砾石土心墙施工期的应力监测与分析

2017-03-09孙全，李俊

四川水力发电 2017年1期

关键词：压力计施工期砾石

孙全，李俊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

砾石土心墙施工期的应力监测与分析

孙全，李俊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

针对高心墙土石坝，施工期心墙内部过低的竖向土压力和较高的超静孔隙水压力对施工期及蓄水期的大坝安全稳定具有重要意义。以某砾石土心墙土石坝施工期大坝心墙应力监测资料为基础，按时间规律和空间分布分析了施工期心墙竖向土压力和孔隙水压力。

砾石土心墙；土压力；孔隙水压力；拱效应；监测与分析

1 工程概述

某在建工程拦河大坝采用土质防渗体分区坝，防渗体采用砾石土直心墙型式，坝壳采用堆石填筑，心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层、过渡层，防渗墙下游心墙底部及下游坝壳与覆盖层坝基之间设有水平反滤层。坝体建基面最低高程为1 457 m，最大坝高240 m，坝顶长度为502.85 m，坝顶宽度为16 m，上、下游坝坡坡比均为1∶2。

砾石土直心墙顶高程为1 696.4 m，顶宽6 m，心墙上、下游坡坡比均为1∶0.25，心墙底高程为1 457 m，最大底宽125.7 m。由于坝线两岸岸坡陡峻，遂在心墙与岸坡接触部位填筑高塑性粘土以协调二者之间的变形，高塑性粘土水平厚度为3～4 m。心墙上、下游反滤层水平厚度分别为8 m和12 m，上、下游过渡层水平厚度均为20 m。

2 监测仪器的布置

砾石土心墙大坝在桩号(纵)0+137、(纵)0+193、(纵)0+253.72、(纵)0+330、(纵)0+394布置了5个监测横断面，相同部位均布置有土压力计和渗压计。笔者仅介绍了最大断面(纵)0+253.72监测仪器的布置情况。该断面在基础高程1 513、1 550、1 585 m处布置有振弦式渗压计，目的是了解砾石土心墙的孔隙水压力及其分布与消散情况。同时，在基础高程、1 513、1 586 m部分渗压计旁边埋设有振弦式土压力计，目的是了解砾石土心墙的受力情况。

渗压计和土压力计的具体埋设位置见图1、2中P代表渗压计，E代表土压力计，仪器下标代表仪器编码。目前大坝填筑已完成，但在大坝填筑过程中部分仪器被损坏。为对比施工期孔隙水压力对心墙区土压力的影响，在最终出具的报告中被损坏仪器的观测日期均为最后测值，完好的仪器观测日期截止至2016年7月30日。

3 施工期心墙土压力和孔隙水压力分析

心墙防渗体在施工期处于非饱和状态。孔隙水压力的产生和消散是一个非常复杂的过程，被碾压的土料处于三相状态，由于心墙防渗体土料的渗透系数很小，液态水和气体被压缩在一个近似封闭的空腔中，在其碾压和填筑过程中，随着上覆土压力的增加，土料孔隙体积缩小，静孔隙水压力转化为超静孔隙水压力。孔隙水压力的大小与填筑土料的含水率、压缩模量、渗透系数和上覆土压力以及填筑速率有关。

3.1 土压力时间与空间特征分析

图3～6分别为1 460、1 513、1 586、1 645 m高程土压力-时间曲线，从图中可以看出：坝体土压力与坝体填筑高度具有较高的相关性，土体应力随填筑高程的增加而增加；土压力值随坝体填筑高程上升逐渐增大。

图7为实测土压力空间分布图、图8为拱效应系数空间分布图，从图中可以看出：心墙底部上下游侧与反滤料交界部位应力较为集中，同一高程应力分布总体特征为心墙两侧应力大、中部应力小，心墙应力呈凹陷状分布，表明心墙在顺水流方向存在拱效应。

图1 砾石土心墙土压力计布置图

图2 砾石土心墙孔隙水压力计布置图

图3 基础层1 460 m高程土压力计时间曲线图

图4 1 513 m高程土压力计时间曲线图

图5 1 586 m高程土压力计时间曲线图

图6 1 645 m高程土压力计时间曲线图

图7 砾石土心墙土压力分布图

图8 砾石土心墙拱效应系数分布图

在心墙堆石坝填筑过程中，由于坝壳料和心墙土料压缩模量不同，材料间产生不均匀沉降，心墙的部分应力传递到坝壳使心墙内部应力减小，即产生心墙拱效应。

采用拱效应系数R=σz/γh表征心墙应力拱效应的强弱，R越小，拱效应越强。式中γ为土的重度，h为上覆土厚度。心墙内各点拱效应系数见表1。

通过图6和表1可以看出：心墙拱效应最强烈的部位大约在1/3坝高处坝轴线附近；存在拱效应的高程土压力呈驼峰状分布，坝轴线附近土压力最小。

3.2 孔隙水压力时间与空间特征分析

心墙刚刚填筑压实之后，土体中的液态水和气体被压缩在一个近似封闭的空腔中。随着填筑高程的逐步升高，作用在土体单元上的上覆土压力不断增大，下部土层压缩、密实。尽管孔隙水量未变，但孔隙体积减小，饱和度增加，孔隙水压力转换为超静孔隙水压力。由于心墙防渗体土料的渗透系数很小，短期内水将无法渗出，且因上覆土压力的增加、孔隙体积的压缩且孔隙水又不能及时、有效地消散，从而使孔隙水压力不断增大。随后，当上覆土压力增加的速度(心墙填筑的速度)小于孔隙水向四周扩散的速度时，孔隙水压力则慢慢消散。

图9～11分别为1 460、1 513、1 586 m高程孔隙水压力计-时间曲线。从图中可以看出：心墙内孔隙水压力与坝体填筑高度具有较高的相关性，心墙中部的孔隙水压力计测值随填筑高程的增加而增加；心墙两侧孔隙水渗径较短，有利于孔隙水的消散，因此，两侧孔隙水压力计与坝体填筑高度相关性较差。

图12为实测孔隙水压力计空间分布图。从图中可以看出：心墙底部中间位置孔隙水压力最大，以该点为中心向四周逐渐减弱；并且同一高程孔隙水压力分布总体特征为心墙两侧压力小、心墙中部压力大，孔隙水压力计在心墙中部呈凸出状分布，与心墙土压力分布特征相反。

4 孔隙水压力与土压力对比分析

一般来说，心墙变形模量相对较低、沉降速率和沉降量相对于堆石体较大，因此，坝壳料对反滤料接触部位的变形具有约束作用，从而导致上下游侧心墙土应力有部分传递至坝壳料，由此而产生拱效应。由于心墙填筑材料具有的阻水特性，在心墙填筑过程中会产生超静孔隙水压力，使作用于土骨架上的有效应力发生变化，从而限制其变形。

表2为埋设在同一部位的渗压计P180和土压力计E58-3在同一段时间内的应力增量以及平均日应力增量。由于埋设部位相近，可视为同一点处孔隙水压力和土压力。从表2中可以看出：在2014年4月到2015年8月之间孔隙水压力的增量大于土压力增量，并且平均日增量在同时段亦是孔隙水压力大于土压力，随着心墙固结和孔隙水的消散，从2015年9月到2016年7月之间土压力增量和平均日土压力增加开始大于孔隙水压力增量。