的另一個(gè)重要的特征是濕陷特性，堆石材料濕陷變形的機(jī)理主要是堆石顆粒的棱角遇水后發(fā)生軟化、破碎，同時(shí)，水的潤(rùn)滑作用促使顆粒的遷移與重新排列，從而導(dǎo)致新的變形的產(chǎn)生。研究表明，堆石的濕陷變形與其巖性及應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)［12-13］。通常認(rèn)為，軟巖堆石料的濕陷變形較大。但需要指出的是，即使是對(duì)于顆粒比較堅(jiān)硬的堆石（如灰?guī)r和凝灰?guī)r等），浸水后的濕化變形仍不可忽視。堆石的浸水沉降變形，隨密度的增大而減小，而且，其初始含水量愈大，浸水沉降也會(huì)越小。

2.4 堆石材料流變特性研究天生橋大壩是中國(guó)第一座壩高接近200 m的高混凝土面板堆石壩工程，大壩建成后發(fā)生了較大的后期變形，引起了工程界的普遍關(guān)注。通過(guò)對(duì)觀測(cè)資料的分析發(fā)現(xiàn)［14］，堆石體的流變是壩體竣工后發(fā)生較大變形的主要原因之一。隨后，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)堆石材料流變特性的研究。沈珠江等［15］通過(guò)對(duì)堆石料流變特性的試驗(yàn)研究和對(duì)已建工程實(shí)測(cè)資料的反分析，提出了一種指數(shù)衰減型三參數(shù)流變模型。梁軍等［16］通過(guò)大型壓縮流變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)堆石料的流變隨時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系衰減變化，流變特性與試樣的應(yīng)力水平相關(guān)。程展林等［17］采用應(yīng)力控制式大型三軸儀研究了堆石料的流變特性，研究發(fā)現(xiàn)，堆石料流變量與時(shí)間的關(guān)系可以用一個(gè)九參數(shù)的冪函數(shù)表示。

隨著粗顆粒材料大型試驗(yàn)設(shè)備研制的進(jìn)展，對(duì)于堆石材料流變變形特性的研究普遍采用了試樣直徑300 mm的大型三軸流變?cè)囼?yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)堆石料進(jìn)行不同應(yīng)力水平下的流變?cè)囼?yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果建立流變模型，整理得出計(jì)算參數(shù)后，即可采用數(shù)值方法分析堆石體的流變量值。目前，對(duì)于堆石蠕變變形的描述，普遍采用的是經(jīng)驗(yàn)函數(shù)的方法，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)多采用單項(xiàng)函數(shù)的方式，常用的函數(shù)形式包括指數(shù)型、冪函數(shù)型、雙曲線型和對(duì)數(shù)型等。

典型的指數(shù)型三參數(shù)流變計(jì)算公式如下［15］：

式中：ε為流變；εf為當(dāng)t→∞時(shí)的最終流變量；c為參數(shù)，相當(dāng)于t=0時(shí)第一天流變量占εf的比值。最終流變量εf與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，體積流變與圍壓σ3成正比，剪切流變與應(yīng)力水平相關(guān)，即：

式中：b、d為計(jì)算參數(shù)，由試驗(yàn)結(jié)果得出，b相當(dāng)于σ3=pa（大氣壓）時(shí)的最終體積流變量，d為應(yīng)力水平D=0.5時(shí)的最終剪切流變量；破壞時(shí)D=1.0，εsf→∞。

程展林等［17］提出的冪函數(shù)型九參數(shù)流變計(jì)算公式如下。

堆石體軸向流變計(jì)算公式為：

其中：

式中：η、m為計(jì)算參數(shù)，由試驗(yàn)獲得；SL為應(yīng)力水平。堆石體體積流變計(jì)算公式為：

式中：cα、dα、cβ、dβ、λv為計(jì)算參數(shù)，由試驗(yàn)獲得。

從目前的認(rèn)識(shí)上看，堆石的流變與其顆粒在應(yīng)力作用下的破碎直接相關(guān)，因而其體積流變、剪切流變與之所處的應(yīng)力狀態(tài)以及母巖的性質(zhì)密切相關(guān)。隨著時(shí)間的推移，堆石體流變的發(fā)展總體上趨于穩(wěn)定，流變與時(shí)間的關(guān)系總體上符合衰減函數(shù)的趨勢(shì)。隨著應(yīng)力水平和圍壓的增大，堆石體的流變變形量會(huì)相應(yīng)增大，流變趨于停止的時(shí)間也會(huì)增加。但在試驗(yàn)室內(nèi)，由于試樣尺寸的限制，試驗(yàn)得到的堆石流變速率明顯大于現(xiàn)場(chǎng)的原型級(jí)配材料。總體上看，目前對(duì)于堆石流變特性的研究雖然取得了一些成果，室內(nèi)試驗(yàn)也初步揭示了堆石體流變變形的一些基本規(guī)律，但是，由于堆石材料自身的復(fù)雜性和室內(nèi)試驗(yàn)的局限，對(duì)于堆石流變機(jī)理和發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚有待深入。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的流變計(jì)算方法是基于將堆石體變形劃分為瞬時(shí)變形和流變變形這一人為假定之上，但實(shí)際情況下，堆石在荷載作用下的瞬時(shí)變形與荷載恒定不變情況下的流變變形通常是難以截然區(qū)分的。因此，未來(lái)的研究方向應(yīng)該是基于材料試驗(yàn)研究而開(kāi)發(fā)的綜合反映材料黏彈塑性特征的分析模型。

2.5 材料特性的數(shù)值試驗(yàn)研究由于室內(nèi)試驗(yàn)在研究粗顆粒材料特性中的種種限制條件，近些年來(lái)，部分學(xué)者開(kāi)始采用非連續(xù)分析方法，以顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互接觸為基礎(chǔ)，從細(xì)觀的尺度對(duì)材料的試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析模擬，從而發(fā)展出了數(shù)值試驗(yàn)研究方法。

數(shù)值試驗(yàn)研究基于以離散元為代表的不連續(xù)分析方法，以細(xì)觀顆粒為基本單元，將每個(gè)顆粒離散為獨(dú)立的有限元網(wǎng)格，將相鄰顆粒作用在其上的接觸力作為該有限單元域的外力，通過(guò)有限單元域內(nèi)的顯式求解，獲取顆粒內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布。顆粒之間則通過(guò)離散元接觸算法進(jìn)行分析模擬。周偉等［18］采用罰函數(shù)法計(jì)算顆粒間的接觸力，通過(guò)以顆粒間嵌入面積的大小確定接觸力大小的方法，首次建立了堆石體應(yīng)力變形細(xì)觀模擬的隨機(jī)散粒體不連續(xù)變形分析模型，并將其應(yīng)用于堆石體等粗顆粒材料力學(xué)性能的研究［19］。與常規(guī)的橢球形顆粒模擬方法不同，它采用了不規(guī)則的凸多面體模擬真實(shí)的堆石顆粒并劃分網(wǎng)格，通過(guò)在裂縫可能發(fā)生和擴(kuò)展的部位布置界面單元，并引入內(nèi)聚力模型來(lái)模擬顆粒破碎。這一模型可以相對(duì)較好地反映堆石體的復(fù)雜形狀和破碎行為。

數(shù)值試驗(yàn)研究方法可以從細(xì)觀的角度模擬堆石材料顆粒接觸、摩擦、移動(dòng)和破碎的過(guò)程，再現(xiàn)堆石體的宏觀力學(xué)響應(yīng)，并且具有試樣尺寸、邊界條件調(diào)整靈活的優(yōu)勢(shì)，可以成為常規(guī)室內(nèi)大型試驗(yàn)研究手段的有效補(bǔ)充。但是，由于堆石材料細(xì)小顆粒的絕對(duì)數(shù)量非常龐大，受計(jì)算規(guī)模的限制，數(shù)值試驗(yàn)方法同樣也不可能模擬真實(shí)壩料的全部顆粒，其粒徑小于一定尺寸的顆粒必須略去，由此造成的影響尚需進(jìn)一步的比較研究。此外，在制樣方法的模擬、初始應(yīng)力狀態(tài)的確定、顆粒性狀描述、接觸摩擦算法和顆粒破碎定義等方面，數(shù)值試驗(yàn)分析方法也不可避免地需要建立一定的假定，相關(guān)假定的影響也需要通過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行深入的研究。

3 計(jì)算分析技術(shù)

中國(guó)在混凝土面板堆石壩發(fā)展過(guò)程中，從最初的開(kāi)始階段，就十分重視通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)壩體及面板的應(yīng)力變形特性進(jìn)行分析研究，這一點(diǎn)與國(guó)外的做法有著顯著的區(qū)別。通過(guò)計(jì)算分析預(yù)測(cè)壩體的變形性態(tài)和面板的應(yīng)力狀態(tài)，可以有效把握混凝土面板堆石壩的運(yùn)行特征，從而為大壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工調(diào)整提供技術(shù)支撐。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，中國(guó)在材料本構(gòu)模型的開(kāi)發(fā)和計(jì)算方法的改進(jìn)方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而也改變了混凝土面板堆石壩僅單純依靠經(jīng)驗(yàn)和類比的設(shè)計(jì)模式。

3.1 筑壩材料本構(gòu)模型研究目前，在混凝土面板堆石壩數(shù)值計(jì)算分析中，堆石或砂礫石材料的本構(gòu)模型主要有非線性彈性模型和彈塑性模型兩種。其中，最為常用的是鄧肯E-B非線性彈性模型和“南水”雙屈服面彈塑性模型。鄧肯E-B模型能夠反映壩料應(yīng)力應(yīng)變的非線性和壓硬性，但難以反映巖土材料的剪脹性?！澳纤彪p屈服面模型能夠反映壩料的非線性、壓硬性、剪脹性和應(yīng)力引起的各向異性，但由于模型假設(shè)εv-ε1呈拋物線關(guān)系，在許多情況下會(huì)夸大材料的剪脹性，從而導(dǎo)致計(jì)算的壩體變形偏小。

目前模型存在的最主要問(wèn)題是不能合理反映粗顆粒材料的體積變形特性。粗顆粒材料在變形過(guò)程中通常伴隨著顆粒破碎，顆粒破碎后會(huì)引起顆粒的調(diào)整和重新排列，從而導(dǎo)致堆石體體變?cè)黾?，這種變化過(guò)程會(huì)在一定程度上減小材料的剪脹性。對(duì)于高壩，堆石體在高應(yīng)力狀態(tài)下顆粒破碎更明顯，壩體體積變形的增加也更突出，同時(shí)顆粒破碎以及級(jí)配調(diào)整的過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生流變變形的問(wèn)題。

根據(jù)筑壩堆石材料室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合計(jì)算分析實(shí)踐，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提出了針對(duì)鄧肯E-B模型改進(jìn)處理方法［19］，內(nèi)容包括加卸載過(guò)程中切線模量的計(jì)算、剪切破壞和張拉破壞時(shí)的迭代處理、體積模量計(jì)算的限定等。通過(guò)這些處理方法的運(yùn)用，使得數(shù)值計(jì)算更加穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果也與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。

南京水利科學(xué)研究院在“南水”雙屈服面彈塑性模型的基礎(chǔ)上，考慮顆粒破碎引起的能量耗散，通過(guò)分析三軸CD試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出顆粒破碎能耗與軸向應(yīng)變之間具有較好的雙曲線關(guān)系，從而建立了一個(gè)考慮顆粒破碎的堆石本構(gòu)模型［20］，其切線體積比的計(jì)算公式如下：

式中，φm為機(jī)動(dòng)摩擦角。

河海大學(xué)在廣義塑性理論框架下，以典型高壩堆石料的試驗(yàn)資料為依據(jù)，提出了可以同時(shí)考慮堆石料在低圍壓下的剪脹性和高圍壓下的剪縮性的廣義塑性本構(gòu)模型［21］。

鄒德高等［22］在Ziemkiewicz和Pastor的廣義塑性理論基礎(chǔ)上，針對(duì)堆石壩的應(yīng)力特點(diǎn)，考慮壓力相關(guān)性，對(duì)廣義塑性模型的加載塑性模量、卸載塑性模量和彈性模量的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出了一種適用于堆石壩材料特點(diǎn)的分析模型。

從目前的的發(fā)展看，隨著對(duì)粗顆粒材料應(yīng)力變形特性試驗(yàn)研究的不斷深入，本構(gòu)模型所考慮的影響因素也日趨廣泛，模型的復(fù)雜性也相對(duì)增加。但是，這些復(fù)雜的本構(gòu)模型是否能夠真實(shí)反映工程中材料的力學(xué)行為特性，尚有待進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)。采用多屈服面、非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的復(fù)雜彈塑性模型目前仍面臨著試驗(yàn)方法特殊、計(jì)算參數(shù)類比性差以及計(jì)算過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。在工程計(jì)算分析的實(shí)踐中，鄧肯E-B非線性彈性模型由于其參數(shù)物理意義明確、工程應(yīng)用廣泛，因此可以獲得具有較為豐富的工程類比成果，目前仍是我國(guó)混凝土面板堆石壩數(shù)值分析的主流分析模型。

相應(yīng)于各種計(jì)算模型，除需考慮模型本身是否能夠正確反映材料的應(yīng)力變形特征外，模型參數(shù)的確定也是影響計(jì)算分析結(jié)果的重要因素。在材料本構(gòu)模型的開(kāi)發(fā)中，需要關(guān)注模型參數(shù)的物理意義，只有具備充分物理意義的參數(shù)才可以在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)工程類比的方式分析其參數(shù)取值的合理性，或確定其數(shù)值的合理范圍。目前，由于室內(nèi)大型試驗(yàn)試樣尺寸的限制，室內(nèi)試驗(yàn)得出的模型參數(shù)與原型筑壩材料的真實(shí)參數(shù)間存在一定的差異，如何在室內(nèi)縮尺試驗(yàn)得出的參數(shù)基礎(chǔ)上合理確定原型材料的真實(shí)材料參數(shù)，這將是目前和未來(lái)一段時(shí)期我國(guó)面板堆石壩工程界所致力研究解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

3.2 計(jì)算方法研究在混凝土面板堆石壩的數(shù)值分析中，中國(guó)學(xué)者除了在本構(gòu)模型上進(jìn)行深入研究外，還在計(jì)算分析實(shí)踐中開(kāi)發(fā)了新的分析方法。其中，除了常規(guī)的非線性（彈塑性）有限元分析方法外，還包括了界面接觸算法、流變分析方法和精細(xì)化仿真分析方法等。

3.2.1 混凝土面板與堆石體的接觸算法 混凝土面板堆石壩的結(jié)構(gòu)中包含相對(duì)剛性的混凝土面板與散粒體堆石相互作用的接觸面，以及面板縱縫、面板周邊縫等接縫系統(tǒng)。混凝土面板與堆石的摩擦接觸是其應(yīng)力的主要來(lái)源，因此，對(duì)面板與堆石接觸特性的準(zhǔn)確模擬，是保證面板應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確的重要前提。由于接觸面兩側(cè)材料性質(zhì)相差懸殊，在外力作用下，通常都會(huì)表現(xiàn)出與連續(xù)體不同的剪切滑移、脫開(kāi)分離等特殊的變形特征，在計(jì)算分析中需要采用特殊的單元來(lái)加以模擬。

早期的面板壩計(jì)算分析中，接觸面的模擬常采用無(wú)厚度的Goodman單元模擬。這種單元由接觸面兩側(cè)的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)所組成，單元的厚度為零，兩接觸面之間假想為由無(wú)數(shù)的法向和切向彈簧相連。鄒德高等［23］在Goodman單元的基礎(chǔ)上，結(jié)合河海大學(xué)止水材料試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)接縫模型參數(shù)的敏感性分析，提出了針對(duì)混凝土面板堆石壩接縫接觸面的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。但是，對(duì)于Goodman單元，由于其無(wú)厚度的特性，在實(shí)際計(jì)算分析中，很難保證單元兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生相互嵌入的現(xiàn)象，而且，法向勁度取值過(guò)大或過(guò)小對(duì)于計(jì)算的精度也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

根據(jù)實(shí)際工程的觀測(cè)和室內(nèi)接觸面試驗(yàn)研究，當(dāng)兩種材料性質(zhì)相差懸殊的介質(zhì)間產(chǎn)生剪切位移時(shí)，一般都會(huì)在材料性質(zhì)相對(duì)較弱的一面形成一個(gè)薄層的剪切帶，因此，在數(shù)值計(jì)算中采用薄層接觸面單元來(lái)模擬不同材料之間的接觸會(huì)更接近實(shí)際情況。對(duì)于薄層接觸面單元，接觸面上的變形可以分為基本變形和破壞變形兩部分［24］。在正常受力情況下，單元產(chǎn)生基本變形{ε′}，其材料的本構(gòu)關(guān)系可以取為材料性質(zhì)較弱一面的材料特性（墊層堆石料），薄層單元在計(jì)算過(guò)程中按普通實(shí)體單元參與計(jì)算。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生了沿接觸面的滑動(dòng)破壞或接觸面受拉產(chǎn)生了拉裂破壞時(shí)，單元產(chǎn)生破壞變形{ε″}，破壞變形采用剛塑性假定。

對(duì)于接觸面上的破壞變形{ε″}，可以用下式表示：

式中，E″、G″分別為反映拉裂破壞變形和滑動(dòng)破壞變形的模量參數(shù)。

在平行于接觸面方向上的正應(yīng)變由于受到混凝土的約束不會(huì)發(fā)生破壞，因此可取Δε″s=0，相應(yīng)的，[C]″矩陣中的對(duì)應(yīng)元素取為0。

接觸面的總變形為基本變形和破壞變形的疊加：

薄層接觸面單元的模擬方法目前在國(guó)內(nèi)的混凝土面板堆石壩計(jì)算分析中得到了普遍的應(yīng)用，它可以相對(duì)較好地模擬堆石體與面板間的剪應(yīng)力傳遞，但實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，接觸面單元強(qiáng)度參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大程度的影響，因此，未來(lái)尚需進(jìn)一步通過(guò)接觸面試驗(yàn)研究以確定接觸面的非線性接觸變形模式和相應(yīng)的模型參數(shù)。

盡管薄層接觸面單元在模擬接觸面的剪應(yīng)力傳遞和避免接觸面兩邊介質(zhì)的互相嵌入上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是它與Goodman單元一樣，對(duì)于接觸面相互脫開(kāi)和接觸面大位移滑動(dòng)的模擬仍無(wú)能為力。為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者在接觸面計(jì)算方法上也進(jìn)行了相關(guān)的研究和實(shí)踐。徐澤平［19］在接觸面模擬中引入了界面單元法，通過(guò)將單元的變形累積于單元界面，在離散模型中以界面元代替彈簧元，可以有效地描述接觸面上的錯(cuò)位、滑移和張開(kāi)位移。周墨臻等［25］基于非線性接觸力學(xué)方法，通過(guò)使用拉格朗日乘子法引入接觸約束得到了接觸問(wèn)題的計(jì)算格式，同樣可以有效解決面板與堆石體接觸滑移與分離的計(jì)算模擬問(wèn)題。

3.2.2 堆石體流變變形分析方法 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于堆石體流變變形的計(jì)算分析普遍采用的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒?，認(rèn)為堆石體的總應(yīng)變可以分為其受到外部荷載后產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)變和在荷載恒定條件下產(chǎn)生的流變應(yīng)變兩個(gè)部分，如以增量形式表示，即為：

式中：Δεep為瞬時(shí)應(yīng)變?cè)隽?；Δεcreep為流變應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

對(duì)于瞬時(shí)應(yīng)變部分，采用常規(guī)的堆石本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于流變應(yīng)變部分，則采用經(jīng)驗(yàn)型的衰減函數(shù)計(jì)算公式，如前述的指數(shù)型、冪函數(shù)型、對(duì)數(shù)型公式。

對(duì)于這樣的計(jì)算方法，由于流變變形的起始時(shí)刻難于準(zhǔn)確界定，因此，計(jì)算中均采用相對(duì)時(shí)間取代絕對(duì)時(shí)間。為充分考慮應(yīng)力狀態(tài)對(duì)流變量值的影響，計(jì)算中對(duì)體積變形和剪切變形采用不同的公式分別計(jì)算，即認(rèn)為體積流變量和剪切流變量分別取決于圍壓水平和剪應(yīng)力水平，不考慮兩個(gè)因素間的耦合作用。在π平面上各方向的流變應(yīng)變分量采用Prandtl-Reuss流動(dòng)法則進(jìn)行分配，即：

式中：{s}為偏應(yīng)力張量；{I}為單位張量；σs為廣義剪應(yīng)力。

在每一個(gè)荷載步里，將加載時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間步，計(jì)算當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下的單元最終流變量，根據(jù)累計(jì)流變量和最終流變量計(jì)算當(dāng)前時(shí)間步下的流變速率，以求得當(dāng)前時(shí)間步的堆石體單元流變?cè)隽?，最后把求得的單元流變?cè)隽孔鳛槌鯌?yīng)變進(jìn)行有限元增量分析

從目前的堆石流變計(jì)算方法上看，堆石體流變變形的計(jì)算雖然可以反映堆石變形隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程，但計(jì)算模型和計(jì)算過(guò)程仍存在一些人為的假定。瞬時(shí)變形與流變變形的劃分通常會(huì)導(dǎo)致流變變形的起點(diǎn)難以判斷，使用經(jīng)驗(yàn)公式直接擬合整條試驗(yàn)曲線，也會(huì)使流變計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)際上包含了瞬時(shí)變形和長(zhǎng)期變形的總和，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差。未來(lái)，堆石流變的計(jì)算采取構(gòu)建統(tǒng)一考慮瞬時(shí)變形與流變變形的計(jì)算模型將會(huì)是一個(gè)正確的發(fā)展方向，此類模型的建立需要以針對(duì)堆石流變變形規(guī)律的大量試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)。

3.2.3 大規(guī)模精細(xì)化仿真算法 在混凝土面板堆石壩的數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量通常不超過(guò)50 000。但對(duì)于高壩，采用這種網(wǎng)格規(guī)模，每個(gè)單元高度一般會(huì)超過(guò)10 m，長(zhǎng)度則要達(dá)到40～50 m。在這樣的網(wǎng)格精度下，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)高壩壩體應(yīng)力、變形狀態(tài)的準(zhǔn)確刻畫(huà)。而且，對(duì)于混凝土面板而言，由于面板的最小厚度只有30～40 cm，采用過(guò)粗的網(wǎng)格剖分，將使面板網(wǎng)格極度畸形，從而導(dǎo)致面板應(yīng)力計(jì)算的失真。作為混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)的主體，混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該是計(jì)算分析關(guān)注的重點(diǎn)，但按常規(guī)的建模方式，卻恰恰是混凝土面板的單元形態(tài)最差。因此，近些年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，在我國(guó)的高混凝土面板堆石壩的數(shù)值計(jì)算分析中，逐漸開(kāi)始采用精細(xì)化網(wǎng)格下的全過(guò)程仿真分析。通過(guò)在精細(xì)化網(wǎng)格建模與并行計(jì)算方法上的研究與開(kāi)發(fā)，目前，混凝土面板堆石壩精細(xì)化計(jì)算的網(wǎng)格規(guī)模已經(jīng)可以達(dá)到100萬(wàn)至500萬(wàn)單元數(shù)的規(guī)模。通過(guò)這樣的精細(xì)化仿真分析，可以較為有效地估算混凝土面板堆石壩在施工期、水庫(kù)蓄水期的各種加載、卸載條件下堆石體和面板的應(yīng)力與變形的大小及其分布，以及材料強(qiáng)度發(fā)揮的程度，從而為壩料分區(qū)、斷面優(yōu)化、施工進(jìn)度安排和運(yùn)行性態(tài)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

4 混凝土面板堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)

作為一種典型的當(dāng)?shù)夭牧蠅涡停炷撩姘宥咽瘔蔚闹渭夹g(shù)包含多方面的內(nèi)容。其中，最關(guān)鍵的技術(shù)主要包括壩體的滲流安全、大壩的變形控制以及大壩防滲系統(tǒng)可靠性等。

4.1 壩體滲流安全混凝土面板和接縫止水系統(tǒng)是混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)的主體，但與此同時(shí)，壩體堆石的材料分區(qū)設(shè)計(jì)，特別是面板下部的墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)的設(shè)計(jì)對(duì)保證大壩的滲透安全也將起到非常關(guān)鍵的作用。

從歷史上看，混凝土面板壩的滲流控制理念經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。第一階段主要強(qiáng)調(diào)以混凝土面板控制滲流為主，在這一階段，墊層料的主要功能是起變形協(xié)調(diào)和應(yīng)力過(guò)渡的作用，其顆粒級(jí)配較粗，材料滲透系數(shù)偏大。一旦面板出現(xiàn)裂縫或面板止水發(fā)生破壞，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的滲漏。1980年代，美國(guó)壩工專家謝拉德提出了將墊層料作為混凝土面板壩第二道防滲防線的建議，要求墊層料的滲透系數(shù)應(yīng)滿足10-3～10-4cm/s。謝拉德的建議對(duì)混凝土面板壩的設(shè)計(jì)是一次重大突破，它進(jìn)一步完善了面板壩的防滲系統(tǒng)，提高了大壩的防滲安全性，得到國(guó)內(nèi)外大多數(shù)工程師的認(rèn)可，并在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。以此為標(biāo)志，混凝土面板堆石壩滲流控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入第二階段。近些年來(lái)，隨著混凝土面板堆石壩壩高的增加，對(duì)混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)可靠性和大壩滲透穩(wěn)定安全的要求也日益提高。為此，徐澤平等［5］在總結(jié)以往研究成果和針對(duì)相關(guān)工程實(shí)踐的分析中進(jìn)一步提出：高混凝土面板壩應(yīng)綜合考慮各個(gè)分區(qū)的協(xié)調(diào)保護(hù)作用，通過(guò)上游鋪蓋、混凝土面板、墊層區(qū)和過(guò)渡區(qū)的聯(lián)合作用和相互保護(hù)，以提高大壩防滲系統(tǒng)的整體可靠性，并保證一旦出現(xiàn)破壞時(shí)防滲系統(tǒng)的自愈修復(fù)。這將是高混凝土面板堆石壩滲流控制理念發(fā)展的第三個(gè)階段。

面板堆石壩滲流控制的主要目的是保證大壩的蓄水功能，確保壩體不出現(xiàn)過(guò)大的滲漏。同時(shí)，出于保證大壩安全的目的，在因種種原因出現(xiàn)較大壩體滲漏的情況下，需保證堆石各分區(qū)材料的滲透穩(wěn)定，以避免堆石中細(xì)顆粒的大量流失，從而引起堆石體的附加變形，并進(jìn)一步導(dǎo)致面板的破壞和大壩的潰決。

工程實(shí)踐表明，謝拉德提出的將墊層區(qū)作為大壩第二道防滲線的建議在滲流控制理念上是正確的，但在具體落實(shí)中仍存在一些問(wèn)題。例如，墊層料的滲透系數(shù)應(yīng)如何取值才能既保證既起到第二道防滲防線的作用，又能保證所選材料具有較高的抗剪強(qiáng)度和較低的壓縮性。滲透系數(shù)愈小，表明防滲性能愈好，但帶來(lái)的問(wèn)題是所選材料中＜0.1 mm的顆粒含量過(guò)多，相應(yīng)地抗剪強(qiáng)度降低、壓縮模量減小，不利于壩坡的穩(wěn)定性。另外根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，按照謝拉德建議的顆粒組成曲線，墊層料的滲透系數(shù)并不能達(dá)到1×10-4cm/s的要求，特別是外包線＜0.075 mm的顆粒含量只有8%，顆粒級(jí)配曲線偏粗，這種材料在最緊密狀態(tài)下也只能達(dá)到10-2cm/s的量級(jí)。

通常認(rèn)為，堆石料的滲透特性與其小于5 mm的顆粒含量直接相關(guān)，但是對(duì)于小于5 mm這一部分顆粒級(jí)配的更進(jìn)一步研究則相對(duì)較少。劉杰［26］通過(guò)對(duì)兩種粒徑小于5 mm顆粒含量不同，且小于5 mm顆粒部分級(jí)配不同堆石料的試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，隨著小于5 mm顆粒含量的增加，其細(xì)粒料組成的變化范圍增大，致使各試樣的滲透系數(shù)差別很大。當(dāng)粒徑小于5 mm顆粒含量為55%，小于5 mm的顆粒組成不同時(shí)滲透系數(shù)可相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著粒徑小于5 mm顆粒含量的減小，小于5 mm的細(xì)粒料組成的可能變化范圍相應(yīng)減小，各試樣的滲透系數(shù)也就較為接近。這一結(jié)果與砂礫石料的滲透特性相一致，即堆石料的滲透系數(shù)主要決定于小于30%的粒徑組成，僅依靠小于5 mm的顆粒含量并不能準(zhǔn)確地反映土的滲透系數(shù)。

我國(guó)的混凝土面板壩墊層料級(jí)配設(shè)計(jì)小于5 mm的顆粒含量一般在35%～55%之間。而謝拉德建議的墊層料級(jí)配，其小于1 mm的顆粒含量位于12%～34%之間。試驗(yàn)研究成果表明，墊層料滲透性主要取決于細(xì)料含量，特別是d20的粒徑值，當(dāng)＜1 mm的粒徑含量小于20%時(shí)，滲透系數(shù)將大于10-3cm/s，因此，混凝土面板壩墊層料小于1 mm的顆粒含量應(yīng)大于謝拉德的建議值（水布埡、三板溪、洪家渡和天生橋一級(jí)面板堆石壩墊層料＜1 mm的顆粒含量一般在20%～32%之間）。通過(guò)對(duì)墊層料＜1 mm的粒徑含量進(jìn)行優(yōu)化，可以確保墊層料滲透系數(shù)能夠達(dá)到10-3～10-4cm/s的要求。

對(duì)于墊層料的淤堵自愈能力，考慮緊靠面板的鋪蓋材料或用于修補(bǔ)面板滲漏的拋填土為砂質(zhì)土，d85=0.2 mm，按太沙基反濾準(zhǔn)則，D15≤ 4d85=0.8mm，墊層料的d15應(yīng)＜0.8 mm。

從混凝土面板壩的分區(qū)結(jié)構(gòu)看，由于過(guò)渡區(qū)位于墊層區(qū)下部，施工時(shí)先鋪過(guò)渡區(qū)后鋪墊層區(qū)，如果墊層料與過(guò)渡料顆粒級(jí)配合適，在粒徑相對(duì)較粗的過(guò)渡區(qū)與粒徑相對(duì)較細(xì)的墊層區(qū)交界處將形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的混合自濾層，可阻止墊層區(qū)中其它顆粒的流失，只要保護(hù)住某一級(jí)較大粒徑的土料，就可控制其它顆粒滲透穩(wěn)定。因此，為保證墊層區(qū)的滲透穩(wěn)定，過(guò)渡料對(duì)墊層料應(yīng)具有反濾的功能，過(guò)渡區(qū)應(yīng)按墊層區(qū)反濾層的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

總體而言，高混凝土面板壩防滲系統(tǒng)的層次主要包括以混凝土面板和接縫止水為主的第一道防滲線、以過(guò)渡區(qū)保護(hù)下的墊層區(qū)為第二道防滲線以及具備強(qiáng)透水性和抗沖蝕性的堆石區(qū)為排水、減壓保護(hù)。從滲透穩(wěn)定的角度看，面板堆石壩的上、下游堆石體具有很強(qiáng)的透水性，與墊層料的滲透性相比較，二者相差至少在百倍以上，面板一旦失去防滲能力，墊層將變成防滲斜墻，滲透水頭大部分由墊層區(qū)承擔(dān)，堆石體充足的排水能力，將使得壩體浸潤(rùn)線迅速降低，從而充分發(fā)揮排水、減壓的作用。

4.2 壩體變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)混凝土面板堆石壩因其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，壩體堆石的變形對(duì)大壩的運(yùn)行特性和安全有著重要的影響。對(duì)于堆石體變形的問(wèn)題如未能予以足夠的重視，將導(dǎo)致工程出現(xiàn)面板裂縫、止水損壞、面板擠壓破壞等一系列問(wèn)題?；趯?duì)混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性的分析與研究，以及對(duì)現(xiàn)代高混凝土面板堆石壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究成果的總結(jié)，徐澤平等［27］歸納、提出了混凝土面板堆石壩變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)的理念，其核心在于以壩體的變形控制與協(xié)調(diào)為重點(diǎn)，從材料選擇、斷面分區(qū)和施工填筑分期等方面控制壩體的變形總量，并在變形總量控制的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)壩體各區(qū)域的變形。這一新理念的主要內(nèi)容包括：（1）高混凝土面板壩變形控制的核心是堆石體的變形控制。堆石體的變形與母巖材料特性、堆石顆粒級(jí)配、壓實(shí)密度，以及壩高、河谷形狀系數(shù)等直接相關(guān)，堆石體的變形控制需綜合考慮上述相關(guān)因素；（2）高混凝土面板壩設(shè)計(jì)、施工應(yīng)通過(guò)選擇低壓縮性、級(jí)配良好的筑壩堆石材料和嚴(yán)格控制碾壓密實(shí)度以減小壩體變形總量值；（3）高混凝土面板壩的設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)合理的材料分區(qū)，實(shí)現(xiàn)壩體不同部位、區(qū)域的變形協(xié)調(diào)；（4）高混凝土面板壩的施工應(yīng)通過(guò)填筑工序的調(diào)整，為上游堆石區(qū)提供充足的變形穩(wěn)定時(shí)間。

在變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)理念中，堆石體變形總量的控制是基礎(chǔ)，在此之上則是分區(qū)變形的綜合協(xié)調(diào)。它主要包含了以下幾個(gè)方面。

（1）壩體上、下游堆石區(qū)的變形協(xié)調(diào)。對(duì)于混凝土面板堆石壩，壩體上游堆石和下游堆石將協(xié)同承擔(dān)蓄水期對(duì)面板的支撐作用。對(duì)于高壩，下游堆石區(qū)的變形對(duì)上游堆石區(qū)和混凝土面板有著顯著的牽制作用。上、下游堆石區(qū)變形的不協(xié)調(diào)，將直接導(dǎo)致壩頂水平位移的增大和混凝土面板順坡向拉應(yīng)力的增加，進(jìn)而產(chǎn)生面板水平向裂縫。因此，在高面板壩的設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)采取工程措施避免上、下游堆石區(qū)模量的較大差異，以協(xié)調(diào)上、下游區(qū)域的變形。

（2）岸坡區(qū)堆石與河床區(qū)堆石的變形協(xié)調(diào)。對(duì)于修建于V形河谷或狹窄河谷中的高混凝土面板堆石壩，岸坡區(qū)堆石與河谷中心部位堆石區(qū)的變形將由于岸坡的約束作用而存在一定的差異，過(guò)大的差異變形將在岸坡段形成較大的沉降變形梯度，進(jìn)而導(dǎo)致上游墊層區(qū)和混凝土面板的斜向裂縫。因此，對(duì)于狹窄河谷或V形河谷中的高混凝土面板堆石壩，一方面要通過(guò)降低壩體堆石整體變形量以減小河谷與岸坡段堆石的變形差，另一方面要在岸坡一定范圍內(nèi)設(shè)置高模量低壓縮區(qū)，以減小岸坡段堆石體的沉降變形梯度，從而實(shí)現(xiàn)岸坡區(qū)堆石與河床區(qū)堆石的變形協(xié)調(diào)。

（3）混凝土面板與上游堆石的變形協(xié)調(diào)。相對(duì)于散粒體的堆石而言，混凝土面板是一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)物。在壩體自重和水荷載的作用下，面板與堆石體之間產(chǎn)生摩擦接觸，并通過(guò)這種摩擦接觸實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力的傳遞。由于混凝土材料與堆石材料性質(zhì)相差懸殊，其接觸面之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)與脫開(kāi)，這就是面板與堆石間非連續(xù)變形造成的變形不協(xié)調(diào)所致，而這種變形不協(xié)調(diào)將導(dǎo)致面板應(yīng)力狀態(tài)的惡化。因此，在設(shè)計(jì)和施工中，一方面要通過(guò)工程措施減小和降低堆石體對(duì)面板的約束作用，另一方面要通過(guò)適當(dāng)?shù)亩咽钪弑苊饣炷撩姘迮c堆石體之間的脫空。

（4）上部堆石與下部堆石的變形協(xié)調(diào)。對(duì)于高混凝土面板堆石壩，堆石材料的流變變形將成為影響壩體和面板應(yīng)力變形特性的一個(gè)重要因素。從計(jì)算分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由于變形的傳遞作用，壩體上部堆石受流變變形的影響相對(duì)較大。因此，在變形控制中還應(yīng)考慮其竣工后長(zhǎng)期變形條件下下部堆石體與上部堆石體變形的協(xié)調(diào)。工程中可采取延伸主堆石區(qū)至壩頂或在壩頂部設(shè)置高模量區(qū)的方式以協(xié)調(diào)上、下部壩體堆石的變形。

（5）堆石變形時(shí)序的協(xié)調(diào)。從堆石材料的變形特征看，堆石在荷載作用下的變形是一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程。堆石體沉降完成的程度與堆石碾壓后的初始孔隙率、堆石塊體的抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)、下伏堆石體的厚度和特性、上覆堆石壓重（厚度）等有關(guān)。不同區(qū)域堆石填筑順序的變化將有可能造成區(qū)域堆石體變形時(shí)序的不協(xié)調(diào)，從而對(duì)壩體和面板的應(yīng)力變形性態(tài)產(chǎn)生不利影響。因此，綜合變形協(xié)調(diào)的另一個(gè)重要方面是通過(guò)合理布置和調(diào)整堆石填筑順序、設(shè)置堆石體預(yù)沉降時(shí)間，以協(xié)調(diào)壩體各區(qū)域變形穩(wěn)定時(shí)間的差異，從而改善混凝土面板的應(yīng)力狀態(tài)。

4.3 混凝土面板擠壓破壞機(jī)理分析在21世紀(jì)之初，國(guó)內(nèi)外相繼建成了一批200 m級(jí)高混凝土面板堆石壩工程。這些工程在投入蓄水運(yùn)行后，有數(shù)座大壩均出現(xiàn)了河床段面板頂部沿面板縱縫發(fā)生擠壓破壞的問(wèn)題［28］。從這些工程面板擠壓破壞的現(xiàn)象看，盡管各工程的壩高、河谷形狀以及筑壩材料不盡相同，但其面板的破壞形式表現(xiàn)出值得關(guān)注的一致性，可見(jiàn)其現(xiàn)象背后必定存在著共性問(wèn)題?？偨Y(jié)這些面板擠壓破壞現(xiàn)象，其共有的特征包括：（1）面板的擠壓破壞均發(fā)生在河谷部位的面板壓性縱縫區(qū)；（2）面板的擠壓破壞均發(fā)生在壩頂部位；（3）面板的擠壓破壞均發(fā)生在縱縫兩側(cè)附近一個(gè)相對(duì)較窄的寬度之內(nèi)；（4）面板的擠壓破壞均發(fā)生或首先發(fā)生在面板的表層。

混凝土面板是堆石體上的薄板結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力變形性狀直接取決于下臥堆石體的變形特性。在壩軸線方向，由于兩岸堆石體發(fā)生指向河谷中心向的位移，從而導(dǎo)致河床中部的面板將產(chǎn)生沿壩軸線方向的擠壓，這是人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的規(guī)律。但是，根據(jù)混凝土試驗(yàn)成果，在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土的極限壓應(yīng)變一般可達(dá)3000微應(yīng)變量級(jí)。而對(duì)于高面板堆石壩，根據(jù)實(shí)測(cè)或有限元計(jì)算的面板軸向最大擠壓應(yīng)變一般處于400～1000微應(yīng)變量級(jí)，因此即使考慮面板頂部相對(duì)不利的受力條件，面板沿壩軸向的抗壓能力在理論上講應(yīng)該是足夠的。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算分析成果可以發(fā)現(xiàn)，盡管實(shí)際的面板的擠壓破壞發(fā)生在出現(xiàn)最大擠壓應(yīng)力的面板上，但卻并未發(fā)生在計(jì)算指出的最大擠壓應(yīng)力位置。計(jì)算分析和面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)均表明，在水庫(kù)蓄水的情況下，面板沿壩軸線方向的最大壓應(yīng)力位于河床段面板的中部，而并非靠近壩頂?shù)奈恢谩?/p>

4.3.1 面板擠壓破壞的機(jī)理分析 面板堆石壩在蓄水以后，由于庫(kù)水壓力的作用，壩體上游側(cè)堆石體產(chǎn)生豎直向下和向下游的位移，使蓄水期混凝土面板呈現(xiàn)出向壩內(nèi)凹陷的變形趨勢(shì)，從而導(dǎo)致面板沿壩軸線方向向河谷中心位移。對(duì)于這一變形趨勢(shì)，孔憲京等［29］通過(guò)計(jì)算分析得出，蓄水期面板壩軸向高壓應(yīng)力區(qū)主要分布在河谷中央豎縫兩側(cè)面板之間。

堆石體在自重作用下將產(chǎn)生沉降位移和水平位移，蓄水以后，壩體上游面在水壓力的作用下向下游位移，壩頂部整體產(chǎn)生向下游側(cè)的位移趨勢(shì)。在堆石自重和水荷載的共同作用下，壩頂?shù)淖冃涡问綖橐粋€(gè)向下游位移的彎曲曲線（見(jiàn)圖1），由于岸坡的約束作用，河谷中心處向下游的位移最大。從壩體沿壩軸線方向的變形看，由于岸坡地形的作用，河床兩側(cè)岸坡處的堆石體向河谷中心方向位移，左、右兩岸堆石體的位移方向相反，在河床某一部位位移為零（見(jiàn)圖2）。這種由岸坡向河谷中心的位移不僅取決于岸坡地形的陡緩以及河谷的寬度，壩體的整體沉降變形和沿水流方向的變形趨勢(shì)也與其密切相關(guān)。

由于蓄水期壩體堆石變形形態(tài)的變化，附于其上的混凝土面板也將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變形。從順河向看，面板上部隨堆石向下游變形。從橫河向看，通過(guò)面板與堆石之間剪應(yīng)力的傳遞，兩側(cè)岸坡的面板向河谷中心位移。而河床中心部位的面板，由于位移受到限制，由此產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，擠壓應(yīng)力的最大值就位于沿壩軸線方向位移為零的位置。擠壓應(yīng)力的大小，與堆石體的變形量直接相關(guān)，而是否發(fā)生擠壓破壞，則取決于擠壓應(yīng)力的數(shù)值和混凝土的抗壓能力。

圖1 蓄水期面板頂部順河向位移趨勢(shì)（指向下游為正）

圖2 蓄水期面板頂部沿壩軸向位移趨勢(shì)（指向右岸為正）

由上述分析可見(jiàn)，面板堆石壩混凝土面板蓄水期發(fā)生擠壓破壞的宏觀原因是堆石的變形。偏大的堆石體變形量值，將導(dǎo)致岸坡面板向河谷中心位移量值的增大，同時(shí)，壩頂向下游側(cè)位移的增加，將導(dǎo)致河谷中央面板變形形態(tài)的變化和面板局部的應(yīng)力集中。

為深入研究蓄水期混凝土面板的變形形式和應(yīng)力狀態(tài)，中國(guó)水科院采用精細(xì)化計(jì)算方法對(duì)一個(gè)典型的面板堆石壩進(jìn)行了蓄水期的應(yīng)力變形計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)混凝土面板厚度方向單元的進(jìn)一步劃分，可以得出面板應(yīng)力沿厚度方向的變化趨勢(shì)。從計(jì)算結(jié)果可知，在水庫(kù)蓄水的情況下，河谷中央的混凝土面板沿壩軸線方向呈彎曲變形趨勢(shì)，盡管河谷中央的面板頂部整體上呈受壓狀態(tài)，但面板表層的壓縮變形與底部的壓縮變形在面板厚度方向存在差異，在整體彎曲變形的趨勢(shì)下，面板底部存在向兩側(cè)拉開(kāi)的趨勢(shì)。面板頂部與面板底部的壓應(yīng)力存在較為明顯的梯度變化，面板底部壓應(yīng)力減小，面板頂部壓應(yīng)力增大。

周墨臻等［25］也通過(guò)對(duì)混凝土面板單獨(dú)細(xì)劃網(wǎng)格的方式分析了蓄水期面板的受力狀態(tài)，圖3所示為面板頂部順河向彎曲變形的示意。由于混凝土面板沿壩軸線方向是分塊的，為了適應(yīng)該彎曲變形曲線，面板在發(fā)生平行移動(dòng)的同時(shí)，還將發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖3可見(jiàn)，由于面板具有一定的厚度，當(dāng)面板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生在面板上表面處局部接觸而下部脫開(kāi)的情況，并從而導(dǎo)致在縱縫兩側(cè)面板的上表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓作用，這種接觸擠壓可以稱之為轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓。

根據(jù)對(duì)實(shí)際工程面板發(fā)生擠壓破壞現(xiàn)象的觀察，破損處的面板底部未必一定發(fā)生分離，但這種轉(zhuǎn)動(dòng)位移的趨勢(shì)無(wú)疑是存在的。蓄水期面板沿縱縫位置的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸擠壓效應(yīng)反映了分塊混凝土面板與堆石體變形相互作用的結(jié)果。當(dāng)不考慮面板的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，而僅僅由于面板沿壩軸線方向的位移而產(chǎn)生的接觸擠壓可以稱之為位移擠壓，位移擠壓主要與面板沿壩軸向位移相關(guān)。其大小主要取決于壩體在壩軸向相向位移的量值（如圖2所示）。當(dāng)面板隨壩體堆石發(fā)生順河向位移時(shí)，面板沿縱縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，接縫處面板表面將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，面板的轉(zhuǎn)動(dòng)位移主要與面板頂部順河向位移量值相關(guān)（如圖1所示）。因此，面板縱縫處存在的接觸擠壓效應(yīng)是造成面板擠壓破壞的直接原因。接觸擠壓效應(yīng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓和位移擠壓兩個(gè)方面的作用，前者主要取決于面板順河向彎曲變形的發(fā)展，后者則主要和壩體在壩軸向的水平位移相關(guān)，而這兩方面的位移均與堆石體的總體位移直接相關(guān)。因此，造成面板擠壓破壞的宏觀因素是堆石體過(guò)大的變形量值。

圖3 面板變形特性示意圖［23］

4.3.2 避免面板擠壓破壞的工程措施 基于對(duì)面板擠壓破壞機(jī)理的分析，為避免面板壩面板擠壓破壞而采取的工程措施應(yīng)該綜合考慮堆石變形和接觸擠壓兩方面的因素。孔憲京等［30］根據(jù)數(shù)值計(jì)算分析，驗(yàn)證了在面板受壓區(qū)縱縫填充低壓縮模量材料的方法。徐澤平等［28］通過(guò)總結(jié)已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合針對(duì)面板擠壓破壞機(jī)理的分析，提出了針對(duì)面板擠壓破壞的綜合工程措施：（1）改善堆石的材料特性，提高堆石的壓實(shí)狀況（控制壩體變形的總體量值）；（2）進(jìn)一步優(yōu)化壩體的斷面分區(qū)（實(shí)現(xiàn)壩體變形協(xié)調(diào)）；（3）合理控制壩體的填筑施工步驟和面板澆筑時(shí)機(jī)（協(xié)調(diào)堆石體與面板的變形，改善面板應(yīng)力狀態(tài)）；（4）優(yōu)化面板縱縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)采用縫間柔性填料（提高面板抗擠壓能力）；（5）嚴(yán)格控制面板混凝土澆筑質(zhì)量（提高面板抗擠壓能力）。

5 結(jié)論與展望

中國(guó)的混凝土面板堆石壩歷經(jīng)30年的發(fā)展，在筑壩關(guān)鍵技術(shù)方面取得了令世界矚目的巨大成就，混凝土面板堆石壩在數(shù)量、壩高、工程規(guī)模和技術(shù)難度等方面均居世界前列?？偨Y(jié)中國(guó)混凝土面板堆石壩技術(shù)的發(fā)展之路，最重要的經(jīng)驗(yàn)就在于對(duì)基礎(chǔ)科研的重視，同時(shí)結(jié)合具體工程實(shí)踐開(kāi)展有針對(duì)性的聯(lián)合攻關(guān)。從30多年前的第一座混凝土面板堆石壩的實(shí)踐，到世界上最高混凝土面板堆石壩的成功建設(shè)，中國(guó)經(jīng)歷了從引進(jìn)技術(shù)，到消化吸收，直至自主創(chuàng)新的發(fā)展階段。目前，傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)方法”正在逐步被基于科學(xué)試驗(yàn)和計(jì)算分析的“經(jīng)驗(yàn)+理論方法”所替代，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程師的判斷以作出科學(xué)的決策。

理論分析與工程實(shí)踐均表明，混凝土面板堆石壩技術(shù)的核心在于壩體的變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)，基于中國(guó)面板堆石壩工程實(shí)踐所凝練而成的變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)理念正確反映了混凝土面板堆石壩安全建設(shè)實(shí)質(zhì)，是混凝土面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)的首要問(wèn)題。

混凝土面板堆石壩變形控制與綜合變形協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)在于對(duì)大壩應(yīng)力變形特性的把握，這將依賴于對(duì)筑壩堆石材料工程特性的正確認(rèn)知和計(jì)算分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前，工程界對(duì)于堆石材料特性和大壩數(shù)值分析技術(shù)的研究日益深入，但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，相關(guān)的研究工作仍滯后于工程建設(shè)需求。未來(lái)在材料本構(gòu)關(guān)系、顆粒破碎特性、材料特性的時(shí)效變化規(guī)律、堆石流變分析模型、材料真實(shí)參數(shù)確定以及大規(guī)模精細(xì)化仿真分析方法等方面的研究仍需要進(jìn)一步深入。

混凝土面板堆石壩壩體滲流安全是關(guān)系大壩整體安全性的重要環(huán)節(jié)，也是面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)的重要問(wèn)題。與傳統(tǒng)方法不同，新的設(shè)計(jì)理念重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)綜合發(fā)揮壩體各材料分區(qū)的功能，通過(guò)各分區(qū)滲透系數(shù)及關(guān)鍵粒組級(jí)配的配合，形成相互保護(hù)的綜合防滲體系。面板堆石壩綜合防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則應(yīng)是考慮在混凝土面板完全失效情況下，堆石體不發(fā)生導(dǎo)致大壩潰決的滲透破壞。