2.3 筑坝材料流变、湿化变形特性及计算方法
2.3.1 坝料湿化变形特性及计算方法
堆石体湿化变形的机理是，堆石体在一定应力状态下浸水，其颗粒之间被水润滑、颗粒矿物发生浸水软化，而使颗粒发生相互滑移、破碎和重新排列，从而导致体积缩小的现象。水库蓄水过程中，尽管水对心墙坝上游坝壳有浮力作用，但大坝变形观测资料表明，在蓄水过程中上游坝壳在浮力的作用下并未发生上抬现象，而是出现了下沉。这是由于湿化变形的存在，不仅抵消了因浮力作用而产生的上抬变形，而且出现了不同程度的下沉现象。
在糯扎渡水电站心墙堆石坝工程中，采用单线法浸水变形试验研究了角砾岩、花岗岩和泥质砂岩3种坝壳料在不同应力状态下的浸水湿化变形特性。试验研究结果显示，堆石料的湿化变形与浸水前所处的应力状态以及堆石料本身的特性有关。相对泥质砂岩而言，角砾岩和花岗岩颗粒强度高，浸水不易软化，颗粒破碎量较小，所以浸水后湿化变形量较小。角砾岩和花岗岩相比，其强度稍高一些，故其浸水后的湿化变形量也略小一些。但不同堆石料在不同应力状态下浸水所表现出的湿化变形规律是一致的，可归结为以下几点：
（1）当试样浸水前处于低围压和低应力水平状态时，湿化变形主要表现为体积收缩。当试样浸水前处于低围压和高应力水平状态时，湿化变形主要表现为沉陷及侧向膨胀现象。
（2）不同应力水平下的湿化变形试验结果显示，浸水前围压较低时，湿化体应变随应力水平的增加而减小，浸水前围压较高时，湿化体应变随应力水平的增加而增加，表明在低围压下试样的剪胀是明显的。
（3）坝料浸水引起的体应变包括两部分，一部分是围压σ3引起的增量，另外一部分是偏应力q引起的增量，前者随围压的增加而增加，后者与围压有关，引起的体应变可能增加也可能减小。
（4）浸水变形引起的广义剪应变与围压σ3关系不大，主要与应力水平有关，随着应力水平的增加而增加。
国外学者在20世纪70年代初便研究土石坝湿化变形的计算方法。在国内，湿化变形的研究起步于“七五”期间，主要结合小浪底斜墙堆石坝进行。经过多年的研究，提出过多种湿化变形计算模型与方法，主要有：殷宗泽的基于双线法的增量初应力法，李广信的割线模型与弹塑性模型，沈珠江的基于单线法的湿化模型以及在此基础上的改进模型。根据糯扎渡水电站心墙堆石坝上游坝壳料湿化变形试验揭示的规律，建议的堆石体湿化变形计算数学模型为：
式中 cw、dw、nw、bw——模型参数；
Sl——应力水平；
σ3d——随着应力水平的增加湿化体积应变减少或增长的围压分界值。
2.3.2 坝料流变变形特性及计算方法
土体发生流变的根本原因是由于土体在主固结完成之后，土体中仍有微小的超静孔隙水压力存在，驱使水在颗粒间流动，即所谓的次固结现象。
堆石体与土体的粒径、粒间接触形式以及颗粒组成不同，它们发生流变的机理也不同。堆石体由于排水自由，不存在固结现象。从机理上说，在荷载作用下堆石体内石块的破碎对堆石体的流变过程有非常大的影响，这种影响在堆石流变的初期阶段尤为明显，虽然这种影响难以通过微观分析进行定量研究，但并不妨碍人们对堆石体的流变进行宏观上的把握。堆石体的流变在宏观上表现为：高接触应力—颗粒破碎和颗粒重新排列—应力释放、调整和转移的循环过程。在这种反复过程中，堆石体体变的增量逐渐减小最后趋于相对静止。
为了揭示坝料的流变特性，在糯扎渡水电站心墙堆石坝工程中，采用大型高压三轴仪对筑坝材料进行了流变试验，研究了角砾岩、花岗岩、泥质砂岩和心墙含砾土(掺砾35%)在不同应力状态下的流变性状。试验结果表明，坝料流变与自身性质有关，心墙土流变较堆石料大，颗粒强度低的堆石料流变较颗粒强度高的堆石料大，饱和堆石料的流变较风干堆石料的流变大。虽然不同坝料的流变量有所差别，但各种坝料在不同应力状态下表现出来的流变性状基本是相同的，根据流变试验结果，可以得到以下几条规律：
（1）在较低围压下，坝料的体积流变量较小，而在高围压下坝料的体积流变量则有较为明显的增加。
（2）坝料的体积流变不仅与围压有关，而且与剪应力（应力水平）有明显关系。坝料的剪切流变主要与剪应力（应力水平）有关，围压的影响相对较小。
（3）在高围压下，坝料的体积流变明显高于剪切流变。在低围压下，当应力水平较低时，坝料的流变仍以体积流变为主，但随着应力水平的升高，剪切流变量将超过体积流变量。
（4）不同应力水平下的流变试验结果显示，当围压较低时，体积应变随应力水平的增加而减小。当围压较高时，体积应变随应力水平的增加而增加。
在土石坝应力变形计算中考虑流变的工作近年来逐渐受到重视，流变模型的确定通常有两个途径：①借鉴土体的流变理论建立模型；②根据流变试验揭示的流变特性，采用经验模型。目前，应用较多的是采用基于应力-应变速率的经验函数型流变模型，主要有双曲函数模型和指数衰减型模型等。双曲函数和指数函数都可以较好地拟合试验的流变曲线，在围压较低时双曲函数能更好地描述堆石体的ε-t关系，但在高围压状态下采用双曲线拟合，则使其后期变形的发展过于平缓，过早地到达终值εf。鉴于糯扎渡水电站心墙堆石坝坝高达到260m，坝体大都处于高应力状态，坝料流变衰减曲线选用指数函数（沈珠江三参数和七参数流变变形计算模型）更合适些。