某工程堆石壩施工期礫石土心墻孔隙水壓力與土壓力分析

阮彥晟， 賈婕培， 陳曉鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

礫石土較純黏土具有壓縮性小，有利于避免水力劈裂裂縫，有利于控制裂縫發展且具有自愈作用、可減少含水量處理的困難和利于重型機械施工等特性。因此，國外土石壩，尤其是高土石壩，多采用礫石土作為防滲料。近年來，采用礫石土作防滲料的優越性已逐步為國內設計者所認可[1-3]。

土石壩防滲料在上壩碾壓時，其飽和度一般達到90%以上，心墻填筑過程中，孔隙水壓力的消散能力不足，高心墻壩在施工期容易產生高孔隙水壓力。高孔隙水壓力的存在，導致心墻有效應力降低，從而影響壩體的穩定和強度[4-5]。因此，對高堆石壩施工期孔隙水壓力的研究一直備受關注。本文以某工程施工期監測資料為基礎，分析礫石土心墻孔隙水壓力形成機制與特征，結合土壓力得出有效應力，以便更深入理解礫石土心墻的孔隙水壓力形成機制及特征，為同類工程提供參考。

1 工程概況

某水電站工程主要任務是發電，總庫容為10.75億m3，總裝機容量2 600 MW。

樞紐擋水建筑物攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，壩頂長度496.39 m，壩頂寬度16.00 m。

壩軸線附近河谷相對開闊，呈較寬的“V”型，兩岸自然邊坡陡峻，臨江坡高700 m左右。壩址區基本地震烈度為Ⅷ度。

工程于2016年10月下閘蓄水，2018年4月機組全部建成發電，主體工程完工。

2 心墻孔隙水壓力和土壓力監測布置

大壩心墻沿壩軸線從左至右(縱)0+137.00 m、(縱)0+193.00 m、(縱)0+253.00 m、(縱)0+330.00 m、(縱)0+394.00 m五個主要剖面在其相應高程1 470.0 m、1 513.0 m、1 586.0 m、1 645.0 m，分別布設有土壓力計和滲壓計。沿壩軸線縱剖面布置(見圖1)。

圖1 壩軸線縱剖面監測布置

3 心墻孔隙水壓力分析

3.1 時間過程

心墻區孔隙水頭隨上游水位變化過程見圖2、3。

圖2 1 460.0 m高程最大壩高橫斷面孔隙

圖3 1 513.0 m高程最大壩高橫斷面孔隙

由圖2、3可知：

(1)與壩體填筑過程相關性較大，受上游水位影響較小，初步判定水頭主要由填筑荷載引起的超靜孔隙水壓力。不同高程響應時間不同，低高程隨壩體填筑響應及時，高高程響應稍有滯后。

(2)庫水位以下，心墻上下游靠近反濾處基本不受填筑高程影響，折算水頭與庫水位走勢相似，初步判定該測值主要由上游水位變化引起。

(3)庫水位以上，心墻上下游靠近反濾處折算水頭不受填筑高程影響。

3.2 空間分布

心墻區壩軸線折算水頭空間分布見圖4、5。

圖4 心墻沿壩軸線實測孔隙水頭等值線分布

圖5 最大壩高橫斷面壩體心墻區實測孔隙水頭分布

由圖4、5可知：

(1)1 460.0 m高程、1 513.0 m高程、1 550.0 m高程折算水頭遠高于埋設高程，初步判定上述折算水頭主要由填筑荷載引起超靜孔隙水壓力；1 585.0 m高程、1 615.0 m高程、1 645.0 m高程因埋設高程較高和埋設較晚，超靜孔隙水壓力很小。

(2)與心墻填筑相關性較大，隨壩體填土壓力的增大而逐漸增大，其變化趨勢與填土壓力變化趨勢基本相同。

(3)分布基本呈中間大、兩頭小，即靠近軸線高，上下游堆較小。初步分析認為：越靠近軸線，上部荷載越大，受其材料本身的防滲影響，孔隙水消散較慢，而靠近上下游反濾層部位，孔隙水相對容易消散。

4 心墻土壓力分析

4.1 時間過程

心墻區土壓力隨上游水位變化過程見圖6、7。

圖6 最大壩高橫斷面1 458～1 472 m高程實測壓力過程線

圖7 最大壩高橫斷面1 513 m高程土壓力計實測壓力過程線

從圖6、7中可看出：

(1)土壓力與壩體填筑高度具有較高的相關性，應力隨填筑高程增加而增大。

(2)實測值小于理論計算值。

4.2 空間分布

心墻區土壓力空間分布見圖8、9。

圖8 沿心墻中心線縱斷面土壓力計測值分布等值線(單位：MPa)

圖9 最大壩高橫斷面土壓力測值分布等值線(單位：MPa)

從圖8、9可看出：

(1)心墻區軸線上基礎部位由于上覆土體高、觀測時間長，測值大于上部高程，測值分布基本正常。其中最大壩高處即(縱)0+253.72 m剖面的土壓力最大，測值為3.18 MPa。

(2)最大土壓力分別位于上下游反濾層中，土壓力在基礎廊道及高塑性黏性土附近重新分配，形成應力集中。

(3)各部位在心墻底部上下游側與反濾料交界部位應力較為集中，同一高程應力分布總體特征為心墻兩側應力大、心墻中部應力小；應力等值線在監測斷面心墻中部呈凹陷狀分布，表明心墻在橫斷面方向存在拱效應。

(4)從沿心墻中心線縱斷面土壓力等值線分布看，同一高程河床中部應力大、兩岸岸坡應力小，高程越低中部與兩側應力差異越大，表明橫向河谷方向拱效應不明顯。

5 結 論

通過對該工程施工期大壩心墻區孔隙水壓力與土壓力的分析，可得到以下認識：

(1)高礫石土心墻堆石壩心墻，在施工過程中存在孔隙水壓力現象，總體分布為河床中部高于兩岸岸坡，心墻中部高于上下游兩側；土壓力分布與之相反；測值分布符合一般規律。

(2)由于心墻仍處于填筑過程中，孔隙水壓力隨壩體填筑高程增加而增加，加上心墻滲透系數較小(小于1×10-5cm/s)，局部孔隙水壓力消散緩慢，相應有效應力增加緩慢。

(3)心墻孔隙水壓力主要受壩體填筑過程控制，與庫水位相關性不大。

(4)心墻土壓力在基礎廊道及高塑性黏性土附近重新分配，形成應力集中，心墻在橫斷面方向存在一定拱效應。

(5)掌握了蓄水前大壩心墻應力的工作狀態，為蓄水后大壩安全運行分析評價和是否會產生水力劈裂提供數據支撐。