新疆瀝青混凝土心墻壩心墻拱效應(yīng)影響分析

美麗古麗·買買提，廖 攀，李光雄，孟 波，波蘭汗

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究背景

為應(yīng)對新疆深厚覆蓋層、高嚴(yán)寒、高海拔、高地震的獨(dú)特筑壩環(huán)境條件，瀝青混凝土心/斜墻壩是被選用最多的壩型[1]。心墻和防滲墻是瀝青混凝土心墻壩的主要防滲屏障。由于土石壩心墻料與過渡料接觸面兩邊彈性模量不同，二者之間存在不均勻沉降，壩軸線附近沉降量相對兩側(cè)較大。為了使接觸面左右變形協(xié)調(diào)，過渡料一側(cè)對心墻料一側(cè)作用的摩擦力阻止了心墻繼續(xù)沉降，使得心墻上覆土壓力向兩側(cè)傳遞，豎向壓應(yīng)力減小，產(chǎn)生拱效應(yīng)，為心墻水平裂縫和蓄水后的水力劈裂創(chuàng)造契機(jī)。

心墻變形和滲流監(jiān)測是瀝青混凝土心墻壩的重要監(jiān)測項(xiàng)目[2]。在心墻上下游側(cè)表面布置的測斜儀、位錯計(jì)，心墻與基座接觸部位布置的滲壓計(jì)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)能較好地反映心墻的工作性態(tài)，為判斷心墻拱效應(yīng)提供了數(shù)據(jù)支持[3]。

文章通過分析新疆瀝青混凝土心墻壩施工及運(yùn)行期的監(jiān)測資料，對該壩的心墻拱效應(yīng)程度做出了判斷，并提供了后期水庫運(yùn)行管理建議。

2 工程概況及監(jiān)測布置

新疆某水庫樞紐布置主要由碾壓式瀝青混凝土心墻壩、溢洪道、泄洪兼導(dǎo)流洞和灌溉放水洞等建筑物組成，大壩及其他主要建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度。大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高63.8m。壩址處河床覆蓋層較深，壩基防滲采用1.0m厚的混凝土防滲墻，最大墻深50m。大壩于2012年10月30日開工，2014年9月12日首次蓄水。

根據(jù)瀝青混凝土心墻堆石壩施工工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有關(guān)規(guī)范要求，心墻和過渡體的監(jiān)測項(xiàng)目布置如下:

心墻沉降監(jiān)測通過在心墻下游壩體設(shè)置2組桿式沉降管，每組從壩底到壩頂垂向間隔10m各布置5個桿式沉降計(jì)測點(diǎn)，其中0+190.00m斷面壩軸線下游1m處GC1管，0+260.00m斷面壩軸線下游1m處為GC3管，圖1為0+190.00m斷面桿式沉降計(jì)布置圖。

在最大壩高斷面，樁號壩0+190.00m處，將固定式測斜儀錨固在瀝青混凝土心墻上、下游側(cè)表面，進(jìn)行瀝青混凝土心墻撓度的變形觀測，相對高程為8～48m每間隔10m布置(儀器埋設(shè)高程和水位等均為以建基面為基準(zhǔn)面的相對高程，簡稱高程)，共埋設(shè)固定式測斜儀測點(diǎn)10支，圖2為固定式測斜儀的埋設(shè)示意圖。

圖1 0+190.00m斷面桿式沉降計(jì)布置圖(單位：m)

圖2 0+190.00m斷面瀝青心墻固定式測斜儀布置圖(單位：m)

在壩0+190.00m、壩0+260.00m斷面監(jiān)測心墻與上、下游側(cè)過渡層之間的位移錯動，從壩底到壩頂垂向每10m間隔布置垂直向位錯計(jì)，共計(jì)24支，圖3為0+190.00m的位錯計(jì)布置圖，圖4為0+260.00m斷面的位錯計(jì)布置圖。

圖3 0+190.00m斷面位錯計(jì)布置圖(單位：m)

圖4 0+260.00m斷面位錯計(jì)布置圖(單位：m)

在壩0+190.00m、壩0+260.00m斷面監(jiān)測截滲體下游側(cè)壩體浸潤分布情況，沿壩體建基面在壩軸線下游2、30、60、90、120m處分別埋設(shè)5支壩體滲壓計(jì)，共計(jì)10支，圖5為0+190.00m的滲壓計(jì)布置圖，圖6為0+260.00m斷面的滲壓計(jì)布置圖。

3 大壩心墻拱效應(yīng)影響分析

根據(jù)相關(guān)研究成果[4- 6]，施工期間，隨著填筑高程的增加和時間的推移，填筑體固結(jié)程度越高，拱效應(yīng)越明顯。水庫蓄水后，一方面，由于心墻截滲作用，上游壩殼浸潤線抬高，壩殼料受到水壓力、浮托力和濕化作用的影響，摩擦角和黏聚力降低，石料軟化，強(qiáng)度減低，石料間相互滑移補(bǔ)充，從而使石料體積縮小，增大沉降。另一方面，蓄水后隨著有效應(yīng)力的降低，土體將發(fā)生回彈。由于以上兩個原因，拱效應(yīng)在水庫蓄水后勢必減少。因此，根據(jù)該大壩瀝青混凝土心墻施工期和運(yùn)行期變形監(jiān)測資料，結(jié)合實(shí)際滲流監(jiān)測資料，從實(shí)際施工過程和現(xiàn)場填筑進(jìn)度出發(fā)，分別從時間和空間分析瀝青混凝土心墻施工期和運(yùn)行期的拱效應(yīng)程度。

3.1 施工期拱效應(yīng)分析

工程大壩于2013年10月開始填筑，2014年8月2日大壩填筑至高程62.8m。由壩體內(nèi)部埋設(shè)的桿式沉降計(jì)觀測數(shù)據(jù)得知：兩個斷面的最大沉降量均發(fā)生在約1/3壩高處，即埋高為18m高程的GC1- 2、GC3- 2測點(diǎn)，最大沉降值分別為37.7、43.7mm。從沉降量過程線可知，大壩填筑施工期壩體沉降量隨壩體填筑高度的增加而增大，其間沉降量變化速率大于后期大壩運(yùn)行時的沉降速率，如圖7所示。施工期內(nèi)，完成了瀝青混凝土心墻與兩側(cè)過渡料之間豎向變形的大部分位移變化，位移錯動表現(xiàn)為瀝青心墻相對過渡料下沉，筑壩階段最大變形量為25.7mm，同時位于高程18m的JG5、JG6位錯計(jì)監(jiān)測量相對其他變形較大，結(jié)合沉降量觀測數(shù)據(jù)可知1/3壩高范圍的心墻拱效應(yīng)最強(qiáng)烈，圖8和圖9分別為0+190.00m斷面上下游位錯計(jì)過程線。

水庫蓄水前，心墻最大沉降發(fā)生在0+260.00m樁號的GC3- 2測點(diǎn)，沉降量達(dá)43.7mm，約占填土壩高的0.15%，相比同類型大壩蓄水前0.4%～1.0%的總沉降量，壩體內(nèi)部沉降量測值偏小，可認(rèn)為蓄水前未產(chǎn)生因拱效應(yīng)導(dǎo)致心墻豎向應(yīng)力降低而引起的裂縫。由于水庫蓄水過程平緩，水力梯度不大，心墻滲流穩(wěn)定，難以發(fā)生水力劈裂[7]，故可以得出結(jié)論：擋水建筑物瀝青混凝土心墻完整密實(shí)，施工質(zhì)量較好。

圖5 0+190m斷面建基面滲壓計(jì)布置圖(單位：m)

圖6 0+260m斷面建基面滲壓計(jì)布置圖

圖7 桿式沉降計(jì)GC1- 2、GC3- 2測點(diǎn)沉降量過程線

圖8 0+190.00m斷面上游位錯計(jì)過程線

0+190.00m斷面心墻上、下游側(cè)固定式測斜儀實(shí)測值如圖10所示。由心墻表面埋設(shè)的固定式測斜儀觀測數(shù)據(jù)可知：到2014年8月2日填筑至壩頂高程為止，大壩在施工期內(nèi)完成了大部分瀝青混凝土心墻偏移變形。

3.2 運(yùn)行期拱效應(yīng)分析

根據(jù)大壩首次蓄水至今的運(yùn)行期心墻監(jiān)測資料，由圖7的桿式沉降計(jì)GC1- 2、GC3- 2測點(diǎn)沉降量過程線可知，0+190.00m斷面和0+260.00m斷面心墻下游距壩軸線1m各高程處的蓄水期和運(yùn)行期間沉降量增幅不大。

蓄水過程中，埋設(shè)于0+190.00m斷面心墻上游側(cè)的位錯計(jì)JG5(埋高18m)、JG9(埋高48m)測值發(fā)生突變，心墻與上游過渡料之間位錯變形由下沉變形轉(zhuǎn)變?yōu)樘冃危兎_(dá)12.4mm和41.3mm，斷面其他四個心墻上游測點(diǎn)的測值相對穩(wěn)定，變形仍是瀝青心墻相對過渡料下沉，如圖8所示。

埋設(shè)于0+190.00m斷面心墻下游側(cè)的JG2、JG4、JG6、JG8、JG10、JG12位錯計(jì)在蓄水過程中測值平穩(wěn)，變形量較小，心墻相對過渡料的變形趨于收斂，如圖9所示。

因此，蓄水后上游壩殼料被浸潤，有效應(yīng)力降低，摩擦角和黏聚力降低，石料強(qiáng)度減小，心墻與過渡料的位移錯動減小并向抬升變形發(fā)展，這有助于降低施工期形成的心墻豎向拉應(yīng)力，增大豎向壓應(yīng)力，緩解心墻拱效應(yīng)，預(yù)防水力劈裂[8]。

0+190.00m斷面的下游壩體距壩軸線2m處的P5測點(diǎn)，在2014年和2015年呈無滲壓水頭狀態(tài)，2016—2018年當(dāng)庫水位蓄至相對水位54m以上時，測點(diǎn)均出現(xiàn)滲壓水頭，庫水位和滲壓水位呈高度正相關(guān)，最大滲壓水位為0.804m。P6、P7、P8、P9測點(diǎn)在運(yùn)行期間均無滲壓水頭。0+260.00m斷面的P14、P15、P16、P17、P18測點(diǎn)在歷時5年的運(yùn)行過程中測值與庫水位均呈正相關(guān)。2020年9月27日，庫水位為59.20m時，0+260.00m斷面心墻下游浸潤線由0.500m降至-2.500m。

圖9 0+190.00m斷面下游位錯計(jì)過程線

圖10 0+190.00m斷面瀝青心墻上、下游面偏移量分布圖

綜上所述，水庫蓄水后，上游壩殼料沉降量增大，施工期形成的心墻拱效應(yīng)得到緩解。心墻下游滲壓水位與庫水位相關(guān)程度高，浸潤線合理，表明心墻密實(shí)完整無裂縫，防滲作用顯著。

4 結(jié)論與建議

文章根據(jù)新疆某瀝青混凝土心墻壩的施工期和運(yùn)行期監(jiān)測資料，分析了瀝青混凝土心墻拱效應(yīng)的產(chǎn)生、發(fā)展及消退過程，為同類型工程心墻拱效應(yīng)影響分析提供了借鑒案例。通過以上分析，可得出以下結(jié)論：

(1)大壩填筑期間，瀝青混凝土心墻與壩殼料之間的不均勻沉降隨填筑高程增加逐漸增大，心墻拱效應(yīng)增強(qiáng)。

(2)水庫蓄水后，上游壩殼料沉降量增大，心墻拱效應(yīng)得到緩解。

(3)該瀝青混凝土心墻壩位于60m深厚覆蓋層上，其最大沉降和最大位錯變形均發(fā)生1/3壩高處，該壩高處心墻拱效應(yīng)最為顯著。

受該瀝青混凝土心墻壩監(jiān)測儀器布置和設(shè)計(jì)的限制，文章存在以下不足：

(1)監(jiān)測對象心墻較薄，心墻內(nèi)部未布置土壓力計(jì)，心墻拱效應(yīng)只能通過心墻與過渡層位錯變形和上游過渡料沉降變形間接反映。

(2)只分析了順?biāo)飨虻墓靶?yīng)，由于河谷形狀及覆蓋層的不對稱，心墻沿壩軸線同樣會發(fā)生不均勻沉降，從而產(chǎn)生沿壩軸線的心墻拱效應(yīng)。