張俊琪

（山西省三門峽庫區(qū)建設工程有限公司，山西 運城 044000）

1 工程概況

某電站壩址處控制流域面積6.3 萬km2，多年平均徑流量1 020 m3/s，電站正常蓄水位955 m，總庫容1.5 億m3，裝機總容量700 MW。水電站主要由擋水建筑物、泄水建筑物以及廠區(qū)建筑物構成。其中，擋水建筑物擬采用瀝青混凝土心墻堆石壩，初擬壩頂高程960.00 m，最大壩高約72 m，大壩壩體共分為四個不同的材料分區(qū)，分別為堆石料Ⅰ區(qū)、堆石料Ⅱ區(qū)、過渡層區(qū)以及瀝青混凝土心墻區(qū)。由于過渡料和心墻的瀝青混凝土兩種材料的變形模量差異較大，因此沉降速率和變形量也必然不同，而大壩的過渡層與瀝青混凝土心墻之間存在粗糙且相互咬合的接觸面[1]。所以，過渡料對瀝青混凝土心墻具有較強的鎖定效果，而這種鎖定不利于心墻抵抗剪切變形，如果遭遇較大的剪切作用力，極易誘發(fā)局部開裂，如果開裂部位處于水位線下，就會在壓力水劈裂作用下造成開裂程度加深，進而危及大壩安全[2]。因此，在大壩設計中提出在過渡料和瀝青混凝土心墻之間設置由小粒徑散粒體料構成的滑動帶，以降低過渡料對心墻的鎖定作用。本次研究通過模型試驗的方式，驗證滑動帶的作用效果，為大壩結構設計提供理論和實踐支撐。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

本次試驗使用的過渡料為最大粒徑60 mm 的破碎砂礫石料，原料取自某水電站項目區(qū)。過渡料的表觀密度為2.65 g/cm3，吸水率為0.886%，壓碎率為13.2%，相關指標滿足大壩設計要求。

試驗用瀝青混凝土的瀝青為克拉瑪依90 號A 級瀝青，骨料為項目指定料場的石灰?guī)r塊石經(jīng)過破碎篩選后的6 級礦料，填料為球磨機磨制的石灰石礦粉。經(jīng)檢驗測定瀝青混凝土的原料質量滿足《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5362-2006）的相關要求[3]。瀝青混凝土的配合比采用大壩瀝青混凝土心墻的設計配合比：級配指數(shù)為0.41，油石比為6.9%，填料含量為13%。

2.2 試件成型

由于瀝青混凝土心墻土石壩在施工過程中瀝青混凝土心墻與兩側的過渡料采取同時攤鋪和碾壓的施工方式，因此兩者之間會出現(xiàn)相互咬合的情況[4]。為了模仿施工現(xiàn)場的實際情況，研究中采用板式成型法進行成型[5]。成型模具的尺寸為360 mm×300 mm×450 mm，其中瀝青混凝土和過渡料的尺寸分別為250 mm×300 mm×400 mm 和110 mm×300 mm×400 mm。瀝青混凝土和過渡料按照每層厚度50 mm，分8 層同時擊實成型。

2.3 試驗設備

目前，用于接觸面力學性能研究的設備種類較多，結合本次研究的需要和研究目的，選擇由清華大學研制的大型接觸面循環(huán)加載剪切試驗機[6]。其設備的基本結構和原理如圖1 所示。該設備主要由上下剪切盒、疊環(huán)系統(tǒng)、軸向和水平油壓系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成。其中，剪切盒的截面規(guī)格為400 mm×300 mm。上剪切盒固定，下剪切盒可以移動，以模擬實際工況下的剪切運動。疊環(huán)系統(tǒng)由厚度為18 mm 的34 片可以水平移動的疊環(huán)構成。試驗過程中的軸向壓力由兩個最大行程為200 mm 的油缸提供。設備的水平方向安裝有為下剪切盒提供水平推力的油缸，最大行程為300 mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、計算機和相應軟件構成，主要用于采集和存儲試驗數(shù)據(jù)。

圖1 試驗設備結構和原理示意圖

2.4 試驗方案

考慮到施工的便捷性和可操控性，選擇瀝青混凝土心墻和過渡料之間的滑移帶厚度為20 cm。為了比較不同粒徑過渡料作為滑移帶的具體作用效果，試驗研究中選取最大粒徑20 mm 和10 mm 的兩種粒徑過渡料作為滑移帶。試驗中軸向加壓系統(tǒng)對試件施加軸向壓力以模擬大壩的實際應力條件，水平加壓系統(tǒng)勻速推動下剪切盒市瀝青混凝土和過渡料發(fā)生剪切變形。根據(jù)工程設計資料和試驗需求，試驗在常溫條件下進行，軸向壓力設定為1.2 MPa，剪切速率0.5 mm/min。利用實驗設備測定剪切應力和剪切位移，對未設置滑移帶以及兩種不同粒徑滑移帶時接觸面的力學以變形特征，并對設置滑移帶的可行性進行驗證和評價。

3 試驗結果與分析

3.1 剪應力試驗結果分析

利用試驗結果數(shù)據(jù)，繪制出如圖2 所示的試件剪切應力與剪切位移之間的關系。由圖可知，沒有設置滑動帶情況下的剪應力最大值為0.97 MPa。設置最大粒徑為20 mm 過渡料滑動帶的剪應力最大值為0.78 MPa，與沒有設置滑動帶相比，剪應力減小了約19.6%。設置最大粒徑為10 mm 過渡料滑動帶的剪應力最大值為0.64 MPa，與沒有設置滑動帶相比，剪應力減小了約34.0%。此外，當試件的剪切位移小于30 mm 情況下，剪切應力的試驗結果十分接近，差距并不明顯。如果剪切位移繼續(xù)增加，設置滑動帶對降低剪切應力逐步顯示出來，試件的剪切應力值明顯小于沒有設置滑動帶的試件。同時，碎石料的粒徑越小，接觸面剪切應力減小幅度越大，說明采用粒徑較小的碎石料作為滑動帶更為有利。此外，不同試驗條件下的剪切應力最大值出現(xiàn)的時間基本一致，均在剪切位移為240 mm 時。

圖3 是根據(jù)試驗結果繪制的試件底部應力和剪切位移之間的關系曲線。由圖可知，試件底部與接觸面的剪切應力的變化特征相似。顯然，底部應力的減小反映了瀝青混凝土心墻與過渡料之間摩擦力的減小，在工程實際中有助于減小過渡料對心墻沉降變形的約束。這也從一個側面說明了增設滑動帶的必要性和價值。

圖2 不同應力和剪切位移關系曲線

圖3 底部應力和剪切位移關系曲線

3.2 滑動變形試驗結果分析

在試驗過程中，根據(jù)疊環(huán)的水平位移實測數(shù)據(jù)繪制出水平位移發(fā)展曲線，結果如圖4—圖6 所示。由圖可知，在設置最大粒徑為10 mm 的滑動帶情況下，滑動帶的變形要明顯偏大，而心墻與過渡料部位的變形量則相對較小。從設置和未設置滑動帶的水平位移對比結果來看，設置滑動帶有助于控制心墻和過渡料區(qū)域變形，主要表現(xiàn)為水平位移量的減小。在設置最大粒徑為20 mm 的滑動帶情況下，滑動帶的變形偏大，但是偏大幅度比較有限，從設置和未設置滑動帶的水平位移對比結果來看，心墻和過渡料區(qū)域的變形沒有顯著變化。

圖4 未設滑動帶水平位移發(fā)展曲線

圖5 最大粒徑10mm 滑動帶水平位移發(fā)展曲線

圖6 最大粒徑20mm 滑動帶水平位移發(fā)展曲線

3.3 剪切應變計算結果分析

利用上節(jié)試驗中測量獲取的各疊環(huán)的水平位移發(fā)展特征，計算獲取瀝青混凝土心墻以及過渡料的剪切應變，其與剪切位移之間的關系如圖7 所示。由圖可知，當試件的剪切位移小于30 mm 情況下，剪切應變的試驗結果十分接近，差距并不明顯。如果剪切位移繼續(xù)增加，設置滑動帶對降低剪切應變逐步顯示出來，試件的剪切應變值明顯小于沒有設置滑動帶的試件。同時，碎石料的粒徑越小，接觸面剪切應變減小幅度越大，說明采用粒徑較小的碎石料作為滑動帶更為有利。例如，在剪切位移為240 mm 時，未設置滑動帶試件的剪切應變?yōu)?4.2%，設置最大粒徑分別為20 mm 和10 mm 滑動帶的剪切應變?yōu)?7.4%、35.6%，分別減少了6.5%和18.6%。

綜合以上試驗成果可知，在瀝青混凝土心墻和過渡料之間設置滑動帶，在剪切位移較小時對減小兩者接觸面部位的剪應力和剪應變效果并不明顯，但是剪切位移較大時，則能夠有效消散過渡料對心墻的鎖定作用，大幅降低剪應力和剪應變，可以達到保護瀝青混凝土心墻的作用。鑒于最大粒徑10 mm 滑動帶的上述作用更為顯著，建議在大壩設計施工時在瀝青混凝土心墻和過渡料之間設置最大粒徑10 mm，厚度為20 cm 的滑動帶。

圖7 剪切應變與剪切位移之間的關系曲線

4 結論

以瀝青混凝土心墻土石壩為例，通過模型試驗的方法，對設置滑動帶降低過渡料對心墻鎖定負面作用展開研究，并獲得以下主要結論：

第一，當剪切位移小于30 mm 時，設置和不設置滑動帶的接觸剪切應力比較接近，剪切位移在30 mm上時，設置滑動帶可以產(chǎn)生減小剪切應力的明顯作用。同時，滑動帶碎石料的粒徑越小，對降低接觸面剪切應力的作用越明顯。

第二，在設置最大粒徑為10 mm 的滑動帶情況下，滑動帶的變形明顯偏大，心墻和過渡料區(qū)域的變形明顯偏?。粡脑O置和未設置滑動帶的水平位移對比結果來看，設置滑動帶有助于控制心墻和過渡料區(qū)域變形。

第三，在瀝青混凝土心墻和過渡料之間設置滑動帶，在剪切位移較大時，則能夠有效消散過渡料對心墻的鎖定作用，大幅降低剪應力和剪應變，可以達到保護瀝青混凝土心墻的作用。

第四，結合研究成果和工程實際，建議在某水電站大壩設計施工時，在瀝青混凝土心墻和過渡料之間設置最大粒徑10 mm，厚度為20 cm的滑動帶。