水中填土均質(zhì)土壩變形特性分析

□張宏斌（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心）

0 引言

20世紀(jì)70年代初至80年代中期，黃河中上游地區(qū)出現(xiàn)了一種群眾創(chuàng)造的筑壩方法——水中填土筑壩。多年試驗(yàn)和實(shí)踐證明：水中填土筑壩是一種應(yīng)該推廣的先進(jìn)筑壩方法。這種施工方法具有工期短、投資省、質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)[1],在施工期壩體含水量高、孔壓大、密度小、強(qiáng)度低、固結(jié)度低、壩體存在著一個(gè)流態(tài)區(qū)，施工進(jìn)度不易控制等特點(diǎn)[2]。前人對(duì)李長(zhǎng)江，田曉輝（2002）[3]對(duì)水中填土壩設(shè)計(jì)施工和試驗(yàn)幾個(gè)問題進(jìn)行了探討，研究表明施工期的土壤干容重、土壤含水量、時(shí)間、施工速度對(duì)水中填土壩的強(qiáng)度、工程質(zhì)量都有很大影響。濕陷性黃土的危害來源于濕陷性質(zhì)，由于黃土濕陷變形具有突發(fā)性，不可連續(xù)性，不可逆性等失穩(wěn)破壞特征[4][5]，因此深入研究其濕陷機(jī)理十分重要。郭銳（2003）[6]對(duì)濕陷性黃土地基沉陷原因進(jìn)行了分析，表明濕陷性黃土水分子楔入土顆粒之間，破壞聯(lián)結(jié)薄膜，土的強(qiáng)度迅速降低，在土自重壓力或土自重壓力及附加壓力的作用下，結(jié)構(gòu)逐漸破壞，從而發(fā)生濕陷現(xiàn)象。

文峪河水庫大壩為山西省水中倒土法施工的第二高壩，壩高55.63 m。在多年運(yùn)行期間，壩體經(jīng)歷不均勻沉陷、壩體裂縫和水庫出現(xiàn)滲漏等工程問題。管理單位借助土壩壩體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)，及時(shí)了解到大壩運(yùn)行過程中壩體的變形情況，并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了處理，迄今為止大壩已安全運(yùn)行60年。文章基于山西省文峪河水庫的觀測(cè)監(jiān)測(cè)資料，分析黃土高原區(qū)水中填土筑壩土壩運(yùn)行過程中的變形特性和原因，為類似地區(qū)利用水中填土填筑土壩、堤防提供參考[7]。

1 供試材料

大壩：文峪河水庫大壩位于黃土高原的山西省呂梁地區(qū)文水縣開柵鎮(zhèn)北峪口村西，因水庫截汾河支流文峪河水筑成，得名文峪河水庫[8]。水庫距太原市約60 km，總庫容1.17億m3，興利庫容0.48億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的大Ⅱ型年調(diào)節(jié)水庫。文峪河水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪供水發(fā)電隧洞及水電站等建筑物組成。大壩分為主壩段和副壩段，0+000～0+420 m為副壩段，0+420～0+720 m為主壩段，壩頂長(zhǎng)720m。大壩壩型為水中填土均質(zhì)壩，壩頂高程841.03 m，最大壩高55.63 m。主壩坐落在主河槽砂礫巖基礎(chǔ)上，副壩坐落在長(zhǎng)300 m，寬350 m，厚6～16 m的天然黃土臺(tái)地上。

地質(zhì)：文峪河水庫所處大地構(gòu)造位置為呂梁太行斷塊五臺(tái)山塊隆的西南部狐堰山山字型褶帶前弧頂與南東側(cè)反射弧接合部位，東與晉中新裂陷的西谷南莊凹陷接壤，西社大斷裂和交城大斷裂控制著水庫區(qū)構(gòu)造格架[9,10]。文峪河水庫攔河大壩位于交城大斷裂上升盤河流出山口處。

運(yùn)行情況：水庫于1959年11月開工，1961年6月攔洪，1970年6月竣工，投入運(yùn)行。結(jié)合多年運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行期間，逐步對(duì)汛限水位進(jìn)行了調(diào)整。1962-1974年空庫攔洪，汛限水位814.80 m；1975年汛限水位提高到 821.00 m；1987年提高823.00 m；1988年提高到824.00 m；1991年提高到826.00 m；1998年調(diào)整為825.50 m；1999年提高到827.00 m，20多年來，共提高汛限水位12.20 m。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：為了解文峪河水庫運(yùn)行過程中變形情況，在壩體上設(shè)置了包括壩體及壩基沉陷觀測(cè)管20個(gè)，壩體及壩基沉陷觀測(cè)布置如表1所示。

表1 壩體及壩基沉陷觀測(cè)布置相對(duì)坐標(biāo)表

2 結(jié)果與分析

2.1 垂向沉降量隨時(shí)間的變化特征

選取其中0+180 m斷面測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)作為分析垂向變形量（沉降量）隨時(shí)間變化特征的代表點(diǎn)。據(jù)：10年（1961-1970）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有圖1所示的過程線。

圖1 垂向變形量（沉降量）隨時(shí)間變化特征圖

從圖1可以看出：在10年的觀測(cè)期內(nèi)，土壩的沉降過程基本完成，表現(xiàn)在1967-1970年間其變形量基本趨于穩(wěn)定。初始變形量即沉降量很大，占到總變形量的90%以上，后期的變形量不大占總變形量的10%，初始變形量在施工和初次蓄水期完成，即1962-1963年間完成，并以很快的速度完成。在水庫蓄水后的前期，累積沉降量的大小受蓄水深度等因素的影響波動(dòng)較大，而后期波動(dòng)很小。

水中填土筑壩的施工初期，隨著壩體逐漸填筑，壩基黃土臺(tái)地受到不斷增加的壩身自重壓力的作用開始排出孔隙水，使得土壤孔隙減小[11]，壩體本身和壩下黃土臺(tái)地逐漸變形和固結(jié)，其變形既有永久性的塑性變形又有部分彈性變形，這個(gè)過程在加載過程中或加載過程后的較短時(shí)間或孔隙水消除的過程中完成，所以初期的沉降速度較快，出現(xiàn)了初期沉降量很大的現(xiàn)象。隨著水庫的蓄水，庫區(qū)水位升高，在壩體內(nèi)形成隨水位變化的壩體浸潤(rùn)線。庫區(qū)蓄水或浸潤(rùn)線的形成，使浸潤(rùn)線之下的壩基或壩體土成為飽和土，孔隙水壓力形成，承擔(dān)了其上部部分土體的重量，原土體所受壓力減小，使原土體的彈性變形得以恢復(fù)高[12]，浸潤(rùn)線越高，彈性變形的恢復(fù)率越高。此外，原土體的塑性變形在緩慢減小，彈塑性變形兩者遞加的綜合結(jié)果是累計(jì)變形量的波動(dòng)。蓄水的初期，彈塑性變形劇烈，蓄水的后期平穩(wěn)，因此出現(xiàn)了累計(jì)沉降量的大小初期波動(dòng)較大[13]，而后期波動(dòng)很小的形象。

2.2 不同地基類型的沉陷特征

根據(jù)1960-1974年壩軸線累計(jì)沉降量數(shù)據(jù)，繪制累積沉降量沿主壩和副壩軸線變化曲線（見圖2）。

圖2 累積沉降量沿主壩和副壩軸線變化曲線圖

由圖2可見：主壩段（0+420～0+720 m）累積沉降量比副壩段（0+000～0+420 m）小，主壩累計(jì)沉降量在1.00 m以下，而副壩累積沉降量在1.00～3.00 m之內(nèi)。主壩累計(jì)沉降量波動(dòng)小，而副壩累積沉降量波動(dòng)大。

主壩坐落于主河槽砂礫巖基礎(chǔ)上，而副壩座落在長(zhǎng)300 m，寬350 m，厚6～16 m的天然黃土臺(tái)地上。副壩壩基土質(zhì)疏松，平均孔隙度在50%以上，為中強(qiáng)濕陷性黃土。盡管施工期采用預(yù)浸預(yù)壓法處理，即在壩體填筑前對(duì)臺(tái)地浸水，在填筑過程中，堆土加壓借助水中倒土固結(jié)排水和上部土荷載的增加，達(dá)到浸水加壓，促使黃土沉降固結(jié)，但處理影響深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到16 m深度。分析認(rèn)為副壩壩基隨壩體高度的增加和完工后壩基的飽和，由于濕陷性出現(xiàn)了較主壩大的變形，平均10 m厚的臺(tái)地覆蓋層，單位厚度變形量增量15 cm。主壩變形量小的原因在于水中填土施工方法使?jié)裣菪栽谑┕み^程中完成其大部分，所檢測(cè)到的變形量?jī)H為后期緩慢塑性變形的遞加值。

2.3 同一橫斷面的沉降量變化特征

根據(jù)壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況選取副壩段（0+180 m）斷面的不同測(cè)點(diǎn)（表2），分析同一橫斷面的沉降量變化特征。根據(jù)表2所示相同斷面不同檢測(cè)點(diǎn)及變形量，繪制壩體剖面變形量隨檢測(cè)位置的變化如圖3所示。

表2 相同斷面不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)及變形量統(tǒng)計(jì)表

圖3 壩體剖面變形量隨監(jiān)測(cè)位置的變化圖

由圖3可知：副壩段沿垂直壩軸線方向累積沉降量變化范圍不大但數(shù)值相對(duì)很大，最大沉降量為2913 mm，從上游段到下游段沉降量基本上成一條直線規(guī)律。副壩段橫剖面方向沉降規(guī)律靠近上游端沉降量比下游端大。

副壩段坐落在厚6～16 m的天然黃土臺(tái)地上，黃土濕陷性強(qiáng)，土質(zhì)疏松，孔隙度達(dá)到50%，沉陷條件優(yōu)良。在外力和自重作用下土體不斷得到壓密，孔隙變小，故沉降量很大。隨著水庫蓄水，庫區(qū)水位升高，上游段壩體長(zhǎng)期與水體接觸，在壩體內(nèi)形成浸潤(rùn)線。浸潤(rùn)線之下的壩體與壩基土成為飽和土，浸潤(rùn)線規(guī)律是從上游到下游逐漸降低，因而上游段飽和土比下游段多。飽和土體除土骨架外，全部孔隙為水所充填，而孔隙水是可以假定為不可壓縮的。在上部荷載不變的情況下，飽和土體不只是土骨架可以承受壓力，孔隙中水體也可以承受一定的壓力，這就使得飽和土多的上游段沉降量比下游段小。

3 結(jié)論

一是水中填土筑壩的施工初期，壩體本身和壩下黃土臺(tái)地逐漸變形和固結(jié)，其變形既有永久性的塑性變形又有部分彈性變形，這個(gè)過程在加載過程中或加載過程后的較短時(shí)間或孔隙水消除的過程中完成，所以初期的沉降速度較快，出現(xiàn)了初期沉降量很大的現(xiàn)象。

二是水庫蓄水后，在壩體內(nèi)形成隨水位變化的壩體浸潤(rùn)線，使浸潤(rùn)線之下的壩基或壩體土成為飽和土，孔隙水壓力形成，承擔(dān)了其上部部分土體的重量，原土骨架所受壓力減小，使原土骨架的彈性變形得以恢復(fù)。蓄水位越高，浸潤(rùn)線越高，彈性變形的恢復(fù)率越高。

三是由于土壩浸潤(rùn)線從上游到下游逐漸減小，造成上游段飽和土比下游多，而飽和土中填充的水也會(huì)承受一定的壓力，土體骨架承受的壓力相應(yīng)的就會(huì)減小，因而靠近上游段土壩沉降量比下游段小。

四是黃土濕陷變形具有突發(fā)性，不可連續(xù)性，不可逆性等失穩(wěn)破壞特征，濕陷性黃土水分子楔入土顆粒之間，破壞聯(lián)結(jié)薄膜，土的強(qiáng)度迅速降低，在土自重壓力或土自重壓力和附加壓力的作用下，結(jié)構(gòu)逐漸破壞，從而發(fā)生濕陷現(xiàn)象，造成在黃土臺(tái)地上建造的土壩沉降量很大。

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