水库水位升降作用下土石混合料沉降行为的实验研究

为解决水库水位周期性波动引发的土石混合料(SRMs)沉降变形问题，研究人员通过自主研发的2.8 m×2.0 m×2.7 m大型物理模型，系统监测了孔隙水压力、土压力及沉降变形的多场耦合响应。研究发现水位升降通过渗透压差和大孔隙压缩机制导致SRMs产生累积沉降，为高填方移民安置工程稳定性评估提供了实验依据。

　　

在金沙江白鹤滩水电站库区，高陡地形与大规模移民安置工程催生了一个亟待解决的工程难题——填筑厚度达25米的土石混合料(SRMs)在周期性水库水位波动下，为何会产生不均匀沉降？这种沉降不仅威胁地表建筑物的安全，更可能引发"功能失稳"这类新型工程灾害。与传统的边坡失稳不同，SRMs的特殊性在于其非均质结构中粗颗粒（>5 mm占比65%）与细粒土形成的复杂力学体系，当遭遇水位升降时，渗透压差与湿干循环效应会重构其微观结构。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表的研究中，构建了迄今规模最大的SRMs水力耦合实验系统。该团队创新性地采用几何相似比1:10的模型设计，在2.8米长的实验舱内分层压实SRMs填料，并植入5层共35个传感器阵列，首次实现了孔隙水压力-土压力-沉降位移的分布式同步监测。通过编程控制水位波动周期，精确模拟了库区实际水文边界条件。

关键技术方法
研究采用现场取样（云南巧家县白鹤滩填筑料）与室内大型模型（2.8 m×2.0 m×2.7 m）相结合的方式，通过分层压实制备均质SRMs试样。设置0.5米间距的垂直监测层，部署孔隙水压力传感器、土压力盒和沉降位移计组成的多物理场监测系统。采用闭环反馈控制水位波动，完成10次完整升降循环实验，同步记录颗粒迁移观测窗图像数据。

实验材料特性
取自现场的SRMs呈现暗灰-棕褐色双色特征，颗粒级配曲线显示其粗砾石（5-60 mm）占比65%，细粒土（<0.075 mm）占12%，属于典型宽级配材料。通过击实试验确定最优含水率为8.2%，最大干密度达2.15 g/cm³。

孔隙水压力响应
水位上升阶段：0-40分钟内孔隙水压力骤增120 kPa，滞后效应显著；水位下降时出现"压力悬挂"现象，20 cm深度处消散延迟达3小时。第5次循环后，同一水位条件下的孔隙水压力峰值降低18%，表明材料渗透性改变。

土压力演化规律
水位上升导致有效应力降低23%-31%，粗颗粒骨架发生瞬时卸荷；水位下降时出现"应力回弹"现象，但每次循环后残余应力增加4.7 kPa，呈现明显累积效应。

沉降变形特征
首次水位升降即产生12.8 mm沉降（占总量38%），第3次循环后沉降速率趋缓。最终累积沉降达33.5 mm，其中70%源于水位下降阶段的再压缩过程。通过观测窗发现，>10 mm大孔隙在水位波动中优先被细粒土填充。

颗粒迁移机制
动态水流阶段（水位变化速率>5 cm/min）引发显著颗粒重组：上升水流携带<2 mm细粒向上迁移，下降水流促使粗颗粒重新排列。X-CT扫描显示，10次循环后接触点数量增加21%，但粗颗粒间平均间距缩小0.3 mm。

讨论与结论
研究揭示了SRMs在水位波动下的双重沉降机制：大孔隙因渗透压差（Seepage-induced compression）被细粒填充压缩，而小孔隙受湿干循环（Wetting-drying cycles）作用逐渐萎缩。实验证实水位下降阶段的排水固结是沉降主控因素，其贡献量是上升阶段的2.3倍。

该成果的创新性体现在三方面：① 模型尺度突破（较既往研究增大5倍）；② 首次实现多物理场同步监测；③ 发现SRMs的"滞后压缩"特性。这些发现为高填方工程"全生命周期"稳定性评估提供了实验基准，特别对西南地区水电工程移民安置点的安全设计具有指导价值。研究团队特别强调，后续需重点考察长期循环（>50次）下的材料疲劳效应，以及不同岩性颗粒的化学风化影响。