沥青混凝土心墙坝筑坝料与心墙合理模量比研究

高希章，孙 陶

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

沥青混凝土心墙坝筑坝料与心墙合理模量比研究

高希章，孙 陶

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

沥青混凝土心墙属于柔性材料，以邓肯—张双曲线非线性弹性模型表达，模量数变化范围不大，但沥青混凝土心墙坝的筑坝材料和心墙是相互作用体系，因此要求筑坝材料性质满足坝体和心墙的应力应变及稳定。本文以金峰水库坝体设计断面，结合沥青混凝土心墙和坝体应力、变形要求，研究沥青混凝土、过渡层和坝壳之间应力应变相互关系，初步得出筑坝料与心墙合理模量比值区间。

筑坝料 沥青混凝土心墙 模量比 金峰水库

1 概述

沥青混凝土心墙坝施工，往往筑坝料岩性变化较大，压实后模量变化范围较大。例如，邓肯—张双曲线非线性弹性模型中弹性模量主要由模量数k反映，模量数k值范围：粘土一般小于200，砂泥岩200～400，软岩(软砂岩、砂质页岩)300～600，硬质岩一般大于800，有的达到1500甚至更大。因此，坝壳填筑料模量数可能是沥青混凝土心墙的0.5～5倍。这样的模量差会对沥青混凝土心墙产生三种影响：(1)当坝壳料模量低于沥青混凝土心墙时，其变形大于沥青混凝土心墙，相对位移趋势会对沥青混凝土心墙产生附加压应力；(2)当坝壳料模量与沥青混凝土心墙接近时，变形协调一致，无明显相对位移趋势，不会对沥青混凝土心墙产生附加应力；(3)当坝壳料模量大于沥青混凝土心墙时，其变形小于沥青混凝土心墙，相对位移趋势会限制沥青混凝土心墙变形，产生“拱效应”，对沥青混凝土心墙产生附加拉应力。本文采用金峰水库设计断面和表达弹性模量主要参数k，利用有限元法研究坝料与沥青混凝土心墙的模量差对心墙应力应变影响，提出模量比合理范围。金峰水库最大坝高88m，坝体分区为：炮台嘴料场软砂岩及砂、泥岩混合料作为坝壳料，天然砂砾石料作排水带和过渡料，沥青混凝土心墙作为防渗体。

2 敏感性分析组合

筑坝料k值多数在200～1200范围内，按照沥青混凝土心墙、过渡层和坝壳模量数比值关系确定过渡层和坝壳的k值，敏感性分析组合情况见表1，单元剖分见图1。其中，组合情况1～4为心墙模量数变化，组合情况5～7为心墙模量数不变。

表1 敏感性分析组合情况

图1 沥青混凝土心墙坝最大断面单元剖分

3 坝料与心墙模量对心墙应力应变的影响

沥青混凝土心墙模量数一定时，心墙的大、小主应力、应力水平、最大沉降、向上下游最大水平位移随坝壳模量数增大而减小。

坝壳与心墙模量比值一定时：(1)沥青混凝土心墙模量数变化对心墙大主应力和应力水平无明显影响，小主应力随沥青混凝土心墙模量数的增大而减小；(2)心墙的最大沉降、向上下游最大水平位移，随沥青混凝土心墙模量数增大而减小；(3)过渡层模量数变化，对心墙的大小主应力、应力水平、最大沉降、向上下游最大水平位移等影响不明显。

坝壳模量数一定时(k=600)，沥青混凝土心墙模量数增大，大主应力和应力水平增大，小主应力、水平位移最大值、沉降最大值变化不明显(见图2所示)。

图2 心墙模量数与应力变形关系

坝壳心墙模量比、模量数与心墙应力应变曲线见图3和图4。回归分析可知，沥青混凝土心墙模量数一定时，心墙应力和变形，随坝壳与心墙模量比的增大而减小，呈指数变化规律。其表达式如下：

Y=m·Xn

式中：m、n——应力、变形与坝壳心墙模量比关系参数。其中n小于0；

X——坝壳与心墙模量比；

Y——应力(MPa)或变形(cm)。

应力、变形与坝壳心墙模量比关系参数m、n和相关系数R2见表2。相关系数R2接近1，说明坝壳与心墙模量比X、心墙应力变形Y指数相关，符合指数关系。

表2 心墙应力变形关系回归参数及其相关系数

图3 坝壳心墙模量比与心墙变形关系

图4 坝壳心墙模量比与心墙应力关系

4 筑坝料与心墙模量关系探讨

水力劈裂问题来自土质心墙的“拱效应”，而沥青混凝土心墙不同，沥青混凝土心墙孔隙率小，孔隙是封闭且不连通的，又无孔隙水的存在；沥青混凝土渗透系数很小，渗水进入很困难。沥青混凝土心墙中渗流和渗水压力很难形成，沥青混凝土的抗渗比降很大。所以，沥青混凝土心墙水力劈裂可不考虑。沥青混凝土心墙应力应变主要从以下两个方面研究：(1)沥青混凝土心墙的变位控制；(2)沥青混凝土心墙的力学稳定性。

4.1 沥青混凝土心墙的变位控制

心墙垂直沉降主要由坝壳应变性质决定，而受水位变化影响较小；水平位移主要由坝壳的应变性质和水位变化决定，特别是水位变化对水平位移影响明显。

在各种计算组合情况下，心墙最大沉降变形为37.32cm～175.54cm，沉降率或应变(沉降率或应变为心墙沉降量与心墙总高度的百分比)为0.424%～1.995%。对于心墙压缩应变允许范围，目前规范或文献还没有明确要求。如果以抗压试验最大压应力和三轴试验最大偏应力时的应变判断，由表3可知心墙应变远远低于最大应力时的应变，而且沥青混凝土心墙适应变形能力一般情况下大于坝壳。因此垂直变形以坝体沉降作为控制要素。

表3 心墙抗压试验最大压应力和三轴试验 最大偏应力时应变

据设计规范〔3〕“当计算的竣工后坝顶沉降量与坝高的比值大于1%时，应在分析计算成果的基础上，论证选择的坝料填筑标准的合理性和采取工程措施的必要性。”金峰水库计算结果，坝顶沉降量随着坝壳模量数增大而减小，坝壳模量数200以上时，完建时坝顶沉降为27.08cm～49.00cm，坝顶沉降量与坝高的比值不大于1%，但这并非最终坝顶沉降量。坝顶最终沉降量会受坝体施工分期填筑方式、施工进度等影响，分期填筑时先期填筑体先沉降稳定，后期填筑的沉降稳定会有一定的滞后，而且后期填筑体会引起先期填筑体发生一定的附加沉降，施工进度越快后期变形越大。

蓄水湿陷沉降会引起较大的后期变形，根据我们曾对中江黄鹿水库“红层”地区软砂岩石渣坝壳料湿陷性研究，在非饱和条件下，风干状态的压缩变形量低于最优含水率状态。湿陷变形系数为试样变形稳定后浸水湿陷引起的附加变形与试样原始高度的比值，湿陷变形系数变化规律主要为：(1)浸水时垂直压力影响，开始浸水时垂直压力较低则湿陷变形系数较大；(2)级配影响，小于5mm含量较多则湿陷变形系数较大；(3)起始含水率影响，起始含水率较小则湿陷变形系数较大。浸水引起的湿陷变形量占总变形量的11.9%～47.6%，平均为29.1%。浸水时压缩模量变化较大，在0.4MPa变形稳定浸水时Es0.2～0.4减小量平均为57.1%，在0.8MPa变形稳定浸水时Es0.4～0.8减小量平均为53.9%，说明软砂岩筑坝料浸水软化较明显。

根据计算和湿陷变形研究成果，金峰水库最大坝高88m，坝壳模量数为300～400时，最大沉降约1m(包括施工期，但不含湿陷变形)，完建时坝顶沉降量27.08cm～49.00cm，软砂岩料蓄水湿陷附加沉降约为最大沉降量的30%，湿陷变形引起坝顶沉降值约为30cm，最终坝顶沉降(包含完建时坝顶沉降量和蓄水湿陷变形两部分)约为60cm～80cm，坝顶沉降量小于坝高的1%。

沥青混凝土心墙位移，关心的往往不是位移绝对值大小，而是位移沿坝高分布，重视的是沥青混凝土心墙的挠度控制。心墙挠度主要受相对水平位移控制，一般应将挠跨比控制在允许范围内。

心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶1.5∶2.0

心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶2.0∶3.0

心墙模量数为300时，完建工况，心墙水平位移非常小，随着水位上升，挠跨比逐渐增大；水压力相同时，挠跨比随坝壳模量增大而减小。最大挠跨比发生在沥青混凝土心墙底部0～15m范围，为水平位移单位增量最大位置，沥青混凝土心墙底部约束和心墙水压力在这个范围最大所致，计算最大挠跨比达4.5%，超出表4中试验最大值。对于沥青混凝土心墙与混凝土底座连接部位，应充分考虑心墙底部可能发生的错动，配合比设计时在允许条件下尽可能增大沥青混凝土心墙的柔性。同时在坝体底部一定范围内，宜采用抗压强度较高的筑坝材料和较高的填筑标准，以增大该部位坝壳料的变形模量，减小水平变形量。根据计算，在此部位坝壳模量数宜大于800，其余部位挠跨比不大，坝壳模量不小于400即可。

表4 二工程沥青混凝土挠度和挠跨比

4.2 沥青混凝土心墙的力学稳定性

一般而言，心墙沥青混凝土的单轴抗压强度可以达到2.5MPa～3.0MPa(见表5)，因此有侧限条件下能够承受的压应力超过3.0MPa。

表5 三工程沥青混凝土抗压强度

心墙模量数为300、心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶1∶1时，心墙大主应力最大值约为4.0MPa；心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶1.25∶1.5时，心墙大主应力最大值为3.0MPa～4.0MPa；心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶1.75∶2.0时，心墙大主应力最大值约为3.0MPa。所以，当心墙模量数为300，坝料模量数不小于600，心墙沥青混凝土抗压强度能够满足应力要求，即心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶1.75∶2.0。同时对于金峰水库软岩石渣高坝，心墙沥青混凝土宜研究提高其抗压强度大于4.0MPa。

4.3 沥青混凝土心墙的应力水平

心墙模量数为300时，心墙应力水平较低，没有塑性破坏单元出现；在距离心墙底部10m～60m范围内，相同高程应力水平随着水位上升而有所减小；原因是水压力作用下增大了沥青混凝土心墙的侧向压力，剪应力相应减小，因此蓄水有利于改善该范围内沥青混凝土心墙应力条件。在距离心墙底部0m～10m以及60m以上范围，应力水平随着水位上升则有所增大，这与前面的论述吻合。由于这个范围随水位上升心墙剪应力增大所致，随着坝壳模量的增大这种现象明显减弱。心墙∶过渡层∶坝壳模量=1∶1.25∶1.5时，心墙底部的应力水平低于0.8。因此从应力水平来看，沥青混凝土、过渡层和坝壳模量比：1∶1.25∶1.5～1∶1.5∶2.0，即坝壳模量大于450～600，可使心墙底部应力水平低于0.8。

5 结语沥青混凝土心墙模量数变化范围不大，沥青混凝土心墙模量数一定时，心墙的大、小主应力、应力水平、最大沉降、向上下游最大水平位移以及坝体变形等，随筑坝料模量数增大而减小；筑坝材料性质，特别是坝壳料的性质对整个坝体应力应变起控制性作用，直接影响沥青混凝土心墙应力应变，所以筑坝材料和填筑标准的选取尤为重要。但并非筑坝材料的模量数越大越好或越小越好，沥青混凝土、过渡层和坝壳需要应力应变相互协调，存在一个合理的相互模量比值区间。

就满足坝体变形而言，考虑施工因素和坝料湿化变形，坝顶沉降量不大于坝高的1%，坝壳模量数宜不小于300～400。心墙底部以及坝体底部一定范围内，是挠跨比和力学稳定性薄弱位置，相应坝壳模量数宜不小于800。心墙模量数为300、坝壳模量数不小于600时，心墙沥青混凝土抗压强度满足应力要求。沥青混凝土心墙模量数为300～500时，过渡层和坝壳模量数合理区间分别为400～800和600～1000，也就是沥青混凝土、过渡层和坝壳模量比合理范围是1∶1.25∶1.5～1∶1.5∶2.0。

〔1〕SL501-2010.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].

〔2〕DL/T5411-2009.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].

〔3〕SL274-2001.碾压式土石坝设计规范[S].

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2095-1809(2016)01-0014-05