瀑布溝大壩蓄水期心墻應(yīng)力分析

林江，陳佳偉，周志輝

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

瀑布溝大壩蓄水期心墻應(yīng)力分析

林江，陳佳偉，周志輝

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

以瀑布溝水電站蓄水期監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)大壩心墻內(nèi)孔隙水壓力、土壓力及兩者的關(guān)系進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明:在瀑布溝水電站的整個(gè)蓄泄水過(guò)程中，孔隙水壓力隨水位的升高而增大，反之亦然;大壩橫斷面方向，從上游往下游，滲壓與庫(kù)水位的相關(guān)性依次減小，庫(kù)水的入滲是心墻滲壓變化的決定性因素;土壓力變化與孔隙水壓力變化規(guī)律基本一致，土壓力值調(diào)整是蓄水引起的滲流、固結(jié)共同作用的結(jié)果，主要受上游水位的影響;在水庫(kù)蓄水過(guò)程中，有效應(yīng)力下降，孔隙水壓力占土壓力的百分比達(dá)到100%，可能發(fā)生局部水力劈裂。總結(jié)蓄水期礫石土心墻滲壓和土壓力變化規(guī)律，可供其它同類工程參考。

孔隙水壓力;土壓力;有效應(yīng)力;水力劈裂

1 研究背景

礫石土是指粒徑大于5 mm顆粒的質(zhì)量占總質(zhì)量的20%～60%的寬級(jí)配礫類土［1］。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(fā)展和具有自愈作用和利于重型機(jī)械施工等特性，因此國(guó)外土石壩，尤其是高土石壩，采用礫石土作防滲體的土石壩很多，如高300 m的努列克壩（前蘇聯(lián)）;高216 m奇科森壩（墨西哥）;高260 m的特里壩（印度）和高230 m的澳洛維壩（美國(guó)）。近年來(lái)，采用礫石土作防滲料的優(yōu)越性已被國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)者所認(rèn)可，如已建成的魯布革堆石壩（103 m）、在建的糯扎渡堆石壩（261.5 m）、規(guī)劃建設(shè)的雙江口堆石壩（314 m）［1-3］。

土石壩心墻應(yīng)力問題是一個(gè)非常復(fù)雜、重要的問題。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值分析等方法對(duì)土石壩的心墻應(yīng)力及水力劈裂進(jìn)行了研究。對(duì)于大型的礫石土心墻壩，室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析與實(shí)際存在一定的差距，因此，對(duì)大型土石壩的原型監(jiān)測(cè)及成果分析具有重要意義。瀑布溝水電站大壩是目前國(guó)內(nèi)建成的最高的礫石土心墻堆石壩，本文以瀑布溝水電站首次蓄水期心墻監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，總結(jié)了蓄水期礫石土心墻滲壓和土壓力變化規(guī)律，以供其它同類工程參考。

2 工程概況

瀑布溝水電站攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程856 m，最大壩高186 m。水庫(kù)正常蓄水位850 m，校核洪水位853.78 m，死水位790 m。心墻頂高程854 m，頂寬4 m，上、下游坡度均為1∶0.25，底高程670 m，底寬96 m。心墻上、下游側(cè)各設(shè)二層反濾層，層厚上游均為4.0 m，下游均為6.0 m。反濾層與壩殼堆石間設(shè)過(guò)渡層，過(guò)渡層與壩殼堆石接觸面坡度為1∶0.4。心墻左岸壩肩較陡，807 m高程以下坡度為1∶0.85，以上坡度為1∶0.7;右岸壩肩較緩，790 m高程以下坡度為1∶1.1，以上坡度為1∶1.35。壩基為砂卵石覆蓋層，最大厚度77.9 m。［1-2］

瀑布溝水電站自2007年3月開始?jí)误w填筑，起填高程為670 m，經(jīng)過(guò)約30個(gè)月的填筑，2009年9月填筑到頂。水電站于2009年11月1日下閘蓄水，具體蓄水過(guò)程見表1。

3 監(jiān)測(cè)布置

壩體在河床部位壩軸距為310，240 m的2個(gè)典型斷面相同部位埋設(shè)土壓力計(jì)和滲壓計(jì)，本文僅介紹240 m斷面的監(jiān)測(cè)布置情況。該斷面在高程725，747，788 m處布置有加拿大Roctest公司和北京基康公司生產(chǎn)的振弦式滲壓計(jì)，以了解礫石土心墻的孔隙水壓力及其分布與消散情況。同時(shí)在高程670.8，725，747 m埋設(shè)有上述2家公司生產(chǎn)的振弦式土壓力計(jì)，以了解礫石土心墻受力情況。［3］

表1 電站蓄水過(guò)程Table 1Water storage process of the hydropower station

儀器埋設(shè)情況見圖1。圖中P代表滲壓計(jì)，E代表土壓力計(jì)，下標(biāo)代表儀器編號(hào)［3-4］。

圖1 斷面心墻監(jiān)測(cè)儀器安裝位置圖（0+240斷面）Fig.1Layout of monitoring instruments in the core-wall（section 0+240）

4 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)成果分析

為了便于分析，按公式（1）將滲壓計(jì)測(cè)值換算成水位。

式中:H為換算水位;▽H為滲壓計(jì)安裝高程;P為滲壓計(jì)測(cè)值;ρ為水的密度，取1.0×103kg/m3;g為重力加速度，取9.8 N/kg。圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）分別為725，747，788 m高程滲壓計(jì)時(shí)間過(guò)程曲線。

由圖2可知，各高程滲壓計(jì)變化規(guī)律總體一致:①一期蓄水滲壓計(jì)測(cè)值增幅較大，且增長(zhǎng)速率同蓄水速率有較好的相關(guān)性，當(dāng)蓄水速率加快時(shí)，滲壓計(jì)增長(zhǎng)速率也加大;反之亦然;②當(dāng)水位穩(wěn)定在790m高程時(shí)，滲壓計(jì)測(cè)值首先有一定的上升，隨后開始下降，整體上變化較小;③二期蓄水滲壓計(jì)變化基本和一期蓄水規(guī)律一致，與蓄水速率有較好的相關(guān)性;④枯水消落期，滲壓計(jì)測(cè)值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其下降速率同庫(kù)水位消落速率也有較好的相關(guān)。

0 +240 m斷面各特征時(shí)間點(diǎn)的滲壓計(jì)測(cè)值如表2，“壩軸距”是指順河流方向，以壩軸線為基準(zhǔn)，向下游為正，反之為負(fù)。

圖2 心墻部位孔隙水壓力－時(shí)間曲線Fig.2Curves of pore water pressure in the core-wall vs.time

由表1可知:一期蓄水過(guò)程中，單位水位增量時(shí)滲壓平均增量為0.2 m，二期蓄水過(guò)程中滲壓增量的平均值為0.53 m，消落期為0.58 m;滲壓計(jì)壩軸線上游升幅最大，壩軸線處次之，下游升幅最小。

利用excel數(shù)據(jù)分析［5］模塊對(duì)庫(kù)水位上升期間庫(kù)水位以下的24支滲壓計(jì)的換算水位與庫(kù)水位的相關(guān)系數(shù)R進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:壩軸線上游側(cè)相關(guān)系數(shù)平均為0.95;壩軸線上相關(guān)系數(shù)平均為0.87;壩軸線下游側(cè)相關(guān)系數(shù)平均為0.81?？梢姀纳嫌瓮掠?，滲壓與庫(kù)水位的相關(guān)性依次減小，符合一般的庫(kù)水入滲規(guī)律。

表2 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)成果表Table 2Monitoring result by osmometers

綜上所述，在整個(gè)蓄水過(guò)程中，滲壓計(jì)測(cè)值變化整體呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化態(tài)勢(shì)，未出現(xiàn)突變現(xiàn)象。在水位變化期間，滲壓計(jì)的測(cè)值與水位變化有較好的關(guān)聯(lián)性，水位上升時(shí)，由于上游庫(kù)水的入滲，導(dǎo)致心墻內(nèi)水位的上升，孔隙水壓力增大;水位下降時(shí)，心墻水回流到水庫(kù)，心墻水位下降，孔隙水壓力下降;平穩(wěn)在790m高程時(shí)，孔隙水壓力變化較小。

5 土壓力監(jiān)測(cè)成果分析

大壩心墻內(nèi)部土壓力計(jì)主要用于心墻總應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）分別為高程670.8，725，747 m土壓計(jì)時(shí)間過(guò)程曲線。

由圖3可知:①一期蓄水和二期蓄水期間，隨著庫(kù)水位的增加土壓應(yīng)力測(cè)值升高;②庫(kù)水位穩(wěn)定期間，將土壓力的變化分為A和B 2個(gè)階段，A階段土壓力測(cè)值增大，B階段土壓力測(cè)值減小;③枯水消落期，土壓力隨水位的下降而減小。

各個(gè)特征時(shí)間點(diǎn)土壓力監(jiān)測(cè)值見表3，理論土壓力值用公式（2）粗略估計(jì)。

式中:σ為理論土壓力值;γ為土的重度，在本文中取22 kN/m3;h為上覆土的厚度。

由表3可知:土壓力測(cè)值隨著高程的增加而減小，基本符合土壩應(yīng)力規(guī)律;同一高程土壓力測(cè)值從上游到下游依次減小，且均小于理論土壓力;一期蓄水單位水頭增量時(shí)平均土壓力增量為1.33×10-3MPa，二期蓄水期為3.22×10-3MPa，消落期為3.62× 10-3MPa。

圖3 心墻部位土壓力－時(shí)間曲線Fig.3Curves of soil pressure in the core-wall vs.time

蓄水過(guò)程中，上游庫(kù)水位入滲導(dǎo)致土壓力計(jì)以上土體部分由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和，土體重度增加，土壓力隨之增加。在水位穩(wěn)定期間，A階段由于心墻的滲透系數(shù)較小，庫(kù)水位進(jìn)一步入滲，土壓力增大;B階段庫(kù)水入滲完成，浸潤(rùn)線基本穩(wěn)定，在上覆土的重力作用下，孔隙水壓力消散、土體固結(jié)，土壓力減小。

表3 土壓力監(jiān)測(cè)成果Table 3Monitoring result of soil pressure

綜上所述，土壓力變化總體趨于平穩(wěn)，土壓力值調(diào)整與蓄水引起的滲流的作用、固結(jié)作用等因素有關(guān)，主要受上游水位的影響。

6 土壓力與孔隙水壓力關(guān)聯(lián)分析

心墻部位725 m和747 m高程在相同位置孔隙水壓力與土壓力關(guān)聯(lián)分析時(shí)間曲線如圖4所示。有效應(yīng)力為同一位置土壓力計(jì)測(cè)值扣除孔隙水壓力測(cè)值。

由圖4可知:①一期蓄水，隨著庫(kù)水位的增加孔隙水壓力總體在升高，相應(yīng)的土壓應(yīng)力也有升高;孔隙水壓力占土壓力比例升高，有效應(yīng)力有小幅下降;②庫(kù)水位穩(wěn)定期間，孔隙水壓力和豎向土壓力變化均不大;③二期蓄水，孔隙水壓力均有所升高，相應(yīng)的豎向土壓應(yīng)力也有所增加;孔隙水壓力占土壓力比例在升高，有效應(yīng)力有小幅下降。

孔隙水壓力與上覆土壓力成正比，且與含水量、滲徑和周圍土體粒徑有關(guān)。庫(kù)水在礫石土心墻體內(nèi)的滲透會(huì)使心墻內(nèi)的孔隙水壓力增加，而土體固結(jié)導(dǎo)致的孔隙水壓力消散會(huì)使孔隙水壓力下降，實(shí)測(cè)的孔隙水壓力是上述2個(gè)過(guò)程的綜合結(jié)果。蓄水過(guò)程中滲流作用會(huì)使土體由非飽和逐步過(guò)渡到飽和，發(fā)生軟化作用，降低土體的骨架效應(yīng)，使土壓力計(jì)測(cè)值（總應(yīng)力）上升。

殷宗澤、朱俊高等［6-9］認(rèn)為當(dāng)孔隙水壓力占土壓力的百分比100%時(shí)，則有可能發(fā)生水力劈裂。由圖3可知高水位期間孔隙水壓力占土壓力的百分比達(dá)到100%，且時(shí)間較長(zhǎng)，則在747 m高程、高水位期間有發(fā)生局部水力劈裂的可能。

7 結(jié)論

（1）在水位變化期間，滲壓計(jì)的測(cè)值與水位變化有較好的關(guān)聯(lián)性，水位上升滲壓計(jì)測(cè)值增大，反之亦然，水位平穩(wěn)在790 m高程時(shí)，孔隙水壓力變化較小;土壓力變化趨勢(shì)與孔隙水壓力變化規(guī)律類似。孔隙水壓力與上覆土壓力成正比，且與含水量、滲徑和周圍土體粒徑有關(guān)。

（2）在庫(kù)水上升的過(guò)程中，有效應(yīng)力有小幅度的減小，孔隙水壓力占土壓力的百分比達(dá)到100%，有發(fā)生局部水力劈裂的可能。

（3）礫石土心墻部位孔隙水壓力與土壓力變化是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，從目前的監(jiān)測(cè)資料來(lái)看，瀑布溝大壩孔隙水壓力與土壓力變化符合一般規(guī)律。

［1］中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.四川省大渡河瀑布溝水電站樞紐工程蓄水階段驗(yàn)收設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.成都:中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.（Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China.Report of the Design of Acceptance During Impoundment of Pubugou Hydropower Project on Dadu River in Sichuan Province［R］.Chengdu: Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China，2009.（in Chinese））

［2］中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.四川省大渡河瀑布溝水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告安全監(jiān)測(cè)篇［R］.成都:中國(guó)水電工程集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2001. （Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China.Safety Monitoring Report of the Preliminary Design of Pubugou Hydropower Project on Dadu River in Sichuan Province［R］.Chengdu:Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China，2001.（in Chinese））

［3］陳向浩，鄧建輝，陳科文，等.高堆石壩礫石土心墻施工期應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析［J］.巖土力學(xué)，2011，32（4）: 1083-1088.（CHEN Xiang-hao，DENG Jian-hui，CHEN Ke-wen，et al.Stress Monitoring and Analysis of Gravelly Soil Corewall in High Rockfill Dam During Construction［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（4）:1083-1088.（in Chinese））

［4］鄭俊，鄧建輝，楊曉娟，等.瀑布溝堆石壩礫石土心墻施工期孔隙水壓力特征與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（4）:709-717.（ZHENG Jun，DENG Jian-hui，YANG Xiao-juan，et al.Characteristics and A-nalysis of Pore Water Pressures in Gravelly Soil Corewall of Pubugou Rockfill Dam During Construction Period［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（4）:709-717.（in Chinese））

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［6］張坤勇，殷宗澤，朱俊高.各向異性對(duì)土質(zhì)心墻壩水力劈裂的影響［J］.巖土力學(xué)，2005，26（2）:243-246. （ZHANG Kun-yong，YIN Zong-ze，ZHU Jun-gao，et al. Influence of Anisotropy on Hydraulic Fracturing of Earth Core Dams［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26 （2）:243-246.（in Chinese））

［7］殷宗澤，朱俊高，袁俊平，等.心墻堆石壩的水力劈裂分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（11）:1348-1353.（YIN Zong-ze，ZHU Jun-gao，YUAN Jun-ping，et al.Hydraulic Fracture Analysis of Rock-Fill Dam with Core-wall［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（11）: 1348-1353.（in Chinese））

［8］殷宗澤.高土石壩的應(yīng)力與變形［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（1）:1-14.（YIN Zong-ze.Stress and Deformation of High Earth and Rock-Fill Dams［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（1）:1-14.（in Chinese））

［9］曹雪山，殷宗澤.土石壩心墻水力劈裂的非飽和土固結(jié)方法研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（12）:1851-1857.（CAO Xue-shan，YIN Zong-ze.Consolidation Method of Unsaturated Soils for Hydraulic Fracturing of Core Walls of Rock-Fill Dams［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（12）:1851-1857. （in Chinese））

（編輯:姜小蘭）

Stress Analysis for the Core-wall of Pubugou Dam During Impoundment

LIN Jiang，CHEN Jia-wei，ZHOU Zhi-hui
（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu610065，China）

On the basis of monitoring data of Pubugou Hydropower Station during its impoundment，we analyzed the pore water pressure，soil pressure in the core-wall and the relationship between them.Results show that:during the storage and discharge of water in the Pubugou Hydropower Station，the pore water pressure increases along with the rise of water level，and vice versa.The correlation between the water level and the osmotic pressure reduces from the upstream to the downstream，and the reservoir water infiltration is the decisive factor of seepage water pressure variation in the core-wall.The variation pattern of soil pressure coincides well with that of pore water pressure.The adjustment of soil pressure value is jointly induced by water seepage and consolidation，which is mainly influenced by the water level in the upstream.During the reservoir impoundment，the effective stress drops，the percentage of pore water pressure in the soil pressure reaches 100%，and as the reservoir water reaches high level，local hydraulic fracture is likely to occur.Summarizing the regularity of seepage pressure and soil pressure variation in the gravel soil core wall during the impoundment can provide reference for similar projects.

pore water pressure;soil pressure;effective stress;hydraulic fracturing

TV473.91

A

1001-5485（2013）05-0042-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.05.010

2013，30（05）:42-46

2012-04-05;

2012-05-30

林江（1988-），男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)與反饋分析工作，（電話）13568913143（電子信箱）ljpxr@foxmail.com。