趙二峰，顧沖時

(河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室, 江蘇 南京 210098)

碾壓混凝土壩將常態(tài)混凝土壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和碾壓土石壩的施工工藝相結(jié)合，集合了混凝土壩體積小、強(qiáng)度高和土石壩施工快速的優(yōu)點(diǎn)，其投資省、機(jī)械化程度高、適應(yīng)性強(qiáng)，備受壩工界青睞。1980年，日本建成了世界第一座碾壓混凝土壩——89 m高的島地川壩(Shimajigawa)。我國從1978年開始研究碾壓混凝土筑壩技術(shù)，1986年建成了國內(nèi)第一座碾壓混凝土壩——56.8m高的坑口壩，前后經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代初的探索期、20世紀(jì)90年代的過渡期和成熟期，發(fā)展到當(dāng)前的創(chuàng)新領(lǐng)先期，據(jù)不完全統(tǒng)計[1]，我國已建設(shè)了300余座碾壓混凝土壩。隨著這些工程的建設(shè)，我國碾壓混凝土筑壩在建壩數(shù)量、壩型以及成套施工技術(shù)水平上均處于國際領(lǐng)先地位。目前，世界上已建最高碾壓混凝土壩是我國的龍灘大壩，壩高216.5 m，巴基斯坦在建的Diamer-Bhasha壩272 m，建成后將成為最高的碾壓混凝土壩。

然而，國內(nèi)外已建碾壓混凝土壩施工過程中，由于碾壓混凝土原材料和混凝土配合比不當(dāng)，以及混凝土攤鋪、澆筑、分縫、分層碾壓和模板工程等施工工藝粗放，工程質(zhì)量問題和事故時有發(fā)生；也有碾壓混凝土壩建成后，因透水率大、芯樣獲得率低、層間結(jié)合抗剪性能差、蓄水后大壩嚴(yán)重滲漏等問題，不得不進(jìn)行大量的灌漿和壩面防滲處理，給工程效益正常發(fā)揮帶來重大損失[2]。例如在已運(yùn)行的碾壓混凝土壩中，美國Willow Creek與Dworshak、加拿大Revelstoke和我國水東、觀音閣等，因碾壓層間結(jié)合施工質(zhì)量差，相繼出現(xiàn)裂縫、滲漏等，給大壩健康服役帶來嚴(yán)重危害。以往研究注重于碾壓混凝土材料試驗和筑壩技術(shù)等，對碾壓混凝土壩結(jié)構(gòu)和滲流性態(tài)演變規(guī)律往往以經(jīng)驗判斷為主，缺乏理論指導(dǎo)。同時，對碾壓混凝土壩服役性態(tài)診斷主要憑借監(jiān)測資料，無法及時發(fā)現(xiàn)工程險情。本文在闡述碾壓混凝土壩安全狀況的基礎(chǔ)上，綜合論述碾壓混凝土壩安全服役關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，對亟待開展的研究提出一些建議。

1 碾壓混凝土壩安全狀況

碾壓混凝土作為主要筑壩材料，壩體逐層碾壓鋪筑的施工特點(diǎn)導(dǎo)致壩身出現(xiàn)大量的施工層面，層面施工質(zhì)量決定了其力學(xué)特性，勢必影響到大壩整體穩(wěn)定性和防滲效果。近年來，采用碾壓混凝土筑壩技術(shù)的國家日益增多，但這些工程往往存在碾壓層面、異種碾壓混凝土間以及建基面膠結(jié)處等結(jié)合不良現(xiàn)象，而且層間縫和裂縫滲水對工程質(zhì)量影響甚大。美國Galesville壩和Upper Stillwater壩在鉆孔取樣后，發(fā)現(xiàn)許多芯樣在鋪筑層底部1/3～1/4高度內(nèi)出現(xiàn)微小孔隙，在我國部分碾壓混凝土壩取樣中也發(fā)現(xiàn)類似情況。下面具體分析碾壓混凝土壩存在的突出問題。

a.碾壓層面結(jié)合問題。以往通用的干硬性混凝土常因澆筑層面缺乏泛漿導(dǎo)致層間結(jié)合不良，盡管現(xiàn)今采用的亞塑性混凝土泛漿性能好、易于壓實，提高了層面的抗剪斷和抗?jié)B性能，但通倉薄層碾壓形成的層面仍是產(chǎn)生裂縫和滲漏的薄弱部位。例如，在工程現(xiàn)場鉆取的芯樣中，有的芯樣斷口多、氣孔多、骨料架空、層縫面黏結(jié)不良、壓水試驗透水率大等，個別工程透水率超出了設(shè)計要求的1 Lu，導(dǎo)致壩體滲漏嚴(yán)重。我國部分工程芯樣的極限拉伸值較低，達(dá)不到設(shè)計要求。據(jù)龍灘和光照兩座大壩芯樣抗剪強(qiáng)度及原位抗剪斷試驗結(jié)果，表明雖然其摩擦因數(shù)f′、黏聚力c′要高于設(shè)計指標(biāo)，但層間抗剪強(qiáng)度要低得多。與此同時，干濕度VC值過大、不能及時入倉碾壓、骨料分離未處理、保溫保濕不達(dá)標(biāo)等均影響了碾壓層間結(jié)合質(zhì)量，也使得壩體滲透各向異性比超過了1個甚至2個數(shù)量級。

b.碾壓密實度和均勻性問題。碾壓混凝土密度與所用骨料的密度關(guān)系很大，同時也與混凝土的振動碾壓密實度有關(guān)。圖1(a)為實際密度與充分密實的密度比值和實際混凝土抗壓強(qiáng)度與密實混凝土強(qiáng)度比值之間的關(guān)系[3]，三級配碾壓混凝土骨料最大粒徑為80 mm，而廣西百色工程壩體碾壓混凝土骨料最大粒徑為60 mm，粗骨料最大粒徑技術(shù)增強(qiáng)了骨料抗分離性，可碾性好、液化泛漿快，使得層間結(jié)合緊密，提高了層間抗裂性能，但骨料集中部位膠結(jié)效果差的現(xiàn)象仍不可避免。不同水膠比(體積比)的碾壓混凝土抗剪斷特性[3]分別如圖1(b)和圖1(c)所示，圖中Cf為粉煤灰摻量，抗壓和軸拉強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小。盡管富漿、低VC值的碾壓混凝土能夠提高壩體自身防滲能力，但是振動碾只能在表面振動碾壓，對富漿凝膠體碾壓混凝土液化泛漿、層間結(jié)合的影響尚待研究。

圖1 碾壓混凝土力學(xué)性能與材料配合比之間的關(guān)系

c.溫控防裂問題。碾壓混凝土壩大多在低溫季節(jié)澆筑混凝土，尤其是基礎(chǔ)約束部位，而在次高溫季節(jié)僅澆筑壩體中高高程混凝土，高溫季節(jié)則停澆。同時，次高溫季節(jié)施工常輔以倉面噴霧、保濕等，一般沒有混凝土預(yù)冷或水管冷卻措施。此外，早期工程有的既不設(shè)縱縫也不設(shè)橫縫，設(shè)橫縫時，間距超過60 m，但這些大壩不同程度地產(chǎn)生了表面裂縫、水平裂縫和上游壩面劈頭縫等。隨著碾壓混凝土壩的規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前通常按20 ～ 40 m間距設(shè)置橫縫，碾壓混凝土發(fā)熱較慢，澆筑層面散發(fā)的熱量大大增加了散熱時間，使得溫控成為制約快速施工的技術(shù)難題。尤其對于200 m級高壩工程，需要在高溫多雨環(huán)境下全年施工，應(yīng)采取不同施工條件、氣候和環(huán)境溫度下的合適的溫控措施，防止或減少裂縫發(fā)生。

d.耐久性問題。世界已建和在建碾壓混凝土壩的平均水泥用量約為81.5 kg/m3，膠凝材料平均用量約為139.42 kg/m3，摻和材料的平均摻量約為41.54%。中國、日本、美國和西班牙采用的碾壓混凝土平均水泥用量在75～85 kg/m3的范圍內(nèi)，膠凝材料用量的差異主要體現(xiàn)在粉煤灰等活性摻合料用量不同。我國碾壓混凝土配合比設(shè)計一直按照高摻、中等膠凝材料用量發(fā)展，其中變態(tài)混凝土也屬于創(chuàng)新工藝。運(yùn)行最久的島地川壩迄今已40余年，尚未因材料老化、荷載產(chǎn)生累積損傷等導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)性能衰減而出現(xiàn)不可接受的失效概率。但隨著工程服役年限增長，荷載、環(huán)境和材料內(nèi)部因素等產(chǎn)生的局部損傷積累到一定程度，必然影響到大壩結(jié)構(gòu)保證正常功能的能力及其使用壽命。

2 碾壓混凝土壩層面力學(xué)行為分析

相對其他壩型，碾壓混凝土壩筑壩歷時較短，常規(guī)混凝土壩安全服役評估、監(jiān)控與預(yù)警理論和技術(shù)，無法綜合反映碾壓層面性能變化和作用響應(yīng)，難以完全與實際情況相吻合。從施工過程和運(yùn)行情況來看，需考慮碾壓層面對大壩服役性態(tài)的影響，否則必然降低分析理論和技術(shù)的有效性，輕者不能客觀反映大壩真實服役性態(tài)，誤導(dǎo)運(yùn)行管理單位對工程服役性態(tài)的客觀評估和安全控制，重者可能帶來災(zāi)難性事故。國內(nèi)外在碾壓混凝土壩層面力學(xué)行為分析方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析如下。

a.結(jié)合性能。碾壓混凝土壩層面數(shù)量眾多，層面結(jié)合區(qū)碾壓混凝土軸拉強(qiáng)度及拉伸應(yīng)變能力等力學(xué)性能較本體明顯偏低，層間結(jié)合好壞決定了層面的力學(xué)特性，往往易成為碾壓混凝土壩防滲和抗滑穩(wěn)定的薄弱部位。電鏡測試得到不同層間間隔時間下的層面水化產(chǎn)物形貌如圖2和圖3所示[4]，層間間隔0 h的層面水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)密實，骨料與水化產(chǎn)物的結(jié)合十分緊密；隨著間隔時間增大，層面水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松多孔，微小孔隙增大、微裂紋增多，部分裂紋逐漸擴(kuò)展，以至有較大孔洞和裂隙出現(xiàn)，同時結(jié)晶程度較高。表明層間間隔越久，越易出現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)形貌，勢必導(dǎo)致層間結(jié)合質(zhì)量較差。對四級配碾壓混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究[5]表明，骨料粒徑和骨料表面自由水含量對混凝土力學(xué)性能有著顯著影響。因此，需要在下層混凝土初凝前攤鋪壓實上層混凝土以及采用層面噴毛鋪砂漿或水泥漿處理冷縫。通常采用VC值評定碾壓混凝土施工質(zhì)量，劉東海等[6-7]試驗研究了不同VC值下碾壓參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)和壓實質(zhì)量的單位壓實能量指數(shù)評價方法，邢岳等[8]融合人工智能技術(shù)研發(fā)了基于Auto CAD/Open GL的層面壓實可視化饋控系統(tǒng)，屈嘉程等[9-10]分別利用瑞雷波速和常規(guī)硬X射線檢測了碾壓熱層壓實度，進(jìn)行了碾壓混凝土薄弱區(qū)域壓實質(zhì)量精細(xì)評價。此外，在黃登、百色、觀音巖等碾壓混凝土壩壩體中鉆取芯樣進(jìn)行了大量的密實性、原位抗剪等層間結(jié)合性能檢測，充分反映了碾壓層間結(jié)合性能的提升。也有許多學(xué)者試驗研究了雙膨脹外加劑改善碾壓層間砂漿性能[11]、結(jié)晶添加劑增強(qiáng)二級配碾壓混凝土抗裂性[12]、導(dǎo)電碾壓混凝土用于解決越冬層裂縫[13]以及黏結(jié)劑和引氣劑對碾壓混凝土孔隙率和抗凍性的影響[14]?？梢?，碾壓施工層面結(jié)合性能對大壩整體穩(wěn)定性和防滲效果起著控制性的作用，層面結(jié)合性能較差必然危及大壩健康運(yùn)行，尤其是高壩更為明顯。因此，結(jié)合上述研究成果，今后宜重點(diǎn)從材料配合比、層面間隔時間、倉面VC值控制、骨料分離和集聚、施工倉面降溫保溫、初凝層面處理等方面提出層面結(jié)合性能改善措施。

圖2 放大1 000倍的碾壓混凝土層面水化物形貌

圖3 放大5 000倍的碾壓混凝土層面水化物形貌

b.力學(xué)特性。主要體現(xiàn)在不同層間間歇時間對碾壓質(zhì)量的影響、層面斷裂和本構(gòu)關(guān)系的理論研究，以及層面在不同處理方式下的抗剪、抗拉性能等方面。由于碾壓混凝土壩是分層碾壓而成的，層面附近極易發(fā)生粗骨料分離現(xiàn)象，從而形成大量水平層間縫。在層間斷裂方面，沈英等[15]考慮碾壓層面非均布應(yīng)力與應(yīng)力-位移軟化效應(yīng)，提出了碾壓混凝土直剪試驗與有限元計算相結(jié)合的剪切斷裂模型；彭一江等[16]用隨機(jī)骨料模型替代碾壓混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，模擬了試件的細(xì)觀損傷開裂過程。在層面抗剪、抗拉性能方面，林長農(nóng)等[17]研究了龍灘碾壓層本體及層面的抗剪及抗拉性能，建立了碾壓層抗壓強(qiáng)度、層面軸拉強(qiáng)度與其極限拉伸值的關(guān)系；王懷亮等[18]通過多軸應(yīng)力作用下層面抗剪強(qiáng)度試驗，揭示了層面力學(xué)脆性特征；張艷紅等[19]研究了武都碾壓混凝土重力壩在不同初始靜載下的混凝土動態(tài)彎拉特性和破壞特征；還有學(xué)者試驗研究了全級配碾壓混凝土動態(tài)拉伸特性、不同粉煤灰摻量的碾壓混凝土在凍融環(huán)境下的抗剪斷特性、不同齡期下的碾壓混凝土有效裂縫長度和斷裂韌度。申嘉榮等[20]建立了膠凝材料、粉煤灰、水膠比以及層面施工、現(xiàn)場氣候條件等因素與層間抗剪強(qiáng)度的非線性預(yù)測模型；李明超等[21]利用常態(tài)-碾壓混凝土復(fù)合試件細(xì)觀數(shù)值模型，建立了聯(lián)合筑壩材料的剪切破壞準(zhǔn)則。對于含層面碾壓混凝土的本構(gòu)關(guān)系及其破壞準(zhǔn)則理論的研究，通常將其按均質(zhì)各向同性且含軟弱夾層的層狀結(jié)構(gòu)處理，具有代表性的有等參數(shù)流變模型、正交各向異性本構(gòu)模型、內(nèi)時損傷本構(gòu)模型、各向異性徐變損傷本構(gòu)模型和彈-黏塑性動態(tài)剪切本構(gòu)模型等。此外，張社榮等[22-23]測定了碾壓混凝土的動態(tài)壓縮性能，建立了基于Weibull 統(tǒng)計分布的損傷演化本構(gòu)模型。上述研究成果在一定程度上描述了碾壓混凝土層面的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性，但在反映碾壓層實際復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的壓剪、拉剪及其各種組合狀態(tài)和層面抗剪條件影響的剪切強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)模型，以及層面剪切破壞形成機(jī)制和復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的靜動力工作特性等方面，尚存在改進(jìn)的空間。

c.數(shù)值模擬。主要有等效分析法、單獨(dú)考慮層面分析法和成層結(jié)構(gòu)分析法。等效分析法借鑒節(jié)理巖體分析思路，利用等效原理模擬碾壓混凝土壩宏觀上表現(xiàn)出的各向異性特征，包括等效模量法、變形等效法、能量等效法、滲流等效法等。這些方法計算相對簡單，但將層面特征概化到等效體中，忽略了層面特性的影響。劉光廷等[24]根據(jù)等效模量理論提出了均質(zhì)橫觀各向同性體等效連續(xù)模型；王宗敏等[25]根據(jù)變形等效原理，采用無厚度節(jié)理單元模擬了碾壓層面；蘇培芳等[26]采用復(fù)合單元法模擬層面進(jìn)行溫度場仿真分析。碾壓混凝土壩的分層施工特點(diǎn)決定了其具有幾十甚至幾百個碾壓層，顧沖時等[27]建立了施工層面有厚度和無厚度分析模型，剖析了層面影響帶漸變規(guī)律；陳龍[28]指出碾壓混凝土本體內(nèi)的力學(xué)參數(shù)沿層深呈指數(shù)規(guī)律衰減，建立了力學(xué)參數(shù)漸變分析模型和結(jié)構(gòu)等效分析模型；李波[29]建立了碾壓混凝土壩彈性力學(xué)參數(shù)和黏彈性力學(xué)參數(shù)漸變規(guī)律分析模型。此外，對碾壓混凝土層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬時，可以根據(jù)實際碾壓過程，單獨(dú)考慮層面進(jìn)行分析[30]。例如非均勻單元法、薄層單元法、無厚度縫面單元法、虛單元法與浮動網(wǎng)格法結(jié)合等，這些方法能在一定程度上反映層面特性，故比概化層面處理的等效法合理，但其在層面厚度等參數(shù)確定方面比較困難。成層結(jié)構(gòu)分析法是把碾壓混凝土屬性相近的多層合并成一層，上部分層計算，下部把幾個澆筑層合成一體，使原來的一二百層減少到10層左右，利用有限差分法、界面元法或無限差分法將碾壓混凝土壩按成層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，但計算參數(shù)和邊界條件尚難以合理確定?？傮w而言，上述對碾壓層力學(xué)特性模型的研究大多是基于宏觀等效處理開展的，有的專門針對施工層面，有的則概化了層面影響，對碾壓層內(nèi)力學(xué)參數(shù)漸變的模擬也僅是基于黏彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行的[31]，尚無法揭示薄弱層面影響帶的演變規(guī)律。今后可充分考慮層面損傷影響，從非線性黏彈塑性本構(gòu)關(guān)系角度，建立基于變形協(xié)調(diào)的并層等效數(shù)值模擬模型，同時碾壓層內(nèi)的熱力學(xué)和滲流參數(shù)演變的反演計算方法[31]也有待研究。

3 碾壓混凝土壩工作性態(tài)分析

a.變溫對碾壓混凝土壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響。碾壓混凝土通常采用低熱水泥，且水泥用量較常態(tài)混凝土少，水化熱和絕熱溫升相對較低。此外，薄層澆筑、連續(xù)上升的施工方式通常不采取人工二期降溫措施，與常規(guī)混凝土壩相比，壩體最高溫度出現(xiàn)相對較晚，降溫過程也相對更為緩慢，壩體達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場歷時相對要長。馮明琿等[32]模擬了澆筑升程施工過程和蓄水、放水運(yùn)行全過程的溫度應(yīng)力變化；Chen等[33]采用網(wǎng)格重新定位方法仿真模擬了碾壓混凝土壩施工期溫度和溫度應(yīng)力變化過程，降低了計算工作量；Malkawi等[34]根據(jù)碾壓混凝土壩施工期熱力耦合模擬計算成果，提出了溫度裂縫的控制措施；張國新等[35]通過不同壩高的RCC拱壩溫度仿真分析了封拱溫度及對溫度荷載變化的影響；謝祥明等[36-37]研究了高溫氣候地區(qū)碾壓混凝土重力壩壩體溫度裂縫成因和防止措施以及寒冷地區(qū)越冬期表面保溫對碾壓混凝土壩的影響；Kuzmanovic等[38]提出了碾壓混凝土壩非穩(wěn)定溫度階段熱應(yīng)力分析的黏彈性數(shù)值模擬方法；裴亮等[39]建立了碾壓混凝土拱壩施工期壩體最高溫度可靠性功能函數(shù)和可靠度指標(biāo)求解模式；李明超等[40]仿真模擬了碾壓混凝土重力壩控裂結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)縫降低溫度應(yīng)力的效果； Abu-Khashaba等[41]利用縮尺模型試驗研究了粉煤灰在細(xì)化碾壓混凝土孔結(jié)構(gòu)、降低水化熱和溫度荷載的效應(yīng)。在上述溫度仿真模擬和綜合溫控措施下，碾壓混凝土壩防裂效果良好，這對工程安全運(yùn)行和耐久性產(chǎn)生了積極的影響。盡管如此，通常采用的選擇低熱水泥、合理分縫、降低澆筑溫度、表面保溫、內(nèi)部通水冷卻等溫控措施均存在一定局限性，尤其近年來建設(shè)的碾壓混凝土壩仍不時出現(xiàn)溫度裂縫，給大壩健康運(yùn)行留下了隱患。今后應(yīng)根據(jù)材料性能、結(jié)構(gòu)尺寸、氣候條件、鋪筑層厚、澆筑溫度、碾壓升層及間歇方式，結(jié)合倉面降溫散熱措施等，從控制原材料溫度、優(yōu)化配合比、嚴(yán)格控制混凝土澆筑溫度、倉面噴霧保濕和及時覆蓋養(yǎng)護(hù)等方面采取綜合措施，合理安排施工時段，并對碾壓混凝土壩的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)、溫控技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究，盡量減小溫降過程中的溫度梯度和溫差，以降低變溫在碾壓混凝土快速筑壩過程中的不利影響。

b.滲流分析。與常規(guī)混凝土相比，碾壓層面水平向滲透性較強(qiáng)，庫水高滲透壓力作用下，層面有發(fā)生水力劈裂的危險。對于層面滲流，在數(shù)值分析時多采用縫隙流層流“立方定律”來描述。朱岳明等[42]假定碾壓混凝土為具有對稱等效滲透張量的各向異性連續(xù)體，將層面滲流量等效平攤到本體中，采用連續(xù)介質(zhì)滲流理論進(jìn)行分析。楊華全等[43]將離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于數(shù)目不多且對大壩應(yīng)力和穩(wěn)定起關(guān)鍵作用的層面中，而將等效連續(xù)介質(zhì)模型應(yīng)用于非關(guān)鍵層面進(jìn)行滲流模擬計算。與此同時，程正飛等[44]建立了碾壓混凝土壩三維統(tǒng)一模型，采用VOF法進(jìn)行了壩體滲流場數(shù)值模擬；Xie等[45]模擬分析了常規(guī)混凝土、二級配混凝土等不同防滲材料和厚度下的三級配碾壓混凝土壩溫度變化差異性；Li等[46]提出了能在碾壓混凝土壩中形成防滲層的新型自密實混凝土，并試驗研究了這種高流動性抗?jié)B抗裂混凝土的力學(xué)性能。在碾壓混凝土壩服役期間，壩體滲流和應(yīng)力是相互影響的，模擬計算時有必要考慮二者的相互作用，建立聯(lián)合求解壩體滲流場和應(yīng)力場的耦合模型。此外，李明超等[47]利用基于伽遼金法的滲控結(jié)構(gòu)模型，研究了不同厚度的二級配碾壓混凝土和變態(tài)混凝土的影響規(guī)律，以及不同滲控方案下的滲流場形態(tài)變化；程正飛等[48]建立了碾壓混凝土壩滲控結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用粒子群算法與代理模型進(jìn)行了模型求解。針對碾壓混凝土層(縫)間滲漏溶蝕，孔祥芝等[49]采用硝酸銨溶液循環(huán)浸泡加速法進(jìn)行了試驗?zāi)M，圖4為不同溶蝕程度的試件切割面酚酞指示劑顯色變化過程，隨著溶蝕時間增長，代表堿性降低的溶蝕混凝土不變色區(qū)逐漸增大，表明混凝土鈣離子溶出前鋒線逐漸向內(nèi)部延伸，即溶蝕深度逐漸增加，溶蝕降低了縫隙兩側(cè)砂漿的密實度以及增大了孔隙率。上述滲流數(shù)值模擬和試驗研究成果表明，碾壓混凝土壩的滲透性主要取決于層面集中滲漏通道，但層間滲透特性不僅與層面處理有關(guān)，還與層面加載、滲流通道化學(xué)侵蝕等有關(guān)，大壩長期服役的滲流性態(tài)演化機(jī)制尚未完全被揭示，在層面滲流數(shù)值模擬方法、滲流場與應(yīng)力場耦合模型、壩體防滲層及滲控結(jié)構(gòu)優(yōu)化、滲漏溶蝕效應(yīng)剖析等方面仍有待深入研究。

圖4 加速溶蝕作用下混凝土縫面噴酚酞指示劑顯色情況

c.安全監(jiān)控模型。通過布設(shè)完善、先進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)，可以獲得碾壓混凝土壩施工期、蓄水期和運(yùn)行期等各個階段的變形、滲流規(guī)律。利用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時空分析，建立監(jiān)控和預(yù)測模型，有助于評判工程當(dāng)前的工作狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)問題。吳中如等[50]系統(tǒng)地論述了碾壓混凝土壩結(jié)構(gòu)和滲流分析及反分析理論和方法，建立了碾壓混凝土壩層面性態(tài)的正反分析模型、壩體溫度場時空分布模型和考慮層面滲流特性的滲流量監(jiān)控模型，以及可使本體與層面分量分離的混合模型。為反映庫水壓力作用滯后效應(yīng)以及層面滲流特征，顧沖時等[51-52]建立了碾壓混凝土壩滲漏量安全監(jiān)控模型，提出了滲透系數(shù)反演分析的最大熵方法，這些研究成果著重突出了碾壓層面對大壩滲流的影響。在研究碾壓混凝土壩壩體變形變化規(guī)律時，卡爾曼濾波法、擴(kuò)展粗集模型、時空監(jiān)控模型、集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、云模型等也被引入該領(lǐng)域。不僅如此，在利用所建立的監(jiān)控模型進(jìn)行碾壓混凝土壩熱力學(xué)參數(shù)反演分析中，往往需要求解優(yōu)化問題，最小二乘支持向量機(jī)、可變?nèi)莶罘?、混沌遺傳算法、人工魚群算法、支持向量機(jī)等[53-54]數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)均已在實際工程中得到了應(yīng)用，為準(zhǔn)確評價碾壓混凝土壩安全服役性態(tài)提供了技術(shù)支撐。盡管如此，由于碾壓混凝土壩熱力學(xué)和滲流參數(shù)變化的不確定性、邊界條件及壩體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如何充分利用多效應(yīng)量長序列原型監(jiān)測資料，在反映大壩長期服役性能演化的時變監(jiān)控模型構(gòu)建和詮釋結(jié)構(gòu)性態(tài)演變機(jī)理的主要影響因素定量挖掘等方面仍需進(jìn)一步研究。

d.工作性態(tài)評價。碾壓混凝土壩在服役過程中，工作性態(tài)逐漸發(fā)生變化，其安全狀態(tài)一般分為正常、異常、險情三大類，而根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)又可分為彈性、彈塑性和失穩(wěn)破壞3個工作階段。在碾壓混凝土重力壩變形性態(tài)分析方面，主要包括對層面和大壩整體的變形分析，顧沖時等[55]利用建立的碾壓層面的法向、切向本構(gòu)模型進(jìn)行了壩體時效位移有限元模擬計算；Noorzaei等[56]采用彈塑性有限元模型對碾壓混凝土壩結(jié)構(gòu)變形特性進(jìn)行了分析，應(yīng)力重分布的考慮使得計算結(jié)果更加合理；Kartal等[57]研究了動水壓力對碾壓混凝土壩變形的影響，動水壓力作用會使水平位移增大；Arici等[58]比較了二維模型和三維模型對碾壓混凝土壩變形計算結(jié)果影響的適用性。此外，李明超等[59]探究了高碾壓混凝土壩異種材料交界面的應(yīng)力奇異性和變形協(xié)調(diào)機(jī)制；牛景太等[60]利用層面蠕變損傷模型剖析了施工層面變形變化規(guī)律；王少偉等[61]模擬了帶縫碾壓混凝土拱壩的變形場和應(yīng)力場分布規(guī)律；陳健云等[62]揭示了碾壓層不同力學(xué)參數(shù)下的壩體層面失穩(wěn)的臨界滑動面形狀變化規(guī)律；蘇培芳等[63]通過光照碾壓混凝土壩施工期仿真，綜合評價了大壩溫控和滲控效果以及整體安全性；Wang等[64]試驗研究了豐滿新壩碾壓混凝土施工期汛期高速水流的沖蝕磨損特性。還有學(xué)者利用實測數(shù)據(jù)評價了寒旱區(qū)碾壓混凝土壩服役性態(tài)，剖析了一些工程長期運(yùn)行期間異常變形和滲流性態(tài)的成因機(jī)制，以及采用隨機(jī)損傷力學(xué)、非概率方法、響應(yīng)面法等開展了碾壓混凝土重力壩的靜動力可靠度研究。在碾壓混凝土壩地震響應(yīng)方面，壩體結(jié)構(gòu)縫影響、大壩整體動力反應(yīng)、壩肩穩(wěn)定、壩體開裂、水平薄弱層面、失事模式等有限元數(shù)值模擬和振動臺試驗均涌現(xiàn)出豐富的成果[65-70]。碾壓混凝土壩服役期間，監(jiān)控指標(biāo)擬定也是評估和預(yù)測抵御可能發(fā)生荷載能力的重要內(nèi)容。有學(xué)者從碾壓混凝土壩工作狀態(tài)的影響因素開展研究，應(yīng)用集值理論、云模型[71]、區(qū)間數(shù)理論等構(gòu)建了評價因素集，擬定了層面失穩(wěn)判據(jù)，建立了層面性態(tài)綜合評價模型等。上述研究綜合利用模型試驗、數(shù)值模擬和原型監(jiān)測等多種手段從多方面評價了大壩工作性態(tài)，涉及了諸多確定性的和不確定性的因素，尚需利用隨機(jī)理論、模糊數(shù)學(xué)、區(qū)間數(shù)理論等在評價指標(biāo)體系建立、評價指標(biāo)度量、指標(biāo)權(quán)重擬定及評價方法確立等方面結(jié)合工程實踐不斷地完善。

4 研究展望

a.碾壓混凝土材料與結(jié)構(gòu)交互演化機(jī)理。對典型工程現(xiàn)場鉆孔取樣，進(jìn)行多種環(huán)境因素作用下碾壓混凝土力學(xué)特性試驗，研究不同初始靜載、骨料不同初始損傷和骨料強(qiáng)度的空間隨機(jī)分布等對碾壓混凝土破壞機(jī)理的影響，分析材料各組分參數(shù)對拉壓異性、壓硬性、非均勻強(qiáng)化和軟化等宏觀力學(xué)性能的影響，研究碾壓混凝土力學(xué)特性演化的主導(dǎo)因素。在試驗研究基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真技術(shù)建立碾壓混凝土組成與微觀結(jié)構(gòu)的演變模型，剖析骨料-砂漿界面細(xì)觀結(jié)構(gòu)對碾壓混凝土力學(xué)特性的相互影響關(guān)系，發(fā)展由細(xì)觀向宏觀過渡的均勻化方法，引入表征材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和損傷的物理或幾何量，構(gòu)建碾壓混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷與宏觀力學(xué)性能之間的定量關(guān)系；建立碾壓混凝土多相復(fù)合材料的數(shù)值分析模型，模擬結(jié)構(gòu)局部劣化發(fā)生、發(fā)展過程，據(jù)此提出碾壓混凝土力學(xué)特性的時變分析方法，揭示結(jié)構(gòu)性能劣化累積的微觀-細(xì)觀-宏觀力學(xué)規(guī)律。

b.碾壓混凝土壩服役性能劣化機(jī)制。通過建立數(shù)值仿真模型，精細(xì)化模擬力學(xué)要素與多重環(huán)境要素作用下碾壓混凝土壩層間縫擴(kuò)展和演變過程，從損傷擴(kuò)展的能量耗散過程及特征等方面揭示局部損傷演變過程的宏觀規(guī)律和能量耗散機(jī)理；針對碾壓混凝土壩本體和層面滲流差異性，研究大壩滲流性態(tài)演變主要影響因素的提取方法，利用數(shù)值模擬和原型監(jiān)測成果，建立能夠充分反映層面影響的滲流演變混合模型，擬定大壩滲流性態(tài)轉(zhuǎn)異判據(jù)。利用分形理論模擬典型惡劣環(huán)境條件下碾壓層面局部損傷特征，構(gòu)建基于連續(xù)損傷力學(xué)的局部損傷擴(kuò)展演變分析模型，建立結(jié)構(gòu)局部損傷診斷的熵變模型，揭示局部損傷演變的熵變規(guī)律；應(yīng)用災(zāi)變理論，剖析典型惡劣環(huán)境條件下碾壓混凝土壩薄弱層面局部損傷變化特征，考慮碾壓層面-壩體-壩基互饋作用，構(gòu)建基于熵理論的碾壓混凝土壩整體穩(wěn)定性熵災(zāi)變分析模型，揭示典型惡劣環(huán)境條件下碾壓混凝土壩服役性能劣化機(jī)制。

c.碾壓混凝土壩服役性能劣化過程辨識與預(yù)警。通過碾壓混凝土壩服役性能劣化的仿真模擬，著重探究層面滲漏、層間縫、裂縫等病變或破壞過程的典型特征，建立碾壓混凝土壩病變和失事的主要劣化模式，揭示碾壓混凝土壩在單一、多種病變組合狀態(tài)下的累積效應(yīng)和演化規(guī)律；構(gòu)建碾壓混凝土壩服役性能劣化與結(jié)構(gòu)狀態(tài)熵演化的相關(guān)關(guān)系，提出碾壓混凝土壩服役性能劣化的熵融合診斷方法，利用結(jié)構(gòu)狀態(tài)熵和安全信息熵表達(dá)方法擬定大壩穩(wěn)定性轉(zhuǎn)異判據(jù)，提出碾壓混凝土壩病變過程和服役性能劣化的監(jiān)控方法；根據(jù)碾壓混凝土壩劣化過程，構(gòu)建碾壓混凝土壩服役性能預(yù)警指標(biāo)體系，研究多個預(yù)警指標(biāo)之間的有機(jī)聯(lián)系和時變特征，通過建立多指標(biāo)時空聯(lián)合預(yù)警模型，實現(xiàn)工程隱患和險情的有效監(jiān)控，保障工程安全運(yùn)行。

d.碾壓混凝土壩服役性能劣化干預(yù)。借助理論分析和數(shù)值仿真手段，模擬典型工程措施和非工程措施對碾壓混凝土壩滲流、開裂、失穩(wěn)等病險的影響，評估服役可靠度提升的效能；以預(yù)警指標(biāo)閾值為約束條件，反饋分析結(jié)構(gòu)性態(tài)災(zāi)變的控制荷載組合模式和控制準(zhǔn)則，設(shè)計碾壓混凝土壩安全服役模式調(diào)控方案，建立典型工程措施和非工程措施干預(yù)效果的評估模型。將動態(tài)可靠度和優(yōu)化方法相結(jié)合，以可靠度提升和病險修復(fù)的經(jīng)濟(jì)合理性以及病險均衡維護(hù)為目標(biāo)，構(gòu)建碾壓混凝土壩病險修復(fù)措施最優(yōu)化決策模型；重點(diǎn)針對層面結(jié)合不良、裂縫處理和阻滲導(dǎo)滲等補(bǔ)強(qiáng)措施，建立局部病險隱患補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果評價參數(shù)體系，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)建立補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果的量化評價模型，并采用數(shù)值模擬手段建立補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)措施長期效力的預(yù)測模型。