孫 全, 李 俊
(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)
礫石土心墻施工期的應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析
孫 全, 李 俊
(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)
針對(duì)高心墻土石壩,施工期心墻內(nèi)部過低的豎向土壓力和較高的超靜孔隙水壓力對(duì)施工期及蓄水期的大壩安全穩(wěn)定具有重要意義。以某礫石土心墻土石壩施工期大壩心墻應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ),按時(shí)間規(guī)律和空間分布分析了施工期心墻豎向土壓力和孔隙水壓力。
礫石土心墻;土壓力;孔隙水壓力;拱效應(yīng);監(jiān)測(cè)與分析
某在建工程攔河大壩采用土質(zhì)防滲體分區(qū)壩,防滲體采用礫石土直心墻型式,壩殼采用堆石填筑,心墻與上、下游壩殼堆石之間均設(shè)有反濾層、過渡層,防滲墻下游心墻底部及下游壩殼與覆蓋層壩基之間設(shè)有水平反濾層。壩體建基面最低高程為1 457 m,最大壩高240 m,壩頂長(zhǎng)度為502.85 m,壩頂寬度為16 m,上、下游壩坡坡比均為1∶2。
礫石土直心墻頂高程為1 696.4 m,頂寬6 m,心墻上、下游坡坡比均為1∶0.25,心墻底高程為1 457 m,最大底寬125.7 m。由于壩線兩岸岸坡陡峻,遂在心墻與岸坡接觸部位填筑高塑性粘土以協(xié)調(diào)二者之間的變形,高塑性粘土水平厚度為3~4 m。心墻上、下游反濾層水平厚度分別為8 m和12 m,上、下游過渡層水平厚度均為20 m。
礫石土心墻大壩在樁號(hào)(縱)0+137、(縱)0+193、(縱)0+253.72、(縱)0+330、(縱)0+394布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面,相同部位均布置有土壓力計(jì)和滲壓計(jì)。筆者僅介紹了最大斷面(縱)0+253.72監(jiān)測(cè)儀器的布置情況。該斷面在基礎(chǔ)高程1 513、1 550、1 585 m處布置有振弦式滲壓計(jì),目的是了解礫石土心墻的孔隙水壓力及其分布與消散情況。同時(shí),在基礎(chǔ)高程、1 513、1 586 m部分滲壓計(jì)旁邊埋設(shè)有振弦式土壓力計(jì),目的是了解礫石土心墻的受力情況。
滲壓計(jì)和土壓力計(jì)的具體埋設(shè)位置見圖1、2中P代表滲壓計(jì),E代表土壓力計(jì),儀器下標(biāo)代表儀器編碼。目前大壩填筑已完成,但在大壩填筑過程中部分儀器被損壞。為對(duì)比施工期孔隙水壓力對(duì)心墻區(qū)土壓力的影響,在最終出具的報(bào)告中被損壞儀器的觀測(cè)日期均為最后測(cè)值,完好的儀器觀測(cè)日期截止至2016年7月30日。
心墻防滲體在施工期處于非飽和狀態(tài)??紫端畨毫Φ漠a(chǎn)生和消散是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,被碾壓的土料處于三相狀態(tài),由于心墻防滲體土料的滲透系數(shù)很小,液態(tài)水和氣體被壓縮在一個(gè)近似封閉的空腔中,在其碾壓和填筑過程中,隨著上覆土壓力的增加,土料孔隙體積縮小,靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為超靜孔隙水壓力。孔隙水壓力的大小與填筑土料的含水率、壓縮模量、滲透系數(shù)和上覆土壓力以及填筑速率有關(guān)。
3.1 土壓力時(shí)間與空間特征分析
圖3~6分別為1 460、1 513、1 586、1 645 m高程土壓力-時(shí)間曲線,從圖中可以看出:壩體土壓力與壩體填筑高度具有較高的相關(guān)性,土體應(yīng)力隨填筑高程的增加而增加;土壓力值隨壩體填筑高程上升逐漸增大。
圖7為實(shí)測(cè)土壓力空間分布圖、圖8為拱效應(yīng)系數(shù)空間分布圖,從圖中可以看出: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、中部應(yīng)力小,心墻應(yīng)力呈凹陷狀分布,表明心墻在順?biāo)鞣较虼嬖诠靶?yīng)。
圖1 礫石土心墻土壓力計(jì)布置圖
圖2 礫石土心墻孔隙水壓力計(jì)布置圖
圖3 基礎(chǔ)層1 460 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖4 1 513 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖5 1 586 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖6 1 645 m高程土壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖7 礫石土心墻土壓力分布圖
圖8 礫石土心墻拱效應(yīng)系數(shù)分布圖
在心墻堆石壩填筑過程中,由于壩殼料和心墻土料壓縮模量不同,材料間產(chǎn)生不均勻沉降,心墻的部分應(yīng)力傳遞到壩殼使心墻內(nèi)部應(yīng)力減小,即產(chǎn)生心墻拱效應(yīng)。
采用拱效應(yīng)系數(shù)R=σz/γh表征心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的強(qiáng)弱,R越小,拱效應(yīng)越強(qiáng)。式中γ為土的重度,h為上覆土厚度。心墻內(nèi)各點(diǎn)拱效應(yīng)系數(shù)見表1。
通過圖6和表1可以看出:心墻拱效應(yīng)最強(qiáng)烈的部位大約在1/3壩高處壩軸線附近;存在拱效應(yīng)的高程土壓力呈駝峰狀分布,壩軸線附近土壓力最小。
3.2 孔隙水壓力時(shí)間與空間特征分析
心墻剛剛填筑壓實(shí)之后,土體中的液態(tài)水和氣體被壓縮在一個(gè)近似封閉的空腔中。隨著填筑高程的逐步升高,作用在土體單元上的上覆土壓力不斷增大,下部土層壓縮、密實(shí)。盡管孔隙水量未變,但孔隙體積減小,飽和度增加,孔隙水壓力轉(zhuǎn)換為超靜孔隙水壓力。由于心墻防滲體土料的滲透系數(shù)很小, 短期內(nèi)水將無法滲出,且因上覆土壓力的增加、孔隙體積的壓縮且孔隙水又不能及時(shí)、有效地消散,從而使孔隙水壓力不斷增大。隨后,當(dāng)上覆土壓力增加的速度(心墻填筑的速度)小于孔隙水向四周擴(kuò)散的速度時(shí),孔隙水壓力則慢慢消散。
圖9~11分別為1 460、1 513、1 586 m高程孔隙水壓力計(jì)-時(shí)間曲線。從圖中可以看出:心墻內(nèi)孔隙水壓力與壩體填筑高度具有較高的相關(guān)性,心墻中部的孔隙水壓力計(jì)測(cè)值隨填筑高程的增加而增加;心墻兩側(cè)孔隙水滲徑較短,有利于孔隙水的消散,因此,兩側(cè)孔隙水壓力計(jì)與壩體填筑高度相關(guān)性較差。
圖12為實(shí)測(cè)孔隙水壓力計(jì)空間分布圖。從圖中可以看出:心墻底部中間位置孔隙水壓力最大,以該點(diǎn)為中心向四周逐漸減弱;并且同一高程孔隙水壓力分布總體特征為心墻兩側(cè)壓力小、心墻中部壓力大,孔隙水壓力計(jì)在心墻中部呈凸出狀分布,與心墻土壓力分布特征相反。
一般來說,心墻變形模量相對(duì)較低、沉降速率和沉降量相對(duì)于堆石體較大,因此,壩殼料對(duì)反濾料接觸部位的變形具有約束作用,從而導(dǎo)致上下游側(cè)心墻土應(yīng)力有部分傳遞至壩殼料,由此而產(chǎn)生拱效應(yīng)。由于心墻填筑材料具有的阻水特性,在心墻填筑過程中會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,使作用于土骨架上的有效應(yīng)力發(fā)生變化,從而限制其變形。
表2為埋設(shè)在同一部位的滲壓計(jì)P180和土壓力計(jì)E58-3在同一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力增量以及平均日應(yīng)力增量。由于埋設(shè)部位相近,可視為同一點(diǎn)處孔隙水壓力和土壓力。從表2中可以看出:在2014年4月到2015年8月之間孔隙水壓力的增量大于土壓力增量,并且平均日增量在同時(shí)段亦是孔隙水壓力大于土壓力,隨著心墻固結(jié)和孔隙水的消散,從2015年9月到2016年7月之間土壓力增量和平均日土壓力增加開始大于孔隙水壓力增量。
表1 心墻內(nèi)各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)土壓力和拱效應(yīng)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表
圖9 1 460 m高程孔隙水壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖10 1 513 m高程孔隙水壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖11 1 585 m高程孔隙水壓力計(jì)時(shí)間曲線圖
圖12 礫石土心墻孔隙水壓力分布圖
表2 同部位土壓力和孔隙水壓力增量統(tǒng)計(jì)表
(1) 在施工期,心墻土壓力基本沿壩軸線呈對(duì)稱分布,拱效應(yīng)最強(qiáng)烈的部位大約在1/3壩高處壩軸線附近;存在拱效應(yīng)的高程土壓力呈駝峰狀分布,壩軸線附近土壓力最小。
(2) 在前期填筑過程中,由于超靜孔隙水壓力的作用,初期心墻中部孔隙水壓力高于有效土壓力;隨著心墻固結(jié)沉降和孔隙水壓力逐步消散,有效土壓力逐步大于孔隙水壓力,上部荷載主要由有效土壓力承擔(dān),孔隙水壓力逐步平穩(wěn)。
(責(zé)任編輯:李燕輝)
2016-12-24
TV7;TV522
B
1001-2184(2017)01-0046-04
孫 全(1985-),男,吉林和龍人,助理工程師,學(xué)士,從事監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作;
李 俊(1986-),男,云南宜良人,助理工程師,學(xué)士,從事監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作.