某工程堆石壩施工期礫石土心墻孔隙水壓力與土壓力分析

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)

0 前 言

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。

1 工程概況

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。

2 心墻孔隙水壓力和土壓力監(jiān)測布置

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

3 心墻孔隙水壓力分析

3.1 時(shí)間過程

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。

3.2 空間分布

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。

4 心墻土壓力分析

4.1 時(shí)間過程

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。

4.2 空間分布

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。

5 結(jié) 論

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。