滑動(dòng)帶消解過(guò)渡料層和瀝青混凝土心墻之間鎖定作用的試驗(yàn)研究

張俊琪

（山西省三門(mén)峽庫(kù)區(qū)建設(shè)工程有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

1 工程概況

某電站壩址處控制流域面積6.3 萬(wàn)km2，多年平均徑流量1 020 m3/s，電站正常蓄水位955 m，總庫(kù)容1.5 億m3，裝機(jī)總?cè)萘?00 MW。水電站主要由擋水建筑物、泄水建筑物以及廠區(qū)建筑物構(gòu)成。其中，擋水建筑物擬采用瀝青混凝土心墻堆石壩，初擬壩頂高程960.00 m，最大壩高約72 m，大壩壩體共分為四個(gè)不同的材料分區(qū)，分別為堆石料Ⅰ區(qū)、堆石料Ⅱ區(qū)、過(guò)渡層區(qū)以及瀝青混凝土心墻區(qū)。由于過(guò)渡料和心墻的瀝青混凝土兩種材料的變形模量差異較大，因此沉降速率和變形量也必然不同，而大壩的過(guò)渡層與瀝青混凝土心墻之間存在粗糙且相互咬合的接觸面[1]。所以，過(guò)渡料對(duì)瀝青混凝土心墻具有較強(qiáng)的鎖定效果，而這種鎖定不利于心墻抵抗剪切變形，如果遭遇較大的剪切作用力，極易誘發(fā)局部開(kāi)裂，如果開(kāi)裂部位處于水位線下，就會(huì)在壓力水劈裂作用下造成開(kāi)裂程度加深，進(jìn)而危及大壩安全[2]。因此，在大壩設(shè)計(jì)中提出在過(guò)渡料和瀝青混凝土心墻之間設(shè)置由小粒徑散粒體料構(gòu)成的滑動(dòng)帶，以降低過(guò)渡料對(duì)心墻的鎖定作用。本次研究通過(guò)模型試驗(yàn)的方式，驗(yàn)證滑動(dòng)帶的作用效果，為大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)使用的過(guò)渡料為最大粒徑60 mm 的破碎砂礫石料，原料取自某水電站項(xiàng)目區(qū)。過(guò)渡料的表觀密度為2.65 g/cm3，吸水率為0.886%，壓碎率為13.2%，相關(guān)指標(biāo)滿(mǎn)足大壩設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)用瀝青混凝土的瀝青為克拉瑪依90 號(hào)A 級(jí)瀝青，骨料為項(xiàng)目指定料場(chǎng)的石灰?guī)r塊石經(jīng)過(guò)破碎篩選后的6 級(jí)礦料，填料為球磨機(jī)磨制的石灰石礦粉。經(jīng)檢驗(yàn)測(cè)定瀝青混凝土的原料質(zhì)量滿(mǎn)足《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5362-2006）的相關(guān)要求[3]。瀝青混凝土的配合比采用大壩瀝青混凝土心墻的設(shè)計(jì)配合比：級(jí)配指數(shù)為0.41，油石比為6.9%，填料含量為13%。

2.2 試件成型

由于瀝青混凝土心墻土石壩在施工過(guò)程中瀝青混凝土心墻與兩側(cè)的過(guò)渡料采取同時(shí)攤鋪和碾壓的施工方式，因此兩者之間會(huì)出現(xiàn)相互咬合的情況[4]。為了模仿施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，研究中采用板式成型法進(jìn)行成型[5]。成型模具的尺寸為360 mm×300 mm×450 mm，其中瀝青混凝土和過(guò)渡料的尺寸分別為250 mm×300 mm×400 mm 和110 mm×300 mm×400 mm。瀝青混凝土和過(guò)渡料按照每層厚度50 mm，分8 層同時(shí)擊實(shí)成型。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

目前，用于接觸面力學(xué)性能研究的設(shè)備種類(lèi)較多，結(jié)合本次研究的需要和研究目的，選擇由清華大學(xué)研制的大型接觸面循環(huán)加載剪切試驗(yàn)機(jī)[6]。其設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和原理如圖1 所示。該設(shè)備主要由上下剪切盒、疊環(huán)系統(tǒng)、軸向和水平油壓系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。其中，剪切盒的截面規(guī)格為400 mm×300 mm。上剪切盒固定，下剪切盒可以移動(dòng)，以模擬實(shí)際工況下的剪切運(yùn)動(dòng)。疊環(huán)系統(tǒng)由厚度為18 mm 的34 片可以水平移動(dòng)的疊環(huán)構(gòu)成。試驗(yàn)過(guò)程中的軸向壓力由兩個(gè)最大行程為200 mm 的油缸提供。設(shè)備的水平方向安裝有為下剪切盒提供水平推力的油缸，最大行程為300 mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件構(gòu)成，主要用于采集和存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和原理示意圖

2.4 試驗(yàn)方案

考慮到施工的便捷性和可操控性，選擇瀝青混凝土心墻和過(guò)渡料之間的滑移帶厚度為20 cm。為了比較不同粒徑過(guò)渡料作為滑移帶的具體作用效果，試驗(yàn)研究中選取最大粒徑20 mm 和10 mm 的兩種粒徑過(guò)渡料作為滑移帶。試驗(yàn)中軸向加壓系統(tǒng)對(duì)試件施加軸向壓力以模擬大壩的實(shí)際應(yīng)力條件，水平加壓系統(tǒng)勻速推動(dòng)下剪切盒市瀝青混凝土和過(guò)渡料發(fā)生剪切變形。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料和試驗(yàn)需求，試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，軸向壓力設(shè)定為1.2 MPa，剪切速率0.5 mm/min。利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)定剪切應(yīng)力和剪切位移，對(duì)未設(shè)置滑移帶以及兩種不同粒徑滑移帶時(shí)接觸面的力學(xué)以變形特征，并對(duì)設(shè)置滑移帶的可行性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 剪應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

利用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出如圖2 所示的試件剪切應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系。由圖可知，沒(méi)有設(shè)置滑動(dòng)帶情況下的剪應(yīng)力最大值為0.97 MPa。設(shè)置最大粒徑為20 mm 過(guò)渡料滑動(dòng)帶的剪應(yīng)力最大值為0.78 MPa，與沒(méi)有設(shè)置滑動(dòng)帶相比，剪應(yīng)力減小了約19.6%。設(shè)置最大粒徑為10 mm 過(guò)渡料滑動(dòng)帶的剪應(yīng)力最大值為0.64 MPa，與沒(méi)有設(shè)置滑動(dòng)帶相比，剪應(yīng)力減小了約34.0%。此外，當(dāng)試件的剪切位移小于30 mm 情況下，剪切應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果十分接近，差距并不明顯。如果剪切位移繼續(xù)增加，設(shè)置滑動(dòng)帶對(duì)降低剪切應(yīng)力逐步顯示出來(lái)，試件的剪切應(yīng)力值明顯小于沒(méi)有設(shè)置滑動(dòng)帶的試件。同時(shí)，碎石料的粒徑越小，接觸面剪切應(yīng)力減小幅度越大，說(shuō)明采用粒徑較小的碎石料作為滑動(dòng)帶更為有利。此外，不同試驗(yàn)條件下的剪切應(yīng)力最大值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致，均在剪切位移為240 mm 時(shí)。

圖3 是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的試件底部應(yīng)力和剪切位移之間的關(guān)系曲線。由圖可知，試件底部與接觸面的剪切應(yīng)力的變化特征相似。顯然，底部應(yīng)力的減小反映了瀝青混凝土心墻與過(guò)渡料之間摩擦力的減小，在工程實(shí)際中有助于減小過(guò)渡料對(duì)心墻沉降變形的約束。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了增設(shè)滑動(dòng)帶的必要性和價(jià)值。

圖2 不同應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線

圖3 底部應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線

3.2 滑動(dòng)變形試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)疊環(huán)的水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出水平位移發(fā)展曲線，結(jié)果如圖4—圖6 所示。由圖可知，在設(shè)置最大粒徑為10 mm 的滑動(dòng)帶情況下，滑動(dòng)帶的變形要明顯偏大，而心墻與過(guò)渡料部位的變形量則相對(duì)較小。從設(shè)置和未設(shè)置滑動(dòng)帶的水平位移對(duì)比結(jié)果來(lái)看，設(shè)置滑動(dòng)帶有助于控制心墻和過(guò)渡料區(qū)域變形，主要表現(xiàn)為水平位移量的減小。在設(shè)置最大粒徑為20 mm 的滑動(dòng)帶情況下，滑動(dòng)帶的變形偏大，但是偏大幅度比較有限，從設(shè)置和未設(shè)置滑動(dòng)帶的水平位移對(duì)比結(jié)果來(lái)看，心墻和過(guò)渡料區(qū)域的變形沒(méi)有顯著變化。

圖4 未設(shè)滑動(dòng)帶水平位移發(fā)展曲線

圖5 最大粒徑10mm 滑動(dòng)帶水平位移發(fā)展曲線

圖6 最大粒徑20mm 滑動(dòng)帶水平位移發(fā)展曲線

3.3 剪切應(yīng)變計(jì)算結(jié)果分析

利用上節(jié)試驗(yàn)中測(cè)量獲取的各疊環(huán)的水平位移發(fā)展特征，計(jì)算獲取瀝青混凝土心墻以及過(guò)渡料的剪切應(yīng)變，其與剪切位移之間的關(guān)系如圖7 所示。由圖可知，當(dāng)試件的剪切位移小于30 mm 情況下，剪切應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果十分接近，差距并不明顯。如果剪切位移繼續(xù)增加，設(shè)置滑動(dòng)帶對(duì)降低剪切應(yīng)變逐步顯示出來(lái)，試件的剪切應(yīng)變值明顯小于沒(méi)有設(shè)置滑動(dòng)帶的試件。同時(shí)，碎石料的粒徑越小，接觸面剪切應(yīng)變減小幅度越大，說(shuō)明采用粒徑較小的碎石料作為滑動(dòng)帶更為有利。例如，在剪切位移為240 mm 時(shí)，未設(shè)置滑動(dòng)帶試件的剪切應(yīng)變?yōu)?4.2%，設(shè)置最大粒徑分別為20 mm 和10 mm 滑動(dòng)帶的剪切應(yīng)變?yōu)?7.4%、35.6%，分別減少了6.5%和18.6%。

綜合以上試驗(yàn)成果可知，在瀝青混凝土心墻和過(guò)渡料之間設(shè)置滑動(dòng)帶，在剪切位移較小時(shí)對(duì)減小兩者接觸面部位的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變效果并不明顯，但是剪切位移較大時(shí)，則能夠有效消散過(guò)渡料對(duì)心墻的鎖定作用，大幅降低剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，可以達(dá)到保護(hù)瀝青混凝土心墻的作用。鑒于最大粒徑10 mm 滑動(dòng)帶的上述作用更為顯著，建議在大壩設(shè)計(jì)施工時(shí)在瀝青混凝土心墻和過(guò)渡料之間設(shè)置最大粒徑10 mm，厚度為20 cm 的滑動(dòng)帶。

圖7 剪切應(yīng)變與剪切位移之間的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

以瀝青混凝土心墻土石壩為例，通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，對(duì)設(shè)置滑動(dòng)帶降低過(guò)渡料對(duì)心墻鎖定負(fù)面作用展開(kāi)研究，并獲得以下主要結(jié)論：

第一，當(dāng)剪切位移小于30 mm 時(shí)，設(shè)置和不設(shè)置滑動(dòng)帶的接觸剪切應(yīng)力比較接近，剪切位移在30 mm上時(shí)，設(shè)置滑動(dòng)帶可以產(chǎn)生減小剪切應(yīng)力的明顯作用。同時(shí)，滑動(dòng)帶碎石料的粒徑越小，對(duì)降低接觸面剪切應(yīng)力的作用越明顯。

第二，在設(shè)置最大粒徑為10 mm 的滑動(dòng)帶情況下，滑動(dòng)帶的變形明顯偏大，心墻和過(guò)渡料區(qū)域的變形明顯偏小；從設(shè)置和未設(shè)置滑動(dòng)帶的水平位移對(duì)比結(jié)果來(lái)看，設(shè)置滑動(dòng)帶有助于控制心墻和過(guò)渡料區(qū)域變形。

第三，在瀝青混凝土心墻和過(guò)渡料之間設(shè)置滑動(dòng)帶，在剪切位移較大時(shí)，則能夠有效消散過(guò)渡料對(duì)心墻的鎖定作用，大幅降低剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，可以達(dá)到保護(hù)瀝青混凝土心墻的作用。

第四，結(jié)合研究成果和工程實(shí)際，建議在某水電站大壩設(shè)計(jì)施工時(shí)，在瀝青混凝土心墻和過(guò)渡料之間設(shè)置最大粒徑10 mm，厚度為20 cm的滑動(dòng)帶。