瀝青混凝土心墻壩筑壩料與心墻合理模量比研究

高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

瀝青混凝土心墻壩筑壩料與心墻合理模量比研究

高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

瀝青混凝土心墻屬于柔性材料，以鄧肯—張雙曲線非線性彈性模型表達，模量數(shù)變化范圍不大，但瀝青混凝土心墻壩的筑壩材料和心墻是相互作用體系，因此要求筑壩材料性質(zhì)滿足壩體和心墻的應力應變及穩(wěn)定。本文以金峰水庫壩體設計斷面，結(jié)合瀝青混凝土心墻和壩體應力、變形要求，研究瀝青混凝土、過渡層和壩殼之間應力應變相互關(guān)系，初步得出筑壩料與心墻合理模量比值區(qū)間。

筑壩料 瀝青混凝土心墻 模量比 金峰水庫

1 概述

瀝青混凝土心墻壩施工，往往筑壩料巖性變化較大，壓實后模量變化范圍較大。例如，鄧肯—張雙曲線非線性彈性模型中彈性模量主要由模量數(shù)k反映，模量數(shù)k值范圍：粘土一般小于200，砂泥巖200～400，軟巖(軟砂巖、砂質(zhì)頁巖)300～600，硬質(zhì)巖一般大于800，有的達到1500甚至更大。因此，壩殼填筑料模量數(shù)可能是瀝青混凝土心墻的0.5～5倍。這樣的模量差會對瀝青混凝土心墻產(chǎn)生三種影響：(1)當壩殼料模量低于瀝青混凝土心墻時，其變形大于瀝青混凝土心墻，相對位移趨勢會對瀝青混凝土心墻產(chǎn)生附加壓應力；(2)當壩殼料模量與瀝青混凝土心墻接近時，變形協(xié)調(diào)一致，無明顯相對位移趨勢，不會對瀝青混凝土心墻產(chǎn)生附加應力；(3)當壩殼料模量大于瀝青混凝土心墻時，其變形小于瀝青混凝土心墻，相對位移趨勢會限制瀝青混凝土心墻變形，產(chǎn)生“拱效應”，對瀝青混凝土心墻產(chǎn)生附加拉應力。本文采用金峰水庫設計斷面和表達彈性模量主要參數(shù)k，利用有限元法研究壩料與瀝青混凝土心墻的模量差對心墻應力應變影響，提出模量比合理范圍。金峰水庫最大壩高88m，壩體分區(qū)為：炮臺嘴料場軟砂巖及砂、泥巖混合料作為壩殼料，天然砂礫石料作排水帶和過渡料，瀝青混凝土心墻作為防滲體。

2 敏感性分析組合

筑壩料k值多數(shù)在200～1200范圍內(nèi)，按照瀝青混凝土心墻、過渡層和壩殼模量數(shù)比值關(guān)系確定過渡層和壩殼的k值，敏感性分析組合情況見表1，單元剖分見圖1。其中，組合情況1～4為心墻模量數(shù)變化，組合情況5～7為心墻模量數(shù)不變。

表1 敏感性分析組合情況

圖1 瀝青混凝土心墻壩最大斷面單元剖分

3 壩料與心墻模量對心墻應力應變的影響

瀝青混凝土心墻模量數(shù)一定時，心墻的大、小主應力、應力水平、最大沉降、向上下游最大水平位移隨壩殼模量數(shù)增大而減小。

壩殼與心墻模量比值一定時：(1)瀝青混凝土心墻模量數(shù)變化對心墻大主應力和應力水平無明顯影響，小主應力隨瀝青混凝土心墻模量數(shù)的增大而減小；(2)心墻的最大沉降、向上下游最大水平位移，隨瀝青混凝土心墻模量數(shù)增大而減小；(3)過渡層模量數(shù)變化，對心墻的大小主應力、應力水平、最大沉降、向上下游最大水平位移等影響不明顯。

壩殼模量數(shù)一定時(k=600)，瀝青混凝土心墻模量數(shù)增大，大主應力和應力水平增大，小主應力、水平位移最大值、沉降最大值變化不明顯(見圖2所示)。

圖2 心墻模量數(shù)與應力變形關(guān)系

壩殼心墻模量比、模量數(shù)與心墻應力應變曲線見圖3和圖4。回歸分析可知，瀝青混凝土心墻模量數(shù)一定時，心墻應力和變形，隨壩殼與心墻模量比的增大而減小，呈指數(shù)變化規(guī)律。其表達式如下：

Y=m·Xn

式中：m、n——應力、變形與壩殼心墻模量比關(guān)系參數(shù)。其中n小于0；

X——壩殼與心墻模量比；

Y——應力(MPa)或變形(cm)。

應力、變形與壩殼心墻模量比關(guān)系參數(shù)m、n和相關(guān)系數(shù)R2見表2。相關(guān)系數(shù)R2接近1，說明壩殼與心墻模量比X、心墻應力變形Y指數(shù)相關(guān)，符合指數(shù)關(guān)系。

表2 心墻應力變形關(guān)系回歸參數(shù)及其相關(guān)系數(shù)

圖3 壩殼心墻模量比與心墻變形關(guān)系

圖4 壩殼心墻模量比與心墻應力關(guān)系

4 筑壩料與心墻模量關(guān)系探討

水力劈裂問題來自土質(zhì)心墻的“拱效應”，而瀝青混凝土心墻不同，瀝青混凝土心墻孔隙率小，孔隙是封閉且不連通的，又無孔隙水的存在；瀝青混凝土滲透系數(shù)很小，滲水進入很困難。瀝青混凝土心墻中滲流和滲水壓力很難形成，瀝青混凝土的抗?jié)B比降很大。所以，瀝青混凝土心墻水力劈裂可不考慮。瀝青混凝土心墻應力應變主要從以下兩個方面研究：(1)瀝青混凝土心墻的變位控制；(2)瀝青混凝土心墻的力學穩(wěn)定性。

4.1 瀝青混凝土心墻的變位控制

心墻垂直沉降主要由壩殼應變性質(zhì)決定，而受水位變化影響較??；水平位移主要由壩殼的應變性質(zhì)和水位變化決定，特別是水位變化對水平位移影響明顯。

在各種計算組合情況下，心墻最大沉降變形為37.32cm～175.54cm，沉降率或應變(沉降率或應變?yōu)樾膲Τ两盗颗c心墻總高度的百分比)為0.424%～1.995%。對于心墻壓縮應變允許范圍，目前規(guī)范或文獻還沒有明確要求。如果以抗壓試驗最大壓應力和三軸試驗最大偏應力時的應變判斷，由表3可知心墻應變遠遠低于最大應力時的應變，而且瀝青混凝土心墻適應變形能力一般情況下大于壩殼。因此垂直變形以壩體沉降作為控制要素。

表3 心墻抗壓試驗最大壓應力和三軸試驗 最大偏應力時應變

據(jù)設計規(guī)范〔3〕“當計算的竣工后壩頂沉降量與壩高的比值大于1%時，應在分析計算成果的基礎上，論證選擇的壩料填筑標準的合理性和采取工程措施的必要性?！苯鸱逅畮煊嬎憬Y(jié)果，壩頂沉降量隨著壩殼模量數(shù)增大而減小，壩殼模量數(shù)200以上時，完建時壩頂沉降為27.08cm～49.00cm，壩頂沉降量與壩高的比值不大于1%，但這并非最終壩頂沉降量。壩頂最終沉降量會受壩體施工分期填筑方式、施工進度等影響，分期填筑時先期填筑體先沉降穩(wěn)定，后期填筑的沉降穩(wěn)定會有一定的滯后，而且后期填筑體會引起先期填筑體發(fā)生一定的附加沉降，施工進度越快后期變形越大。

蓄水濕陷沉降會引起較大的后期變形，根據(jù)我們曾對中江黃鹿水庫“紅層”地區(qū)軟砂巖石渣壩殼料濕陷性研究，在非飽和條件下，風干狀態(tài)的壓縮變形量低于最優(yōu)含水率狀態(tài)。濕陷變形系數(shù)為試樣變形穩(wěn)定后浸水濕陷引起的附加變形與試樣原始高度的比值，濕陷變形系數(shù)變化規(guī)律主要為：(1)浸水時垂直壓力影響，開始浸水時垂直壓力較低則濕陷變形系數(shù)較大；(2)級配影響，小于5mm含量較多則濕陷變形系數(shù)較大；(3)起始含水率影響，起始含水率較小則濕陷變形系數(shù)較大。浸水引起的濕陷變形量占總變形量的11.9%～47.6%，平均為29.1%。浸水時壓縮模量變化較大，在0.4MPa變形穩(wěn)定浸水時Es0.2～0.4減小量平均為57.1%，在0.8MPa變形穩(wěn)定浸水時Es0.4～0.8減小量平均為53.9%，說明軟砂巖筑壩料浸水軟化較明顯。

根據(jù)計算和濕陷變形研究成果，金峰水庫最大壩高88m，壩殼模量數(shù)為300～400時，最大沉降約1m(包括施工期，但不含濕陷變形)，完建時壩頂沉降量27.08cm～49.00cm，軟砂巖料蓄水濕陷附加沉降約為最大沉降量的30%，濕陷變形引起壩頂沉降值約為30cm，最終壩頂沉降(包含完建時壩頂沉降量和蓄水濕陷變形兩部分)約為60cm～80cm，壩頂沉降量小于壩高的1%。

瀝青混凝土心墻位移，關(guān)心的往往不是位移絕對值大小，而是位移沿壩高分布，重視的是瀝青混凝土心墻的撓度控制。心墻撓度主要受相對水平位移控制，一般應將撓跨比控制在允許范圍內(nèi)。

心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶1.5∶2.0

心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶2.0∶3.0

心墻模量數(shù)為300時，完建工況，心墻水平位移非常小，隨著水位上升，撓跨比逐漸增大；水壓力相同時，撓跨比隨壩殼模量增大而減小。最大撓跨比發(fā)生在瀝青混凝土心墻底部0～15m范圍，為水平位移單位增量最大位置，瀝青混凝土心墻底部約束和心墻水壓力在這個范圍最大所致，計算最大撓跨比達4.5%，超出表4中試驗最大值。對于瀝青混凝土心墻與混凝土底座連接部位，應充分考慮心墻底部可能發(fā)生的錯動，配合比設計時在允許條件下盡可能增大瀝青混凝土心墻的柔性。同時在壩體底部一定范圍內(nèi)，宜采用抗壓強度較高的筑壩材料和較高的填筑標準，以增大該部位壩殼料的變形模量，減小水平變形量。根據(jù)計算，在此部位壩殼模量數(shù)宜大于800，其余部位撓跨比不大，壩殼模量不小于400即可。

表4 二工程瀝青混凝土撓度和撓跨比

4.2 瀝青混凝土心墻的力學穩(wěn)定性

一般而言，心墻瀝青混凝土的單軸抗壓強度可以達到2.5MPa～3.0MPa(見表5)，因此有側(cè)限條件下能夠承受的壓應力超過3.0MPa。

表5 三工程瀝青混凝土抗壓強度

心墻模量數(shù)為300、心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶1∶1時，心墻大主應力最大值約為4.0MPa；心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶1.25∶1.5時，心墻大主應力最大值為3.0MPa～4.0MPa；心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶1.75∶2.0時，心墻大主應力最大值約為3.0MPa。所以，當心墻模量數(shù)為300，壩料模量數(shù)不小于600，心墻瀝青混凝土抗壓強度能夠滿足應力要求，即心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶1.75∶2.0。同時對于金峰水庫軟巖石渣高壩，心墻瀝青混凝土宜研究提高其抗壓強度大于4.0MPa。

4.3 瀝青混凝土心墻的應力水平

心墻模量數(shù)為300時，心墻應力水平較低，沒有塑性破壞單元出現(xiàn)；在距離心墻底部10m～60m范圍內(nèi)，相同高程應力水平隨著水位上升而有所減??；原因是水壓力作用下增大了瀝青混凝土心墻的側(cè)向壓力，剪應力相應減小，因此蓄水有利于改善該范圍內(nèi)瀝青混凝土心墻應力條件。在距離心墻底部0m～10m以及60m以上范圍，應力水平隨著水位上升則有所增大，這與前面的論述吻合。由于這個范圍隨水位上升心墻剪應力增大所致，隨著壩殼模量的增大這種現(xiàn)象明顯減弱。心墻∶過渡層∶壩殼模量=1∶1.25∶1.5時，心墻底部的應力水平低于0.8。因此從應力水平來看，瀝青混凝土、過渡層和壩殼模量比：1∶1.25∶1.5～1∶1.5∶2.0，即壩殼模量大于450～600，可使心墻底部應力水平低于0.8。

5 結(jié)語瀝青混凝土心墻模量數(shù)變化范圍不大，瀝青混凝土心墻模量數(shù)一定時，心墻的大、小主應力、應力水平、最大沉降、向上下游最大水平位移以及壩體變形等，隨筑壩料模量數(shù)增大而減小；筑壩材料性質(zhì)，特別是壩殼料的性質(zhì)對整個壩體應力應變起控制性作用，直接影響瀝青混凝土心墻應力應變，所以筑壩材料和填筑標準的選取尤為重要。但并非筑壩材料的模量數(shù)越大越好或越小越好，瀝青混凝土、過渡層和壩殼需要應力應變相互協(xié)調(diào)，存在一個合理的相互模量比值區(qū)間。

就滿足壩體變形而言，考慮施工因素和壩料濕化變形，壩頂沉降量不大于壩高的1%，壩殼模量數(shù)宜不小于300～400。心墻底部以及壩體底部一定范圍內(nèi)，是撓跨比和力學穩(wěn)定性薄弱位置，相應壩殼模量數(shù)宜不小于800。心墻模量數(shù)為300、壩殼模量數(shù)不小于600時，心墻瀝青混凝土抗壓強度滿足應力要求。瀝青混凝土心墻模量數(shù)為300～500時，過渡層和壩殼模量數(shù)合理區(qū)間分別為400～800和600～1000，也就是瀝青混凝土、過渡層和壩殼模量比合理范圍是1∶1.25∶1.5～1∶1.5∶2.0。

〔1〕SL501-2010.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規(guī)范[S].

〔2〕DL/T5411-2009.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規(guī)范[S].

〔3〕SL274-2001.碾壓式土石壩設計規(guī)范[S].

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2095-1809(2016)01-0014-05