礫石土心墻施工期的應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析

2017-03-09 01:47:53孫全，李俊

四川水力發(fā)電 2017年1期

關(guān)鍵詞：效應(yīng)

孫全，李俊

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

礫石土心墻施工期的應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析

孫全，李俊

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

針對(duì)高心墻土石壩，施工期心墻內(nèi)部過(guò)低的豎向土壓力和較高的超靜孔隙水壓力對(duì)施工期及蓄水期的大壩安全穩(wěn)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(yīng)力監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，按時(shí)間規(guī)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(yīng)；監(jiān)測(cè)與分析

1 工程概述

某在建工程攔河大壩采用土質(zhì)防滲體分區(qū)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(shè)有反濾層、過(guò)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(shè)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(zhǎng)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(xié)調(diào)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(guò)渡層水平厚度均為20 m。

2 監(jiān)測(cè)儀器的布置

礫石土心墻大壩在樁號(hào)(縱)0+137、(縱)0+193、(縱)0+253.72、(縱)0+330、(縱)0+394布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，相同部位均布置有土壓力計(jì)和滲壓計(jì)。筆者僅介紹了最大斷面(縱)0+253.72監(jiān)測(cè)儀器的布置情況。該斷面在基礎(chǔ)高程1 513、1 550、1 585 m處布置有振弦式滲壓計(jì)，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(shí)，在基礎(chǔ)高程、1 513、1 586 m部分滲壓計(jì)旁邊埋設(shè)有振弦式土壓力計(jì)，目的是了解礫石土心墻的受力情況。

滲壓計(jì)和土壓力計(jì)的具體埋設(shè)位置見(jiàn)圖1、2中P代表滲壓計(jì)，E代表土壓力計(jì)，儀器下標(biāo)代表儀器編碼。目前大壩填筑已完成，但在大壩填筑過(guò)程中部分儀器被損壞。為對(duì)比施工期孔隙水壓力對(duì)心墻區(qū)土壓力的影響，在最終出具的報(bào)告中被損壞儀器的觀測(cè)日期均為最后測(cè)值，完好的儀器觀測(cè)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(tài)。孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，被碾壓的土料處于三相狀態(tài)，由于心墻防滲體土料的滲透系數(shù)很小，液態(tài)水和氣體被壓縮在一個(gè)近似封閉的空腔中，在其碾壓和填筑過(guò)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(zhuǎn)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(shù)和上覆土壓力以及填筑速率有關(guān)。

3.1 土壓力時(shí)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(shí)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(guān)性，土體應(yīng)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(shí)測(cè)土壓力空間分布圖、圖8為拱效應(yīng)系數(shù)空間分布圖，從圖中可以看出：心墻底部上下游側(cè)與反濾料交界部位應(yīng)力較為集中，同一高程應(yīng)力分布總體特征為心墻兩側(cè)應(yīng)力大、中部應(yīng)力小，心墻應(yīng)力呈凹陷狀分布，表明心墻在順?biāo)鞣较虼嬖诠靶?yīng)。

圖1 礫石土心墻土壓力計(jì)布置圖

圖2 礫石土心墻孔隙水壓力計(jì)布置圖

圖3 基礎(chǔ)層1 460 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖

圖4 1 513 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖

圖5 1 586 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖

圖6 1 645 m高程土壓力計(jì)時(shí)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(yīng)系數(shù)分布圖

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

采用拱效應(yīng)系數(shù)R=σz/γh表征心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的強(qiáng)弱，R越小，拱效應(yīng)越強(qiáng)。式中γ為土的重度，h為上覆土厚度。心墻內(nèi)各點(diǎn)拱效應(yīng)系數(shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)圖6和表1可以看出：心墻拱效應(yīng)最強(qiáng)烈的部位大約在1/3壩高處壩軸線附近；存在拱效應(yīng)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(shí)間與空間特征分析

心墻剛剛填筑壓實(shí)之后，土體中的液態(tài)水和氣體被壓縮在一個(gè)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(shí)。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(zhuǎn)換為超靜孔隙水壓力。由于心墻防滲體土料的滲透系數(shù)很小，短期內(nèi)水將無(wú)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(shí)、有效地消散，從而使孔隙水壓力不斷增大。隨后，當(dāng)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(kuò)散的速度時(shí)，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(jì)-時(shí)間曲線。從圖中可以看出：心墻內(nèi)孔隙水壓力與壩體填筑高度具有較高的相關(guān)性，心墻中部的孔隙水壓力計(jì)測(cè)值隨填筑高程的增加而增加；心墻兩側(cè)孔隙水滲徑較短，有利于孔隙水的消散，因此，兩側(cè)孔隙水壓力計(jì)與壩體填筑高度相關(guān)性較差。

圖12為實(shí)測(cè)孔隙水壓力計(jì)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(diǎn)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(cè)壓力小、心墻中部壓力大，孔隙水壓力計(jì)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(duì)比分析

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

表2為埋設(shè)在同一部位的滲壓計(jì)P180和土壓力計(jì)E58-3在同一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力增量以及平均日應(yīng)力增量。由于埋設(shè)部位相近，可視為同一點(diǎn)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(shí)段亦是孔隙水壓力大于土壓力，隨著心墻固結(jié)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(kāi)始大于孔隙水壓力增量。