高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dá)，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(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定。本文以金峰水庫壩體設(shè)計(jì)斷面，結(jié)合瀝青混凝土心墻和壩體應(yīng)力、變形要求，研究瀝青混凝土、過渡層和壩殼之間應(yīng)力應(yīng)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(shí)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(dá)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(dāng)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(yīng)力；(2)當(dāng)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(yīng)力；(3)當(dāng)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(yīng)”，對瀝青混凝土心墻產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。本文采用金峰水庫設(shè)計(jì)斷面和表達(dá)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)力、應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)力水平無明顯影響，小主應(yīng)力隨瀝青混凝土心墻模量數(shù)的增大而減??；(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(yīng)力、應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)力水平增大，小主應(yīng)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(yīng)力變形關(guān)系

壩殼心墻模量比、模量數(shù)與心墻應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3和圖4?；貧w分析可知，瀝青混凝土心墻模量數(shù)一定時，心墻應(yīng)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(dá)式如下：

Y=m·Xn

式中：m、n——應(yīng)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(yīng)力(MPa)或變形(cm)。

應(yīng)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(yīng)力變形Y指數(shù)相關(guān)，符合指數(shù)關(guān)系。

表2 心墻應(yīng)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(yīng)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(yīng)”，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(jìn)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(yīng)力應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(jì)算組合情況下，心墻最大沉降變形為37.32cm～175.54cm，沉降率或應(yīng)變(沉降率或應(yīng)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(yīng)變允許范圍，目前規(guī)范或文獻(xiàn)還沒有明確要求。如果以抗壓試驗(yàn)最大壓應(yīng)力和三軸試驗(yàn)最大偏應(yīng)力時的應(yīng)變判斷，由表3可知心墻應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大應(yīng)力時的應(yīng)變，而且瀝青混凝土心墻適應(yīng)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(yàn)最大壓應(yīng)力和三軸試驗(yàn) 最大偏應(yīng)力時應(yīng)變

據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范〔3〕“當(dāng)計(jì)算的竣工后壩頂沉降量與壩高的比值大于1%時，應(yīng)在分析計(jì)算成果的基礎(chǔ)上，論證選擇的壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性和采取工程措施的必要性?！苯鸱逅畮煊?jì)算結(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(jìn)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(jìn)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(fēng)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(jì)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(yīng)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(jì)算最大撓跨比達(dá)4.5%，超出表4中試驗(yàn)最大值。對于瀝青混凝土心墻與混凝土底座連接部位，應(yīng)充分考慮心墻底部可能發(fā)生的錯動，配合比設(shè)計(jì)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(qiáng)度較高的筑壩材料和較高的填筑標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(xué)穩(wěn)定性

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

表5 三工程瀝青混凝土抗壓強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力最大值約為3.0MPa。所以，當(dāng)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(qiáng)度能夠滿足應(yīng)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(qiáng)度大于4.0MPa。

4.3 瀝青混凝土心墻的應(yīng)力水平

心墻模量數(shù)為300時，心墻應(yīng)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(yīng)力水平隨著水位上升而有所減?。辉蚴撬畨毫ψ饔孟略龃罅藶r青混凝土心墻的側(cè)向壓力，剪應(yīng)力相應(yīng)減小，因此蓄水有利于改善該范圍內(nèi)瀝青混凝土心墻應(yīng)力條件。在距離心墻底部0m～10m以及60m以上范圍，應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平低于0.8。因此從應(yīng)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(yīng)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(yīng)力、應(yīng)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?。恢尾牧闲再|(zhì)，特別是壩殼料的性質(zhì)對整個壩體應(yīng)力應(yīng)變起控制性作用，直接影響瀝青混凝土心墻應(yīng)力應(yīng)變，所以筑壩材料和填筑標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性薄弱位置，相應(yīng)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(qiáng)度滿足應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

〔3〕SL274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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2095-1809(2016)01-0014-05