小浪底土石壩心墻拱效應分析

喻和平　江雄　張聰　曹磊　曹婷

摘要：結合小浪底大壩監測資料，基于有效應力算法，采用一個能表征心墻拱效應強弱的評價指標，對大壩心墻拱效應進行計算。結果表明：施工期拱效應系數變化較穩定，豎向范圍內壩體上部的拱效應比下部顯著，同一高程拱效應系數中間部位最小，向上游和向下游逐漸增大，土壓力呈馬鞍形分布，心墻中部附近土壓力最小；運行期同一高程拱效應從上游到下游依次減弱，拱效應系數主要受庫水位和土體固結排水因素的影響，短期內受庫水位影響大，長期則受土體固結排水的影響，拱效應系數的變化與庫水位變化正相關，從總體趨勢看，拱效應系數在緩慢減小；所有測點拱效應系數均大于零，說明壩體處于安全狀態。

關鍵詞：拱效應系數；土石壩心墻；填筑高程；庫水位；小浪底大壩

水利工程中，土石壩心墻填筑料與壩殼料相比存在不同的壓縮性，不同材料間沉降量和沉降時間的差異。使得心墻和壩殼交接處產生剪應力。而剪應力的存在會阻止心墻繼續沉降，此時壩殼處類似于一個拱腳，因而產生心墻拱效應。產生拱效應時，壩殼處所受壓應力增大，下部繼續沉陷，心墻將產生拉應力區，若產生的拉應力超過心墻介質的抗拉強度時，就會產生裂縫，危及壩體安全。目前，隨著國內越來越多土石壩尤其是高土石壩的建設，如何合理評估其心墻拱效應是十分重要且復雜的問題。小浪底大壩是國內已建成的斜心墻高堆石壩，對其拱效應進行分析研究具有重要意義。本文基于小浪底大壩施工、運行期的心墻應力監測資料。分別探討大壩施工期和運行期心墻拱效應特征，以期對高土石壩心墻拱效應理論、高土石壩的運行及管理提供借鑒。

1工程概況

小浪底水庫位于河南省洛陽市北40 km處的黃河干流上，水庫最高運用水位275 m，設計總庫容126.5億m3，壩體總填筑量5 184.7萬m3，壩基總開挖量770萬m3。攔河大壩為壤土斜心墻堆石壩，壩體斜心墻防滲料主要由粉質黏土組成，防滲墻頂端設有高塑性土區，壩殼由堆石體構成。設計最大壩高154 m，右岸深槽實際施工最大壩高達160 m，壩頂長度為1 667 m，壩頂寬度15 m，壩底最大寬度864 m，上下游壩坡分別為1：2.6（下部1：3.5）和1：1.75，河床段壩基處于深厚砂礫石之上，砂礫覆蓋層厚70-80 m。1991年9月，小浪底水利樞紐前期工程開工，1994年9月主體工程開工，1997年10月28日實現大河截流，1999年年底第一臺機組發電，2001年12月31日全部竣工，總工期11 a。