礫石土心墻施工期的應力監測與分析

2017-03-09 01:47:53孫全，李俊

四川水力發電 2017年1期

關鍵詞：效應

孫全，李俊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

礫石土心墻施工期的應力監測與分析

孫全，李俊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

針對高心墻土石壩，施工期心墻內部過低的豎向土壓力和較高的超靜孔隙水壓力對施工期及蓄水期的大壩安全穩定具有重要意義。以某礫石土心墻土石壩施工期大壩心墻應力監測資料為基礎，按時間規律和空間分布分析了施工期心墻豎向土壓力和孔隙水壓力。

礫石土心墻；土壓力；孔隙水壓力；拱效應；監測與分析

1 工程概述

某在建工程攔河大壩采用土質防滲體分區壩，防滲體采用礫石土直心墻型式，壩殼采用堆石填筑，心墻與上、下游壩殼堆石之間均設有反濾層、過渡層，防滲墻下游心墻底部及下游壩殼與覆蓋層壩基之間設有水平反濾層。壩體建基面最低高程為1 457 m，最大壩高240 m，壩頂長度為502.85 m，壩頂寬度為16 m，上、下游壩坡坡比均為1∶2。

礫石土直心墻頂高程為1 696.4 m，頂寬6 m，心墻上、下游坡坡比均為1∶0.25，心墻底高程為1 457 m，最大底寬125.7 m。由于壩線兩岸岸坡陡峻，遂在心墻與岸坡接觸部位填筑高塑性粘土以協調二者之間的變形，高塑性粘土水平厚度為3～4 m。心墻上、下游反濾層水平厚度分別為8 m和12 m，上、下游過渡層水平厚度均為20 m。

2 監測儀器的布置

礫石土心墻大壩在樁號(縱)0+137、(縱)0+193、(縱)0+253.72、(縱)0+330、(縱)0+394布置了5個監測橫斷面，相同部位均布置有土壓力計和滲壓計。筆者僅介紹了最大斷面(縱)0+253.72監測儀器的布置情況。該斷面在基礎高程1 513、1 550、1 585 m處布置有振弦式滲壓計，目的是了解礫石土心墻的孔隙水壓力及其分布與消散情況。同時，在基礎高程、1 513、1 586 m部分滲壓計旁邊埋設有振弦式土壓力計，目的是了解礫石土心墻的受力情況。

滲壓計和土壓力計的具體埋設位置見圖1、2中P代表滲壓計，E代表土壓力計，儀器下標代表儀器編碼。目前大壩填筑已完成，但在大壩填筑過程中部分儀器被損壞。為對比施工期孔隙水壓力對心墻區土壓力的影響，在最終出具的報告中被損壞儀器的觀測日期均為最后測值，完好的儀器觀測日期截止至2016年7月30日。

3 施工期心墻土壓力和孔隙水壓力分析

心墻防滲體在施工期處于非飽和狀態。孔隙水壓力的產生和消散是一個非常復雜的過程，被碾壓的土料處于三相狀態，由于心墻防滲體土料的滲透系數很小，液態水和氣體被壓縮在一個近似封閉的空腔中，在其碾壓和填筑過程中，隨著上覆土壓力的增加，土料孔隙體積縮小，靜孔隙水壓力轉化為超靜孔隙水壓力。孔隙水壓力的大小與填筑土料的含水率、壓縮模量、滲透系數和上覆土壓力以及填筑速率有關。

3.1 土壓力時間與空間特征分析

圖3～6分別為1 460、1 513、1 586、1 645 m高程土壓力-時間曲線，從圖中可以看出：壩體土壓力與壩體填筑高度具有較高的相關性，土體應力隨填筑高程的增加而增加；土壓力值隨壩體填筑高程上升逐漸增大。

圖7為實測土壓力空間分布圖、圖8為拱效應系數空間分布圖，從圖中可以看出：心墻底部上下游側與反濾料交界部位應力較為集中，同一高程應力分布總體特征為心墻兩側應力大、中部應力小，心墻應力呈凹陷狀分布，表明心墻在順水流方向存在拱效應。

圖1 礫石土心墻土壓力計布置圖

圖2 礫石土心墻孔隙水壓力計布置圖

圖3 基礎層1 460 m高程土壓力計時間曲線圖

圖4 1 513 m高程土壓力計時間曲線圖

圖5 1 586 m高程土壓力計時間曲線圖

圖6 1 645 m高程土壓力計時間曲線圖

圖7 礫石土心墻土壓力分布圖

圖8 礫石土心墻拱效應系數分布圖

在心墻堆石壩填筑過程中，由于壩殼料和心墻土料壓縮模量不同，材料間產生不均勻沉降，心墻的部分應力傳遞到壩殼使心墻內部應力減小，即產生心墻拱效應。

采用拱效應系數R=σz/γh表征心墻應力拱效應的強弱，R越小，拱效應越強。式中γ為土的重度，h為上覆土厚度。心墻內各點拱效應系數見表1。

通過圖6和表1可以看出：心墻拱效應最強烈的部位大約在1/3壩高處壩軸線附近；存在拱效應的高程土壓力呈駝峰狀分布，壩軸線附近土壓力最小。

3.2 孔隙水壓力時間與空間特征分析

心墻剛剛填筑壓實之后，土體中的液態水和氣體被壓縮在一個近似封閉的空腔中。隨著填筑高程的逐步升高，作用在土體單元上的上覆土壓力不斷增大，下部土層壓縮、密實。盡管孔隙水量未變，但孔隙體積減小，飽和度增加，孔隙水壓力轉換為超靜孔隙水壓力。由于心墻防滲體土料的滲透系數很小，短期內水將無法滲出，且因上覆土壓力的增加、孔隙體積的壓縮且孔隙水又不能及時、有效地消散，從而使孔隙水壓力不斷增大。隨后，當上覆土壓力增加的速度(心墻填筑的速度)小于孔隙水向四周擴散的速度時，孔隙水壓力則慢慢消散。

圖9～11分別為1 460、1 513、1 586 m高程孔隙水壓力計-時間曲線。從圖中可以看出：心墻內孔隙水壓力與壩體填筑高度具有較高的相關性，心墻中部的孔隙水壓力計測值隨填筑高程的增加而增加；心墻兩側孔隙水滲徑較短，有利于孔隙水的消散，因此，兩側孔隙水壓力計與壩體填筑高度相關性較差。

圖12為實測孔隙水壓力計空間分布圖。從圖中可以看出：心墻底部中間位置孔隙水壓力最大，以該點為中心向四周逐漸減弱；并且同一高程孔隙水壓力分布總體特征為心墻兩側壓力小、心墻中部壓力大，孔隙水壓力計在心墻中部呈凸出狀分布，與心墻土壓力分布特征相反。

4 孔隙水壓力與土壓力對比分析

一般來說，心墻變形模量相對較低、沉降速率和沉降量相對于堆石體較大，因此，壩殼料對反濾料接觸部位的變形具有約束作用，從而導致上下游側心墻土應力有部分傳遞至壩殼料，由此而產生拱效應。由于心墻填筑材料具有的阻水特性，在心墻填筑過程中會產生超靜孔隙水壓力，使作用于土骨架上的有效應力發生變化，從而限制其變形。

表2為埋設在同一部位的滲壓計P180和土壓力計E58-3在同一段時間內的應力增量以及平均日應力增量。由于埋設部位相近，可視為同一點處孔隙水壓力和土壓力。從表2中可以看出：在2014年4月到2015年8月之間孔隙水壓力的增量大于土壓力增量，并且平均日增量在同時段亦是孔隙水壓力大于土壓力，隨著心墻固結和孔隙水的消散，從2015年9月到2016年7月之間土壓力增量和平均日土壓力增加開始大于孔隙水壓力增量。