1.4　存在的问题与研究内容

基于胶凝砂砾石坝的优越性能，该坝型在国内外均具有十分广阔的应用前景，需将筑坝材料特性、坝体剖面尺寸、施工技术、坝体安全性与经济性等方面综合考虑，形成一套完整的设计理念。但由于胶凝砂砾石坝发展历时短，尤其对胶凝砂砾石材料的力学性能、耐久性及坝型研究不够深入系统，剖面设计缺乏理论支撑，难以确定安全、经济的合理剖面。致使该坝型在国内应用多局限于临时工程或辅助工程。著者认为胶凝砂砾石坝的研究存在以下4个方面的问题。

（1）胶凝砂砾石材料力学性能研究大多采用常规单轴抗压试验，虽然也有部分抗拉和三轴试验成果，但是对同一配比的材料同时进行抗拉、抗压和抗剪系统试验研究不够。难以确定其系统的强度指标，急需同时对不同水泥用量、骨料级配、砂率、粉煤灰掺量等进行大量的常规单轴试验和大三轴试验研究，建立材料性能指标体系。

（2）对胶凝砂砾石材料的本构特性认识还不够深入，多是将胶凝砂砾石材料看作混凝土材料，采用线弹性的本构关系来模拟。但通过现有研究成果，普遍认为胶凝砂砾石材料应力应变关系为明显的非线性软化曲线，线弹性本构关系不能准确地模拟胶凝砂砾石材料的实际应力应变状态，需要建立适合胶凝砂砾石材料自身特点的本构模型。

（3）由于胶凝砂砾石材料中水泥用量较少，与常规混凝土相比，材料本身强度低，抗渗透性能差，易产生冻胀、渗透、溶蚀等影响工程耐久性的问题，其中温度变化和冻融破坏是影响胶凝砂砾石材料耐久性的重要因素，但目前这方面的研究工作还不够深入。

（4）由于上述基础研究不够深入，无法对胶凝砂砾石坝进行合理的应力及变形分析，不能够准确掌握坝体实际应力应变分布状态，也难以确定合理的剖面设计原则和控制标准，从而也就难以确定合理的坝体型式和进行安全、经济、耐久的坝体剖面设计。

鉴于以上问题，反映出胶凝砂砾石坝的基础理论研究还不够充分，严重影响到该优越坝型的发展。本书拟通过系统的试验研究，掌握胶凝砂砾石材料的力学特性；建立符合其材料特性的本构关系；经冻融试验，确定热学参数；通过仿真分析，确定胶凝砂砾石坝剖面设计原则和控制标准；从材料配比和工程结构措施两个方面提出增强胶凝砂砾石坝耐久性能的措施和方法。主要研究内容如下。

（1）胶凝砂砾石材料力学特性试验与研究。针对影响胶凝砂砾石材料力学特性的主要因素，进行系统的试验与研究。选取天然河道的砂卵石作为骨料，通过筛分，取不同颗粒级配、水泥用量、粉煤灰掺量、含砂率、水灰比、龄期、试件尺寸等同时进行常规抗拉、抗压试验和大三轴剪切试验，得出相应的应力应变关系曲线，研究胶凝砂砾石材料强度随之变化的规律。

（2）胶凝砂砾石材料耐久性研究。重点针对胶凝砂砾石材料在温度变化及冻融影响下的耐久性问题进行深入研究。

1）采用混凝土快速冻融试验设备，对多个配合比的胶凝砂砾石进行室内抗冻性能试验，找出合适的测试方法，确定其相对耐久性指标；使用外加剂、粉煤灰、硅粉等对胶凝砂砾石材料进行改性试验研究，探讨提高材料抗冻耐久性的方法、途径和可行性。

2）采用新型混凝土热物理参数测定仪，进行不同初始温度绝热温升试验，获得同龄期条件下自身不同配合比、不同初始温度的绝热温升过程的试验数据，同时测定导温和比热两项参数，为仿真分析提供计算基础数据。

（3）胶凝砂砾石材料本构模型研究。前期著者本着尽量贴近工程实际、计算分析方便的原则，采用“虚加弹簧法”解决了材料的软化特性并建立了相应的本构模型。此次在分析和对比所得大量应力应变关系曲线的基础上，同时采用其他解决材料软化特性的方法，建立相应的本构模型，对比各模型的特点及适宜性，选择适合于胶凝砂砾石材料性能的本构模型，并根据试验成果确定相应的模型参数。

（4）胶凝砂砾石坝剖面设计原则及坝型研究。胶凝砂砾石坝剖面设计，只有清楚了解胶凝砂砾石材料的力学特性，建立符合胶凝砂砾石材料特性的本构模型，并在此基础上对胶凝砂砾石坝进行合理的应力应变分析，掌握坝体实际应力应变分布状态，将坝体实际应力应变状态与筑坝材料的强度标准相结合，才能判断坝体上、下游边坡究竟是由抗拉、抗压强度控制还是由抗剪强度控制，进而确定合理的控制标准和剖面设计原则。

根据所确定的材料性能指标体系和本构模型，通过大量的仿真分析，制定胶凝砂砾石坝合理的控制标准和剖面设计原则；分析胶凝砂砾石坝上、下游边坡确定的控制条件；研究不同强度指标下应力、应变控制标准和坝体设计边坡及坝高等，拟定合理的胶凝砂砾石坝坝型和剖面形式，研究胶凝砂砾石坝上、下游边坡确定的理论依据和计算方法。

（5）胶凝砂砾石坝耐久性仿真分析。完善温度场流固耦合有限元全过程仿真分析程序，建立胶凝砂砾石材料非线性控制微分方程和非线性边界热学特性的温度场基本理论模型，确定不同防冻防裂条件下复合材料边界热学特性，根据实测气温资料，拟定受冻和融化温度及持续时间；以抗冻试验中的冻融破坏次数（试验结果）为标准进行长期仿真分析，从而确定在实际工程条件下，胶凝砂砾石坝的冻融破坏时间和冻融影响深度；拟定防冻裂工程和结构措施方案，并赋予基于数学优化算法的反分析研究，从而提出满足工程防冻防裂要求的结构措施或工程措施。