土石壩心墻孔隙水壓力成因分析

吳國(guó)曉 耿瑜平 李亞楠 柳利利

土石壩心墻孔隙水壓力成因分析

吳國(guó)曉 耿瑜平 李亞楠 柳利利

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院 河南鄭州 450003）

土石壩心墻在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。通過(guò)對(duì)大壩礫石土心墻中不同部位形成的不同的孔隙水壓力值，結(jié)合礫石土心墻填筑時(shí)土料含水率、壩前水位、大壩填筑進(jìn)度以及當(dāng)?shù)氐慕邓闆r等進(jìn)行綜合分析，得出孔隙水壓力的形成原因主要是由于心墻料含水率較高，并且孔隙水壓力的極值在上覆荷載固定時(shí)主要受大壩礫石土心墻內(nèi)的含水率影響。心墻內(nèi)部觀測(cè)到的壓力值有孔隙水壓力和與壩前水位貫通后的水頭壓力之分，需分別進(jìn)行分析。因此，加強(qiáng)孔隙水壓力的觀測(cè)和分析，對(duì)大壩的安全監(jiān)控有著重要意義。

土石壩 礫石土心墻 孔隙水壓力 含水率 安全監(jiān)控

1 引言

土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。近代的土石壩筑壩技術(shù)自20世紀(jì)50年代以來(lái)得到發(fā)展，并促成了一批高壩的建設(shè)。目前，土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。土石壩按組成可以分為均質(zhì)壩、土質(zhì)防滲體分區(qū)壩、非土料防滲體壩。其中土質(zhì)防滲體分區(qū)壩最為常見(jiàn)，一般將壩體分為黏土心墻和壩殼區(qū)。土石壩在心墻料填筑過(guò)程中，很少能發(fā)生有效的孔隙水壓力消散。因而，超過(guò)100m的心墻壩，在施工過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生高孔隙水壓力。高孔隙水壓力的存在，會(huì)導(dǎo)致心墻中有效應(yīng)力的降低，從而影響壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度。對(duì)于黏土心墻內(nèi)部孔隙水壓力的研究，對(duì)工程運(yùn)行有著重要的意義。

2 土石壩心墻孔隙壓力性質(zhì)分析

SL60—94《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》第5章相應(yīng)條款規(guī)定：孔隙水壓力的觀測(cè)，一般僅適用于飽和土及飽和度大于95%的非飽和黏性土。但是土石壩黏土心墻在大壩填筑施工過(guò)程中，黏土心墻料的飽和度往往達(dá)不到95%。因此，此時(shí)觀測(cè)到的孔隙水壓力往往并不是真正的孔隙水壓力，而是孔隙水壓力和孔隙氣壓力的合力。

根據(jù)司洪洋的研究成果，處于非飽和狀態(tài)的心墻，其孔隙壓力P（pore pressure）實(shí)際上涉及三個(gè)方面的壓力，分別是孔隙水形成的孔隙水壓力Pw（pore water pressure）、孔隙氣泡形成的孔隙氣壓力Pa（pore air pressure）、孔隙水和孔隙氣相界面即彎液面形成的毛細(xì)管吸力Pc（bubbling pressure）。且三者之間存在著固定的關(guān)系。

一般情況下，大壩黏土心墻料在初步壓實(shí)之后，其土體內(nèi)部還存在許多未完全充實(shí)的孔隙，孔隙內(nèi)部充滿著空氣和部分水。隨著填方的逐步升高，土體進(jìn)一步的壓縮，孔隙越來(lái)越小，而土體孔隙中的水分并未減少。因此，土體飽和度增加。此時(shí)Pw逐漸變大，Pa逐漸變小，最終土體中的孔隙完全被水填充。此時(shí)Pw達(dá)到最大，Pa消失。

但因?yàn)樵趯?shí)際工程中，大壩在填筑過(guò)程中觀測(cè)到的孔隙壓力值，并不是土體完全飽和后的壓力值。因此，在分析黏土心墻孔隙水壓力尤其是施工期的孔隙水壓力的過(guò)程中，必須考慮到孔隙氣壓力的影響。

3 滲壓計(jì)選擇

針對(duì)非飽和土中孔隙水壓力，英國(guó)最早發(fā)展了高進(jìn)氣式孔隙壓力測(cè)頭。該種孔隙壓力測(cè)頭可以阻止土中帶有較高空氣的壓力進(jìn)入孔隙壓力測(cè)頭，從而有效的阻止氣泡的影響，實(shí)現(xiàn)了非飽和土中純粹的孔隙水壓力的觀測(cè)。但目前，高進(jìn)氣式孔隙壓力測(cè)頭，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)踐和應(yīng)用。本次選擇的滲壓計(jì)為美國(guó)公司生產(chǎn)的振弦式滲壓計(jì)，采用粗孔濾水石。因此，所測(cè)值一般為孔隙水壓力和孔隙氣壓力的合力。

4 工程實(shí)例

4.1監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

某水電站為礫石土心墻堆石壩，心墻底高程為1991.00m，心墻頂高程2136.00m，最大壩高為147.00m，心墻底寬76.45m，頂寬4.00m。大壩壩體防滲采用礫石土心墻料和接觸性黏土料。大壩基礎(chǔ)防滲分兩部分，河床段采用混凝土防滲墻，墻體下部接帷幕灌漿；左右兩岸采用雙排帷幕灌漿。

為了觀測(cè)壩體的孔隙壓力情況，在壩體共布置了三個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面，斷面樁號(hào)分別為0+123m、0+244m、0+320m。在每個(gè)斷面的2031、2048、2078和2108m處各布置了相應(yīng)的振弦式滲壓計(jì)。各斷面滲壓計(jì)埋設(shè)示意圖見(jiàn)圖1、圖2，其中P代表滲壓計(jì)。

圖1 心墻0+123m(0+320m)斷面滲壓計(jì)布置圖

圖2 心墻0+244m斷面滲壓計(jì)布置圖

4.2各高程孔隙水壓力的變化情況

從圖2可知，壩體心墻內(nèi)共布置了4個(gè)高程的滲壓計(jì)。目前大壩基本填筑至壩頂2136m高程，大壩于2011年3月19日開(kāi)始蓄水。對(duì)于2108m高程內(nèi)的滲壓計(jì)，目前監(jiān)測(cè)到的孔隙水壓力很小，本次不做分析。

EL2031m高程的滲壓計(jì)埋設(shè)于2010年4月。從圖3中可以看出，心墻內(nèi)的3支滲壓計(jì)從2010年10月份開(kāi)始變化，P-57，P-58增長(zhǎng)較快。2011年3月份大壩蓄水后，位于心墻上游測(cè)的P-57產(chǎn)生了突變，隨后兩個(gè)月內(nèi)其孔隙水壓力的換算水位值與壩前水位基本相當(dāng)，8月份該滲壓計(jì)損壞。而P-58，P-59并未受大壩蓄水影響，位于下游測(cè)的P-59孔隙水壓力值很小，并且很穩(wěn)定。位于心墻中部的P-58測(cè)值在2011年6月份達(dá)到峰值186.9kPa后，孔隙水壓力開(kāi)始逐漸變小。

原因分析：上游測(cè)P-57在壩前水位超過(guò)EL2031m時(shí)，其測(cè)值換算水頭值與壩前水位值相當(dāng)。因此，初步分析該部位已經(jīng)與壩前水體貫通。P-57產(chǎn)生突變的原因?yàn)樵摬课辉诖髩涡钏螅w滲透到該部位后，水頭壓力增大而造成的。位于壩軸線上的P-58，其測(cè)值并未受到壩前水位的影響，其壓力變化曲線規(guī)律為：隨著大壩的填筑，其孔隙水壓力達(dá)到一個(gè)峰值，然后就開(kāi)始緩慢減小，即壓力值開(kāi)始慢慢消散。位于下游測(cè)的P-59，其測(cè)值很小。分析原因?yàn)椋摬课慌c下游測(cè)透水性很好的過(guò)渡料層距離較近，隨著上部土壓力的增大，其內(nèi)部孔隙水消散較快。因此孔隙水壓力始終較小。

圖3 大壩2031m高程心墻孔隙水壓力變化曲線圖

從圖4EL2048m高程面的上游側(cè)滲壓計(jì)測(cè)值變化曲線圖可以看出，2010年7月份該斷面滲壓計(jì)埋設(shè)后，各孔隙水壓力值在2010年10月份開(kāi)始緩慢增大，在2011年4月份達(dá)到一個(gè)極值，隨后開(kāi)始緩慢減小，直至2011年8月份。從2011年4月到2011年8月期間，壩前水位在2043～2060m之間變化，依據(jù)滲壓計(jì)測(cè)值水頭換算，換算水頭為2068～2096m，均高于壩前水位值。因此，判斷該測(cè)值為心墻孔隙水壓力。2011年8月份后，壩前水位急劇增加，3支滲壓計(jì)的測(cè)值也緩慢變大，P-36、P-63與壩前水位有較好的相關(guān)性。截至2012年1月，隨著壩前水位的下降，3支滲壓計(jì)測(cè)值都趨于減小，并都穩(wěn)定在440kPa左右。而將該值換算成水頭值，約為2094m，該值和同時(shí)期的壩前水位較符合。

原因分析：在2011年8月份之前，各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力值變化規(guī)律和以上P-58的變化規(guī)律基本相同。該部位3支滲壓計(jì)后期隨著壩前水位的增加，其測(cè)值又緩慢增加，直至3個(gè)滲壓計(jì)測(cè)值換算水頭都與上游水位相符。因此，初步分析該埋設(shè)滲壓計(jì)部位在大壩蓄水后已經(jīng)與上游壩內(nèi)水體貫通。

圖4 大壩2048m高程心墻上游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

從2048m高程面的下游側(cè)滲壓計(jì)測(cè)值變化曲線圖（圖5）可以看出，3支滲壓計(jì)埋設(shè)于2010年7月份，從2010年10月份開(kāi)始緩慢增大，在2011年4月份達(dá)到一個(gè)極值，之后測(cè)值就開(kāi)始緩慢減小，并未隨著后期壩前水位的變化而變化。

原因分析：下游側(cè)3支滲壓計(jì)測(cè)值并未受到壩前水位變化的影響，其變化規(guī)律遵從以上P-58的變化規(guī)律。與2031m高程面的P-58相比，其上覆荷載比P-58小，但其產(chǎn)生的孔隙水壓力卻比P-58大1倍以上。因此，分析心墻內(nèi)的孔隙水壓力并非只受上覆荷載影響，還與填筑料的含水率等有關(guān)。下游側(cè)3支滲壓計(jì)的變化規(guī)律也揭示了心墻內(nèi)孔隙水壓力變化的一般規(guī)律，與以上P-58的變化規(guī)律相符，即大壩心墻內(nèi)滲壓計(jì)在埋設(shè)之后，根據(jù)施工進(jìn)度，其測(cè)值有約3個(gè)月的滯后期，隨后，隨著大壩的填筑，其孔隙水壓力也逐漸增大，根據(jù)其上部荷載情況達(dá)到一個(gè)極值，然后開(kāi)始慢慢消散。該部位測(cè)值同時(shí)也說(shuō)明了大壩心墻的防滲效果良好。

圖5 大壩2048m高程心墻下游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

從2078m高程面的上游側(cè)滲壓計(jì)測(cè)值變化曲線圖（圖6）可以看出，該高程滲壓計(jì)埋設(shè)后，隨著大壩的填筑，其測(cè)值也在緩慢增加。2011年8月份，壩前水位開(kāi)始超過(guò)2078m，而此時(shí)3支滲壓計(jì)的測(cè)值也開(kāi)始快速增加，直到2011年11月份，其測(cè)值隨著壩前水位達(dá)到峰值，隨后開(kāi)始隨壩前水位緩慢減小。到2012年1月底，3支滲壓計(jì)的測(cè)值基本都穩(wěn)定在160kPa左右。將該值換算成水頭值約為2094m，而該值與同時(shí)期的壩前水位值也比較相符。

原因分析：在2011年8月份之前，各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力值較穩(wěn)定，但后期隨著壩前水位的增加，其測(cè)值增加較快，直至3個(gè)滲壓計(jì)測(cè)值換算水頭都與上游水位相符。因此，分析該部位滲壓計(jì)已經(jīng)與上游壩內(nèi)水體貫通。

圖6 大壩2 078m高程心墻上游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

從2078m高程面的下游側(cè)滲壓計(jì)測(cè)值變化曲線圖（圖7）可以看出，下游側(cè)3支滲壓計(jì)測(cè)值都偏小，并且很穩(wěn)定，最大值不超過(guò)20kPa。

原因分析：位于下游側(cè)的3支滲壓計(jì)測(cè)值很小，其原因?yàn)樵摑B壓計(jì)與下游側(cè)透水性良好的過(guò)渡料層距離較近，內(nèi)部孔隙水較易消散，因此孔隙水壓力值較小。這也說(shuō)明大壩心墻防滲效果很好，壩前水體未滲透到該部位。

圖7 大壩2078m高程心墻下游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

4.3大壩填筑影響

從圖5可以看出，從2010年4月填筑到EL2031m至2011年6月底，大壩填筑到EL2136m,大壩整體填筑速率較平穩(wěn)。但從圖上兩條豎線處可以看出，即在2011年1月底前大壩填筑速率較快，而在之后，填筑速率明顯降低。從兩條豎線處的孔隙水壓力斜率來(lái)看，孔隙水壓力增長(zhǎng)速率也明顯減緩。因此，施工速率和孔隙水壓力的增長(zhǎng)基本成正相關(guān)。

4.4心墻黏土料物理參數(shù)影響

對(duì)心墻內(nèi)三個(gè)高程面的黏土料，取該高程面多個(gè)部位的黏土料的物理參數(shù)進(jìn)行平均，得出以下各高程面物理參數(shù)表，見(jiàn)表1。

由表1可以看出，EL2048m的含水率較其它部位偏高，小于5mm顆粒含量也偏高。又因?yàn)镋L2048m部位的滲壓計(jì)埋設(shè)時(shí)期為7月份，正值當(dāng)?shù)氐挠昙荆鳨L2031m施工時(shí)為4月份，雨水很少（見(jiàn)表2），雨水因素也增加了EL2048m高程面上的粘土的含水率，這也與EL2048m產(chǎn)生了較大的孔隙水壓力相對(duì)照。

表1 大壩三個(gè)高程面上心墻料物理參數(shù)表

表2 壩區(qū)多年平均月降雨統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于土石壩心墻，隨著大壩的填筑、礫石土密實(shí)度的增加，心墻內(nèi)部將形成孔隙水壓力。

（2）該孔隙水壓力的大小，在上覆荷載相同時(shí)，最主要的決定因素是上壩土料的含水率。

（3）該孔隙水壓力將根據(jù)上覆荷載及上壩土料的含水率等物理參數(shù)指標(biāo)的不同而達(dá)到一個(gè)相應(yīng)的極限值，隨后，該壓力值將會(huì)開(kāi)始慢慢消散。

（4）心墻內(nèi)部觀測(cè)到的壓力值有孔隙水壓力和與壩前水位貫通后的水頭壓力之分，需分別進(jìn)行分析。

（5）為了大壩心墻的安全，應(yīng)在大壩心墻內(nèi)部不同部位增設(shè)滲壓計(jì)數(shù)量，以便觀測(cè)壩前水位對(duì)心墻的滲透深度。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.026

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1672-2469（2014）02-0094-04

吳國(guó)曉（1981年- ），男，工程師。