美麗古麗·買買提，西爾艾力，孟 波

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

瀝青混凝土心墻壩是目前水利大壩工程施工應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[1-3]。瀝青混凝土作為壩體防滲材料在壩體防水工程中應(yīng)用普遍，由于防滲水、抗沖刷、抗腐蝕性等特點(diǎn)，因此具有較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的性能。對于嚴(yán)寒氣候地區(qū)而言，冬季持續(xù)時間較長，溫度甚至達(dá)到零下幾十?dāng)z氏度，如此低溫環(huán)境會對混凝土的壓實(shí)質(zhì)量造成嚴(yán)重影響進(jìn)而對瀝青混凝土心墻壩安全穩(wěn)定造成威脅。分析壩體應(yīng)力應(yīng)變隨季節(jié)周期、施工周期、蓄水效果的變化規(guī)律，可預(yù)評估瀝青混凝土心墻壩的受力特征及壩體工程是否安全穩(wěn)定，同時可了解瀝青混凝土心墻的抗?jié)B效果。因此，有必要對嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究。本文以新疆引水工程瀝青混凝土心墻壩為研究對象，對現(xiàn)場不同位置不同高程墻壩的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，以期獲得嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混凝土心墻壩不同時間段應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。

1 工程概況

新疆地區(qū)冬季氣候寒冷，氣溫較低，持續(xù)時間長。新疆引水工程是牧區(qū)草原生態(tài)建設(shè)工程近期建設(shè)的重點(diǎn)水利工程，工程開發(fā)任務(wù)是農(nóng)牧業(yè)灌溉和生態(tài)用水，并兼顧發(fā)電。工程由瀝青混凝土心墻壩、泄洪兼導(dǎo)流洞、開敞式溢洪道、發(fā)電引水洞、廠房等建筑物組成，灌溉引水工程由隧洞、倒虹吸及渠道等建筑物組成。

工程為Ⅱ等大(2)型工程，大壩、溢洪道、泄洪兼導(dǎo)流洞、發(fā)電引水洞進(jìn)口、灌溉引水洞進(jìn)口為2級建筑物，發(fā)電引水系統(tǒng)、廠房、灌溉引水隧洞、倒虹吸、引水渠道、分(退)水閘等為4級建筑物。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

瀝青混凝土心墻壩壩高63 m，上游壩坡為1∶2.25、1∶2.5，在高程642.0 m處設(shè)馬道，馬道寬2 m，下游壩坡1∶2.0，在高程636.0 m、616.0 m處分別設(shè)置了兩級馬道，馬道寬2 m。壩頂寬度8 m，設(shè)“L”型鋼筋混凝土防浪墻。壩體填筑材料主要為砂礫石，上游壩坡自壩頂至死水位以下4.5 m(642.0 m馬道處)設(shè)25 cm厚混凝土防浪護(hù)坡，下游設(shè)30 cm厚干砌石護(hù)坡。瀝青混凝土心墻厚度在高程630.0 m以上為0.5 m厚，高程630.0 m以下為0.8 m厚，心墻與上下游砂礫壩殼之間設(shè)3 m厚的過渡層。心墻底部建在強(qiáng)風(fēng)化層下部，下設(shè)0.5 m厚混凝土蓋板作為心墻基礎(chǔ)，進(jìn)行固結(jié)和帷幕灌漿，其中固結(jié)灌漿設(shè)4排，帷幕灌漿設(shè)1排，帷幕灌漿孔深入5Lu線以下5 m。河床壩殼料建基于清基后的砂礫層上，兩岸壩殼料建基于清基后的巖層上。上游圍堰與擋水壩體結(jié)合布置，并作為壩體的一部分。

2 心墻壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測原則及方案

為了研究嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，對新疆引水工程瀝青混凝土心墻壩壩體2010年～2020年連續(xù)10 a的實(shí)測應(yīng)力應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，利用相關(guān)分析、回歸分析以及時間序列分析等定量統(tǒng)計(jì)分析方法，研究不同部位，不同時間段上的壩體應(yīng)力應(yīng)變等，為掌握壩體變形、應(yīng)力應(yīng)變及保護(hù)壩體變形等提供科學(xué)參考。

本壩體工程監(jiān)測的主要原則如下：在合理可靠的基礎(chǔ)上能夠?qū)r青混凝土心墻壩的真實(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行全面及時監(jiān)測；根據(jù)壩體實(shí)際的工作特征、結(jié)構(gòu)形式對壩體的監(jiān)測進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；監(jiān)測儀器的選擇應(yīng)保證性能穩(wěn)定、精確可靠。本工程在現(xiàn)場監(jiān)測布置設(shè)計(jì)時以《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)，對心墻壩壩體的的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測進(jìn)行布置。

新疆引水工程壩殼料主要為堆石料，滲透系數(shù)為1.1×10-1cm/s，為強(qiáng)透水材料，瀝青混凝土心墻壩采用瀝青材料進(jìn)行防水，瀝青表面不透水。依據(jù)工程地形、地質(zhì)情況選擇樁號壩0+075斷面、0+150斷面、0+170斷面、0+243斷面為主監(jiān)測斷面。為了監(jiān)測心墻與過渡料之間的垂直方向的相對變形，在主監(jiān)測斷面過渡料與心墻之間從壩底沿高度方向每隔10 m布置埋設(shè)位錯儀，總安裝埋設(shè)13支位錯計(jì)，編號分別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；同時，為了監(jiān)測心墻下游面的應(yīng)變，在主監(jiān)測斷面心墻與心墻之間從壩底沿高度方向每隔10 m布置埋設(shè)由大量程的位移計(jì)改裝而成的應(yīng)變計(jì)，總安裝埋設(shè)11支，編號分別SRD-2、SRD-4、SRD-6、SRD-8、SRD-10、SRD-12、SRD-14、SRD-16、SRD-18、SRD-20及YBZ-1。結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。

圖1 碾壓式瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

3 應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律分析

壩體在不同時期，其沉降效應(yīng)量所受的環(huán)境影響因素不一樣，一般需分時段分別建模，并采用不同因子或因子群形式來反映相應(yīng)的環(huán)境影響分量。填筑施工期壩體沉降主要受上填堆石體重量的影響；蓄水初期則受壩前水壓影響，有時還受填壩體重量影響；在運(yùn)行期則主要受壩前水壓影響。因此，針對本工程的監(jiān)測資料分為施工期、蓄水期和運(yùn)行期三個時間段。

3.1 心墻下游面垂直應(yīng)變分析

主監(jiān)測斷面布設(shè)的應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測時間為2010年9月下旬至2020年1上旬。根據(jù)監(jiān)測資料可知，心墻下游面的應(yīng)變大多處于壓應(yīng)變狀態(tài)，0+243斷面(SR-18)處于微拉狀態(tài)，且量值不大。心墻下游垂直應(yīng)變最大發(fā)生部位在左岸0+075斷面的620 m，最大心墻壓應(yīng)變?yōu)?6.00×10-3，最小為15.00×10-3，主河床壩段次之，垂直壓應(yīng)變變化范圍在15.00×10-3～46.00×10-3，右岸最小。

心墻垂直應(yīng)變隨填土高程的變化曲線見圖2～圖4，心墻應(yīng)變分布圖見圖5。由圖可知，2012年9月水壩蓄水使用之前即施工期間不同高程不同監(jiān)測位置的應(yīng)變數(shù)值變化較大且規(guī)律基本一致。庫水位變化即蓄水工作期間同高程不同監(jiān)測位置的應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定，變化較小。施工期心墻應(yīng)變與大壩填筑高度呈負(fù)相關(guān)，壩體填筑期對應(yīng)變的影響較大，心墻應(yīng)變隨填筑高程變化而變，而冬季停工期影響很??；來年壩體的繼續(xù)填筑對應(yīng)變的影響較大。填土高程及后期庫水位變化對心墻施工期應(yīng)變的影響較大。

圖2 600 m高程應(yīng)變過程線

圖3 620 m高程應(yīng)變過程線

圖4 640 m高程應(yīng)變過程線

圖5 心墻應(yīng)變分布(單位：10-3，2020.01.09)

3.2 心墻與過渡料之間的相對變形分析

通過埋設(shè)位錯計(jì)對心墻與過渡料之間的垂直位錯變形數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時間自2010年10月以來，監(jiān)測所得心墻與過渡料之間相對變形過程見圖6。由圖6可知，心墻與過渡料之間的垂直位錯變形均為負(fù)值，表明心墻的沉降量大于過渡料的沉降量，反映出施工期變形較均勻；且位錯變形隨大壩填筑及庫水位升高而增大，相關(guān)性較好；最大垂直位錯變形在0+075斷面(左岸)心墻下部高程620 m處為-54.14 mm，河床壩段次之，右岸最?。痪椭骱哟捕?，0+150和0+170斷面最大位錯變形量分別為-48.18 mm、-41.70 mm，最大垂直位錯變形的部位約為壩高的1/3～1/2。

綜上所述，蓄水前后主河床壩段640 m高程的位錯變形相對其余部位較大，蓄水前后位錯量分別增大了14.95 mm、13.32 mm，其余部位的位錯量增大均在10 mm以內(nèi)。即蓄水期間由于各級庫水的壓力及滲透力對壩體本身的作用力使蓄水對壩體變形產(chǎn)生重要的影響。

圖6 心墻與過渡料之間相對變形過程線(單位：mm)

3.3 應(yīng)力分析

為了研究心墻壩整體的受力情況，本文對心墻壩的應(yīng)力分布進(jìn)行了監(jiān)測。由于竣工期和蓄水期壩體受力變化較大，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，竣工期上游應(yīng)力最大值大小為0.68 MPa，水位下游最大應(yīng)力大小為1.12 MPa。當(dāng)儲水后，上游最大應(yīng)力大小為0.67 MPa，水位下游最大應(yīng)力達(dá)到1.32 MPa?？梢钥闯?，儲水前后，下游的應(yīng)力最大值由于水壓的作用有所增加。

4 結(jié)論

本工程對碾壓式瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力應(yīng)變特性開展了深入、細(xì)致的研究工作，并取得了一定的研究成果。根據(jù)常年觀測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果來看，不同的地質(zhì)情況、不同時間段都受時效影響，即在壩高不變的情況下，在水荷載的作用下，對壩體以及混凝土心墻的應(yīng)力變形影響不同，通過長期觀測成果可以得知應(yīng)力應(yīng)變都在合理的范圍內(nèi)。