3.2 小块体砌筑技术

3.2.1 小块体砌筑技术简介

地质力学模型试验的模型制作主要有浇注法[24][25]、夯实填筑法[26-28]和小块体砌筑法[29][30]三种。每种方法各有优缺点。

浇注法是将流体状态的材料注入到事先做好的模子中，形成一个块体。这种方法的优点是成型较快，整体性较好。但模型干燥较慢，内部缺陷难以控制且不能细致地模拟岩体中的不连续构造面。在一些地质力学模型试验中，因为坝体体型明确，模子加工容易，坝体的砌筑常采用这种方法。

夯实填筑法是在实验台架内分层摊铺材料，再用小型振动夯实机逐层遍布地碾压材料，直至模型顶部。这种方法可以极大地缩短试验的时间，比较适合地下洞室类的试验模型制作，但各填筑层的密度存在差异，且不易模拟不连续构造面。

按照块体砌筑方法，地质力学模型试验可分为“大块体”和“小块体”地质力学模型试验[31]。如果只模拟断层或者软弱破碎带等主要结构面而不考虑地基的节理裂隙则称为“大块体”模型试验，如果需要模拟岩体主要节理、裂隙则需要进行更加精细的模拟，称为“小块体”模型试验。小块体砌筑法主要针对“小块体”地质力学模型试验而言。

小块体砌筑法是将相似材料压制成小块体，并逐块砌筑模型的方法。坝基断层、不连续结构面，岩体裂隙、节理，大坝坝体，坝体构造，基础处理措施等均可采用小块体砌筑法完成。小块体砌筑法灵活、方便，能有效模拟节理裂隙，比较接近工程实际等优点。不过因为采用小块体砌筑模型坝体及坝基裂隙岩体等，一个整体地质力学模型试验往往需要上万块甚至是十几万块的模型块体砌筑而成，工作量十分浩大，可谓耗时耗力。因此在模型试验中如何在不影响模型砌筑的条件下合理规划试验工序、改进试验技术以加快试验进度是一件重要且有意义的事情。

清华大学水工结构实验室，采用小块体砌筑技术完成了包括锦屏、小湾、溪洛渡、白鹤滩、大岗山在内的中国已建或在建的高拱坝地质力学模型试验，取得了丰富的模型砌筑经验，下面将详细介绍小块体的制作过程和基于小块体砌筑技术的坝体、裂隙岩体和断层模拟。

3.2.2 小块体制作

小块体采用模型相似材料压制而成，相似材料以重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，胶水为粘结剂，如图3.9所示。其中重晶石粉用来提高材料的容重；膨润土对于降低变形模量有明显的效果，且性能稳定，价格便宜，是一种较好的辅助材料；将一定配比的胶水作为粘结剂可以保证材料的低强度。这种相似材料满足相似材料研制的原则，非常适合模拟混凝土和岩石等脆性材料。

将一定配比的相似材料充分拌和至最优含水率，此时相似混合料最容易压制成型。根据模型试验所需的几种典型形状尺寸先加工若干个钢模具。模具应尽可能考虑基础中主要模拟的节理产状，即倾角和走向。

将钢模具安装在特殊研制的试块压制设备上（如图3.10所示）。压制设备包括框架式底座、推拉盖板、压力杆和限程拉杆等。每次将固定重量的模型相似混合料倒入模具中，将推拉盖板封住模具入口，再用压力杆将模具中的混合料施以高压，一次成型。在压制过程中，应该经常在钢模具内侧涂抹黄油，以方便脱模。当试验需要各种形状和不同尺寸的砌块时，通过更换小块体模具和调整限程拉杆改变压制的小块体的形状和尺寸，保证模型试验用块需求。

这种块体制作方法不仅大大提高了砌块的制作效率，且压制的砌块形状尺寸准确，块体表面光滑、平整，砌筑起来砌块间能精密接触，充分粘接，且密度也能精确确定。

一般模型试验所需要的和压制的试块大小不一，试块最小尺寸可以为2cm×2cm× 3cm，最大尺寸可为15cm×15cm×8cm，试块形状可以是平行六面体，也可以是三角形楔形块，如图3.11所示。在地质力学模型试验中，除了要测试单个小块体的力学参数外，还要研究由小块体砌筑的砌体的综合变形特性，以便砌体与原型岩体结构相似。试验表明小块体砌筑的模型的变形模量比连续岩体减少30%～50%，为了避免变形模量减少过多，块体的尺寸不可太小，E.Fumagalli提出块体尺寸要通过砌体的力学性能测试来校核，所用砌体要至少由一百块小块体砌筑[23]。

3.2.3 坝拱坝体砌筑和雕琢

模型试验中坝体体型明确，整体性好，因此一些模型试验采用浇注法砌筑坝体。当坝基稍高出河床后，就可以粘接模型坝体，然后再由低到高逐层粘接坝体两岸坝基，这样容易保证粘接质量。如果先砌筑好了坝基再粘接坝体，因为建基面往往为陡坡面，胶水会自上而下流出，加上模型坝体尺寸较大，移动定位又很困难，因此粘接质量和模型坝体精确位置不易保证。采用小块体砌筑模型坝体时，坝体和周围山体从底部高程同步砌筑，能保证坝体内部和坝体与山体之间的粘接质量。

因为拱坝上下游坝面是复杂的三维空间曲面，因此需要结合砌筑和雕刻技术完成坝体砌筑，具体做法是：

（1）首先根据设计院提供的坝体体型参数和试验几何比尺确定模型坝体体型参数和各控制点坐标。表3.3为某抛物线双曲拱坝体型参数表。其中，Aui为上游坝面与坝轴线的距离，Ruli和Rdli分别为上下游左拱端曲率半径，Ruri和Rdri分别为上下游右拱端曲率半径，Ouli和Odli分别为上下游左拱端曲率中心坐标，Ouri和Odri分别为上下游右拱端曲率中心坐标；坐标原点与坝轴线的顺河向距离为400m。

（2）将15cm×15cm×8cm的块体粘接。为了保证坝体质量，粘接时，块体的粘接面涂抹的粘接剂量不能太少。粘接后用手挤压粘接砌块，如果粘接剂能被挤出来说明粘接效果能够保证，否则容易形成某些部位粘接不良，影响坝体整体性甚至影响模型试验结果。

（3）每层坝体粘接完成后，需要初步雕刻坝体轮廓。先根据模型坝体体型参数在每层坝体砌块上用铅笔画出模型坝体实际的上、下游坝面线，再根据所画的坝面线大致确定初步的坝体轮廓线。坝体轮廓线和实际的坝面线相互大致平行，两者之间有大约2cm的预留厚度。这样做是为了防止模型砌筑过程中上下游坝面被破坏，保证坝体完整性。

图3.12是某工程模型试验990m高程坝体初步砌筑图。

不同砌筑高程，模型坝体的预留厚度可以不相同，但需要明确记录。将含有预留厚度和初步轮廓的整体模型坝体称为模坯。模坯完成后还不能立即雕刻坝体，需要将坝体两岸岩体甚至是坝顶以上山体砌筑完成后，在需要粘接坝体应变片之前雕刻坝体。

为了保证坝体雕刻精度（误差控制在1.0mm以内），应该采取渐进的办法控制尺寸，且从坝顶高程开始逐层往下雕刻。具体操作是：在上游面或者下游面相邻高程，先沿拱圈用划样尺刀刻出稍微小于预留厚度（根据记录的各高程的预留厚度）的深度后，再用铁质的或者铝质的、刀口曲率与该高程间坝面基本上吻合的刮刀片刮去坝体上、下游坝面线以外的部分。这步工作需要细致地对待，否则容易出现坝体某部分刮去过多的情况。自上而下把各高程的坝体预留厚度去掉后，最终得到完整、精确的坝体模型。图3.13为砌筑、雕刻完成的我国某高拱坝坝体模型。

3.2.4 裂隙岩体模拟

岩石的强度特性主要由岩体裂隙的强度指标控制。在小块体地质力学模型试验中，块体本身模拟岩体的变形特征，而小块体间的粘接用于模拟裂隙岩体的强度特性，这就使得模型的受力变形特性接近实际岩体。实际工程的岩体中含有多组节理裂隙，但模型中一般只模拟几组优势节理裂隙。

一般来说，模型的几何比尺在1:100～1:300之间，根据相似理论，需要模拟的裂隙岩体的强度参数值很低，因此需要采用低强度的胶水粘接小块体。模拟裂隙时，块体间胶水的粘接面积由裂隙面连通率确定，不连通的面积区域采用模拟裂隙岩体力学参数的胶水，连通的部分采用的胶水配比根据裂隙的力学参数确定。

采用小块体砌筑法模拟裂隙岩体时，块体越小，胶水粘接越精确，模型模拟情况越接近工程实际。但这样做也会花费大量的模型砌筑时间和人力。为了在接近实际工程情况同时能节省模型砌筑时间，实际模拟过程中，各高程拱坝附近一定范围内的坝基采用较小的砌块精细模拟裂隙岩体；该范围以外可以采用较大的砌块砌筑，较为粗略地模拟裂隙岩体。裂隙的倾角和走向的不同应该采取不同的砌筑方法。如果裂隙面的倾向指向河床，那么裂隙岩体的砌筑应该从远坝址区向坝址区砌筑；如果指向山体，应该从近坝址区向远坝址区砌筑；这样做能方便模型砌筑，加快砌筑进度。图3.14为某拱坝工程近坝区和远坝区裂隙岩体模拟图。

不管采用哪种砌筑方法，坝体和坝基岩体的相互粘接往往会很复杂。一方面，该区域是几何突变区域，模型的粘接、雕刻会很困难；另一方面，坝址区往往会有包括置换混凝土块和置换网格在内的加固措施。

3.2.5 断层、破碎带模拟

不连续构造面的力学性质往往是控制岩体结构稳定和工程安全的决定性因素之一，因此在砌筑模型时应尽可能地模拟出这些不连续构造面的抗剪强度和变形特性。对于要着重模拟的不连续构造面，如断层、破碎带等，通常由于结构面夹层很薄或变形模量很低，无法采用岩体和结构相同的几何相似比尺。此时可考虑两侧破碎带的影响，根据压缩变形相等的原则进行模拟。

对于不连续构造面的内摩擦系数f值，国外研究人员曾经在层间涂抹清漆、酒精、润滑脂和滑石粉等混合料来模拟，这种方法可以获得较大范围的f值（f=0.1～1.0），但是性能会受温度变化及喷涂工艺的影响，成果离散度大，稳定性差。

可以用不同纸张夹层来模拟不同的f值，这种模拟断层f值的思路贯穿于各种模拟方法中。表3.4为国内部分地质力学模型试验中采用的断层模拟材料[31-39]。

清华大学水工结构实验室根据大量材料试验和模型试验经验，采用脱水石膏和加纸张的方式来模拟断层裂隙材料，如图3.15所示。其中脱水石膏的变形模量很低，可以用来模拟断层的变形性能，该方法同时可以考虑断层两侧破碎带的影响。对于特别薄的软弱带，可以根据压缩变形等效原则模拟。牛皮纸或者电光纸用来模拟断层的强度特性，能获得较大范围的摩擦系数f和非常低的c值，而且稳定性好。对结构面的强度应该进行剪切试验，从而保证相似关系。

一般而言，如果断层较厚，需要采用较厚的脱水石膏，并将其夹在电光纸或牛皮纸中间；如果断层较薄，则不采用脱水石膏而直接将电光纸或者牛皮纸叠在一起以模拟断层。不同的模型纸张之间以及纸张与岩体模型材料之间的接触会产生不同的摩擦系数，因此在砌筑之前需要进行大量的剪切试验。根据试验结果和需要模拟的断层的力学性质确定断层模型材料及其组合方式。表3.5为某拱坝工程断层软弱带的力学特性表，该拱坝工程地质力学模型试验中的断层模拟如图3.16所示。

粘聚力c的模拟是一个难点。由于相似比换算后c的数值通常都很小，要想在试验中同时满足摩擦系数f和粘聚力c与原型的相似是极其困难的，所以大部分模型试验中，断层的c值经常被留作安全储备，在模拟中不予考虑。