阮彥晟, 賈婕培, 陳曉鵬
(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川 成都 610072)
礫石土較純黏土具有壓縮性小,有利于避免水力劈裂裂縫,有利于控制裂縫發(fā)展且具有自愈作用、可減少含水量處理的困難和利于重型機(jī)械施工等特性。因此,國外土石壩,尤其是高土石壩,多采用礫石土作為防滲料。近年來,采用礫石土作防滲料的優(yōu)越性已逐步為國內(nèi)設(shè)計(jì)者所認(rèn)可[1-3]。
土石壩防滲料在上壩碾壓時(shí),其飽和度一般達(dá)到90%以上,心墻填筑過程中,孔隙水壓力的消散能力不足,高心墻壩在施工期容易產(chǎn)生高孔隙水壓力。高孔隙水壓力的存在,導(dǎo)致心墻有效應(yīng)力降低,從而影響壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度[4-5]。因此,對(duì)高堆石壩施工期孔隙水壓力的研究一直備受關(guān)注。本文以某工程施工期監(jiān)測資料為基礎(chǔ),分析礫石土心墻孔隙水壓力形成機(jī)制與特征,結(jié)合土壓力得出有效應(yīng)力,以便更深入理解礫石土心墻的孔隙水壓力形成機(jī)制及特征,為同類工程提供參考。
某水電站工程主要任務(wù)是發(fā)電,總庫容為10.75億m3,總裝機(jī)容量2 600 MW。
樞紐擋水建筑物攔河大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高240 m,壩頂長度496.39 m,壩頂寬度16.00 m。
壩軸線附近河谷相對(duì)開闊,呈較寬的“V”型,兩岸自然邊坡陡峻,臨江坡高700 m左右。壩址區(qū)基本地震烈度為Ⅷ度。
工程于2016年10月下閘蓄水,2018年4月機(jī)組全部建成發(fā)電,主體工程完工。
大壩心墻沿壩軸線從左至右(縱)0+137.00 m、(縱)0+193.00 m、(縱)0+253.00 m、(縱)0+330.00 m、(縱)0+394.00 m五個(gè)主要剖面在其相應(yīng)高程1 470.0 m、1 513.0 m、1 586.0 m、1 645.0 m,分別布設(shè)有土壓力計(jì)和滲壓計(jì)。沿壩軸線縱剖面布置(見圖1)。
圖1 壩軸線縱剖面監(jiān)測布置
心墻區(qū)孔隙水頭隨上游水位變化過程見圖2、3。
圖2 1 460.0 m高程最大壩高橫斷面孔隙
圖3 1 513.0 m高程最大壩高橫斷面孔隙
由圖2、3可知:
(1)與壩體填筑過程相關(guān)性較大,受上游水位影響較小,初步判定水頭主要由填筑荷載引起的超靜孔隙水壓力。不同高程響應(yīng)時(shí)間不同,低高程隨壩體填筑響應(yīng)及時(shí),高高程響應(yīng)稍有滯后。
(2)庫水位以下,心墻上下游靠近反濾處基本不受填筑高程影響,折算水頭與庫水位走勢相似,初步判定該測值主要由上游水位變化引起。
(3)庫水位以上,心墻上下游靠近反濾處折算水頭不受填筑高程影響。
心墻區(qū)壩軸線折算水頭空間分布見圖4、5。
圖4 心墻沿壩軸線實(shí)測孔隙水頭等值線分布
圖5 最大壩高橫斷面壩體心墻區(qū)實(shí)測孔隙水頭分布
由圖4、5可知:
(1)1 460.0 m高程、1 513.0 m高程、1 550.0 m高程折算水頭遠(yuǎn)高于埋設(shè)高程,初步判定上述折算水頭主要由填筑荷載引起超靜孔隙水壓力;1 585.0 m高程、1 615.0 m高程、1 645.0 m高程因埋設(shè)高程較高和埋設(shè)較晚,超靜孔隙水壓力很小。
(2)與心墻填筑相關(guān)性較大,隨壩體填土壓力的增大而逐漸增大,其變化趨勢與填土壓力變化趨勢基本相同。
(3)分布基本呈中間大、兩頭小,即靠近軸線高,上下游堆較小。初步分析認(rèn)為:越靠近軸線,上部荷載越大,受其材料本身的防滲影響,孔隙水消散較慢,而靠近上下游反濾層部位,孔隙水相對(duì)容易消散。
心墻區(qū)土壓力隨上游水位變化過程見圖6、7。
圖6 最大壩高橫斷面1 458~1 472 m高程實(shí)測壓力過程線
圖7 最大壩高橫斷面1 513 m高程土壓力計(jì)實(shí)測壓力過程線
從圖6、7中可看出:
(1)土壓力與壩體填筑高度具有較高的相關(guān)性,應(yīng)力隨填筑高程增加而增大。
(2)實(shí)測值小于理論計(jì)算值。
心墻區(qū)土壓力空間分布見圖8、9。
圖8 沿心墻中心線縱斷面土壓力計(jì)測值分布等值線(單位:MPa)
圖9 最大壩高橫斷面土壓力測值分布等值線(單位:MPa)
從圖8、9可看出:
(1)心墻區(qū)軸線上基礎(chǔ)部位由于上覆土體高、觀測時(shí)間長,測值大于上部高程,測值分布基本正常。其中最大壩高處即(縱)0+253.72 m剖面的土壓力最大,測值為3.18 MPa。
(2)最大土壓力分別位于上下游反濾層中,土壓力在基礎(chǔ)廊道及高塑性黏性土附近重新分配,形成應(yīng)力集中。
(3)各部位在心墻底部上下游側(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、心墻中部應(yīng)力小;應(yīng)力等值線在監(jiān)測斷面心墻中部呈凹陷狀分布,表明心墻在橫斷面方向存在拱效應(yīng)。
(4)從沿心墻中心線縱斷面土壓力等值線分布看,同一高程河床中部應(yīng)力大、兩岸岸坡應(yīng)力小,高程越低中部與兩側(cè)應(yīng)力差異越大,表明橫向河谷方向拱效應(yīng)不明顯。
通過對(duì)該工程施工期大壩心墻區(qū)孔隙水壓力與土壓力的分析,可得到以下認(rèn)識(shí):
(1)高礫石土心墻堆石壩心墻,在施工過程中存在孔隙水壓力現(xiàn)象,總體分布為河床中部高于兩岸岸坡,心墻中部高于上下游兩側(cè);土壓力分布與之相反;測值分布符合一般規(guī)律。
(2)由于心墻仍處于填筑過程中,孔隙水壓力隨壩體填筑高程增加而增加,加上心墻滲透系數(shù)較小(小于1×10-5cm/s),局部孔隙水壓力消散緩慢,相應(yīng)有效應(yīng)力增加緩慢。
(3)心墻孔隙水壓力主要受壩體填筑過程控制,與庫水位相關(guān)性不大。
(4)心墻土壓力在基礎(chǔ)廊道及高塑性黏性土附近重新分配,形成應(yīng)力集中,心墻在橫斷面方向存在一定拱效應(yīng)。
(5)掌握了蓄水前大壩心墻應(yīng)力的工作狀態(tài),為蓄水后大壩安全運(yùn)行分析評(píng)價(jià)和是否會(huì)產(chǎn)生水力劈裂提供數(shù)據(jù)支撐。