严寒地区沥青混凝土心墙坝应力应变分析

美丽古丽·买买提，西尔艾力，孟 波

(1.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

沥青混凝土心墙坝是目前水利大坝工程施工应用最广泛的技术之一[1-3]。沥青混凝土作为坝体防渗材料在坝体防水工程中应用普遍，由于防渗水、抗冲刷、抗腐蚀性等特点，因此具有较强的适应环境的性能。对于严寒气候地区而言，冬季持续时间较长，温度甚至达到零下几十摄氏度，如此低温环境会对混凝土的压实质量造成严重影响进而对沥青混凝土心墙坝安全稳定造成威胁。分析坝体应力应变随季节周期、施工周期、蓄水效果的变化规律，可预评估沥青混凝土心墙坝的受力特征及坝体工程是否安全稳定，同时可了解沥青混凝土心墙的抗渗效果。因此，有必要对严寒地区沥青混凝土心墙坝应力应变规律进行研究。本文以新疆引水工程沥青混凝土心墙坝为研究对象，对现场不同位置不同高程墙坝的应力应变数据进行监测分析，以期获得严寒地区沥青混凝土心墙坝不同时间段应力应变变化规律。

1 工程概况

新疆地区冬季气候寒冷，气温较低，持续时间长。新疆引水工程是牧区草原生态建设工程近期建设的重点水利工程，工程开发任务是农牧业灌溉和生态用水，并兼顾发电。工程由沥青混凝土心墙坝、泄洪兼导流洞、开敞式溢洪道、发电引水洞、厂房等建筑物组成，灌溉引水工程由隧洞、倒虹吸及渠道等建筑物组成。

工程为Ⅱ等大(2)型工程，大坝、溢洪道、泄洪兼导流洞、发电引水洞进口、灌溉引水洞进口为2级建筑物，发电引水系统、厂房、灌溉引水隧洞、倒虹吸、引水渠道、分(退)水闸等为4级建筑物。工程区地震动峰值加速度为0.05 g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度。

沥青混凝土心墙坝坝高63 m，上游坝坡为1∶2.25、1∶2.5，在高程642.0 m处设马道，马道宽2 m，下游坝坡1∶2.0，在高程636.0 m、616.0 m处分别设置了两级马道，马道宽2 m。坝顶宽度8 m，设“L”型钢筋混凝土防浪墙。坝体填筑材料主要为砂砾石，上游坝坡自坝顶至死水位以下4.5 m(642.0 m马道处)设25 cm厚混凝土防浪护坡，下游设30 cm厚干砌石护坡。沥青混凝土心墙厚度在高程630.0 m以上为0.5 m厚，高程630.0 m以下为0.8 m厚，心墙与上下游砂砾坝壳之间设3 m厚的过渡层。心墙底部建在强风化层下部，下设0.5 m厚混凝土盖板作为心墙基础，进行固结和帷幕灌浆，其中固结灌浆设4排，帷幕灌浆设1排，帷幕灌浆孔深入5Lu线以下5 m。河床坝壳料建基于清基后的砂砾层上，两岸坝壳料建基于清基后的岩层上。上游围堰与挡水坝体结合布置，并作为坝体的一部分。

2 心墙坝应力应变监测原则及方案

为了研究严寒地区沥青混凝土心墙坝应力应变变化规律，对新疆引水工程沥青混凝土心墙坝坝体2010年～2020年连续10 a的实测应力应变及位移数据进行监测，利用相关分析、回归分析以及时间序列分析等定量统计分析方法，研究不同部位，不同时间段上的坝体应力应变等，为掌握坝体变形、应力应变及保护坝体变形等提供科学参考。

本坝体工程监测的主要原则如下：在合理可靠的基础上能够对沥青混凝土心墙坝的真实工作状态进行全面及时监测；根据坝体实际的工作特征、结构形式对坝体的监测进行详细设计；监测仪器的选择应保证性能稳定、精确可靠。本工程在现场监测布置设计时以《土石坝安全监测技术规范》为标准，对心墙坝坝体的的应力应变监测进行布置。

新疆引水工程坝壳料主要为堆石料，渗透系数为1.1×10-1cm/s，为强透水材料，沥青混凝土心墙坝采用沥青材料进行防水，沥青表面不透水。依据工程地形、地质情况选择桩号坝0+075断面、0+150断面、0+170断面、0+243断面为主监测断面。为了监测心墙与过渡料之间的垂直方向的相对变形，在主监测断面过渡料与心墙之间从坝底沿高度方向每隔10 m布置埋设位错仪，总安装埋设13支位错计，编号分别SRD-1、SRD-3、SRD-5、SRD-7、SRD-9、SRD-11、SRD-13、SRD-15、SRD-17、SRD-19、SRZ-1、SRZ-2及SRZ-3；同时，为了监测心墙下游面的应变，在主监测断面心墙与心墙之间从坝底沿高度方向每隔10 m布置埋设由大量程的位移计改装而成的应变计，总安装埋设11支，编号分别SRD-2、SRD-4、SRD-6、SRD-8、SRD-10、SRD-12、SRD-14、SRD-16、SRD-18、SRD-20及YBZ-1。结构布置图见图1。

图1 碾压式沥青混凝土心墙坝应力应变测点布置示意图

3 应力应变规律分析

坝体在不同时期，其沉降效应量所受的环境影响因素不一样，一般需分时段分别建模，并采用不同因子或因子群形式来反映相应的环境影响分量。填筑施工期坝体沉降主要受上填堆石体重量的影响；蓄水初期则受坝前水压影响，有时还受填坝体重量影响；在运行期则主要受坝前水压影响。因此，针对本工程的监测资料分为施工期、蓄水期和运行期三个时间段。

3.1 心墙下游面垂直应变分析

主监测断面布设的应变计的监测时间为2010年9月下旬至2020年1上旬。根据监测资料可知，心墙下游面的应变大多处于压应变状态，0+243断面(SR-18)处于微拉状态，且量值不大。心墙下游垂直应变最大发生部位在左岸0+075断面的620 m，最大心墙压应变为46.00×10-3，最小为15.00×10-3，主河床坝段次之，垂直压应变变化范围在15.00×10-3～46.00×10-3，右岸最小。

心墙垂直应变随填土高程的变化曲线见图2～图4，心墙应变分布图见图5。由图可知，2012年9月水坝蓄水使用之前即施工期间不同高程不同监测位置的应变数值变化较大且规律基本一致。库水位变化即蓄水工作期间同高程不同监测位置的应变基本趋于稳定，变化较小。施工期心墙应变与大坝填筑高度呈负相关，坝体填筑期对应变的影响较大，心墙应变随填筑高程变化而变，而冬季停工期影响很小；来年坝体的继续填筑对应变的影响较大。填土高程及后期库水位变化对心墙施工期应变的影响较大。

图2 600 m高程应变过程线

图3 620 m高程应变过程线

图4 640 m高程应变过程线

图5 心墙应变分布(单位：10-3，2020.01.09)

3.2 心墙与过渡料之间的相对变形分析

通过埋设位错计对心墙与过渡料之间的垂直位错变形数据进行监测，监测时间自2010年10月以来，监测所得心墙与过渡料之间相对变形过程见图6。由图6可知，心墙与过渡料之间的垂直位错变形均为负值，表明心墙的沉降量大于过渡料的沉降量，反映出施工期变形较均匀；且位错变形随大坝填筑及库水位升高而增大，相关性较好；最大垂直位错变形在0+075断面(左岸)心墙下部高程620 m处为-54.14 mm，河床坝段次之，右岸最小；就主河床而言，0+150和0+170断面最大位错变形量分别为-48.18 mm、-41.70 mm，最大垂直位错变形的部位约为坝高的1/3～1/2。

综上所述，蓄水前后主河床坝段640 m高程的位错变形相对其余部位较大，蓄水前后位错量分别增大了14.95 mm、13.32 mm，其余部位的位错量增大均在10 mm以内。即蓄水期间由于各级库水的压力及渗透力对坝体本身的作用力使蓄水对坝体变形产生重要的影响。

图6 心墙与过渡料之间相对变形过程线(单位：mm)

3.3 应力分析

为了研究心墙坝整体的受力情况，本文对心墙坝的应力分布进行了监测。由于竣工期和蓄水期坝体受力变化较大，易出现不稳定现象。通过现场监测结果可知，竣工期上游应力最大值大小为0.68 MPa，水位下游最大应力大小为1.12 MPa。当储水后，上游最大应力大小为0.67 MPa，水位下游最大应力达到1.32 MPa。可以看出，储水前后，下游的应力最大值由于水压的作用有所增加。

4 结论

本工程对碾压式沥青混凝土心墙坝应力应变特性开展了深入、细致的研究工作，并取得了一定的研究成果。根据常年观测数据和分析结果来看，不同的地质情况、不同时间段都受时效影响，即在坝高不变的情况下，在水荷载的作用下，对坝体以及混凝土心墙的应力变形影响不同，通过长期观测成果可以得知应力应变都在合理的范围内。