基于離心模型試驗(yàn)的前坪水庫壩體變形研究

歷從實(shí) 錢亞俊 葛爽

摘 要：根據(jù)前坪水庫工程砂礫石黏土心墻壩的設(shè)計(jì)分區(qū)、陡峻岸坡等不利地形條件以及覆蓋層的土層分布，采用離心模型試驗(yàn)對(duì)主壩不同特征時(shí)段的變形特性及黏土心墻內(nèi)土壓力分布特性和孔壓分布特性等進(jìn)行了研究，并對(duì)大壩的填筑及蓄水過程進(jìn)行模擬計(jì)算，研究竣工期、滿蓄期大壩的應(yīng)力、變形特性。結(jié)果表明：壩體沉降變形主要發(fā)生在施工期，蓄水引起的壩體沉降不大。壩體在滿蓄狀態(tài)下，運(yùn)行管理期存在一定的長期變形。離心模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)條件下，壩體運(yùn)行管理期沉降增量較竣工期增長10.9 cm，該變形可能會(huì)導(dǎo)致壩頂公路、防浪墻等附屬結(jié)構(gòu)發(fā)生差異變形而出現(xiàn)局部開裂，應(yīng)引起管理方重視。同時(shí)揭示，在長期水荷載作用下，心墻未出現(xiàn)裂縫，在模擬歷時(shí)3 000 d過程中，壩體上游水位未發(fā)生變化，下游區(qū)域未見明顯滲水，表明黏土心墻有很好的防滲性能，心墻未發(fā)生滲流破壞。

關(guān)鍵詞：黏土心墻;砂礫石壩;協(xié)調(diào)變形;前坪水庫

中圖分類號(hào)：TV62;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.017

Abstract：Based on the unfavorable terrain conditions and soil layer distribution of overburden of the designed zoning of sand-gravel clay core wall and steep slope of Qianping Reservoir， by using the centrifugal model test， the deformation characteristics of unsteadying infiltration characteristics of different time periods and distribution features of the clay core wall in earth pressure and pore pressure distribution characteristics were studied. It also simulated and calculated the filling and storage process of the dam and studied the time of completion and the characteristics of stress and deformation of the dam in the full storage period. The results show that the main subsidence deformation of the dam occurs during the construction period and the subsidence caused by water storage is not large. Under the condition of full storage， the dam body has long-term deformation in operation and management. The centrifugal model test results show that under the test conditions， the settlement increment during the operation management period of the dam body increases by 10.9 cm comparing with that during the completion period， and the deformation may lead to the differential deformation of the auxiliary structures such as the highway at the top of the dam and the wave wall， resulting in local cracking， which should be paid attention to by the management. At the same time， it is revealed that under the action of long-term water load， there is no crack in the core wall. During the simulation lasting for 30 00 days， the upstream water level of the dam body does not change and there is no obvious water seepage in the downstream area， indicating that the clay core wall has good impermeability and the core wall has no seepage failure.

Key words： clay core wall; gravel dam; coordinated deformation; Qianping Reservoir

土工離心模型試驗(yàn)方法、設(shè)備日益完善和成熟[1-2]，能滿足模型與原型應(yīng)力水平相同的要求，被國內(nèi)外專家公認(rèn)為是目前研究巖土工程問題最為有效、最為先進(jìn)的研究方法和試驗(yàn)技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。金大龍等[3]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)高水壓條件下的海底隧道盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，孫靜等[4]通過離心模型試驗(yàn)方法對(duì)土石混合填料的高填方路基沉降變形進(jìn)行了分析，張崇磊等[5]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)高鐵強(qiáng)夯地基沉降進(jìn)行了研究，谷定宇等[6]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)深大基坑支護(hù)方案進(jìn)行了研究。在水利工程方面，趙天龍等[7]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)堰塞壩漫頂潰壩機(jī)理進(jìn)行了研究，李從安等[8]對(duì)面板堆石新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究，王年香等[9]對(duì)高堆石壩心墻滲流特性進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究，湯明高等[10]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)三峽庫區(qū)庫岸滑坡變形特征進(jìn)行了研究，都取得了一定成果。但通過離心模型試驗(yàn)對(duì)不良級(jí)配砂礫石黏土心墻壩變形研究的文獻(xiàn)不多。前坪水庫筑壩砂礫石料因建壩前當(dāng)?shù)厝罕婇L期無序開采，故導(dǎo)致河床表面3～5 m以下范圍內(nèi)5～20 mm級(jí)配料缺失，局部大粒徑料集中，針對(duì)這種不利情況，通過離心模型試驗(yàn)對(duì)前坪水庫主壩（黏土心墻砂礫石壩，壩頂長818 m）不同特征時(shí)段的變形特性及黏土心墻內(nèi)土壓力分布特性和孔壓分布特性等進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過試驗(yàn)分析284 d施工期、蓄水期、近9 a運(yùn)行期（設(shè)計(jì)水位標(biāo)高，下同）壩頂沉降及壩體剖面變形特性，黏土心墻內(nèi)土壓力及孔壓分布特性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

（1）400gt離心機(jī)。離心模型試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院400gt土工離心機(jī)上進(jìn)行，該機(jī)的最大半徑（吊籃平臺(tái)至旋轉(zhuǎn)中心）為5.5 m，最大加速度為200g，最大負(fù)荷為2 000 kg，吊籃平臺(tái)尺寸為1 100 mm×1 100 mm。該機(jī)裝有100通道的銀質(zhì)信號(hào)環(huán)，其中10路電力環(huán)、70路應(yīng)變測量信號(hào)、20路位移測量信號(hào)，還配備1路氣壓環(huán)（壓力20 MPa）、2路液壓環(huán)（壓力20 MPa，供水速率30 L/min）。轉(zhuǎn)臂采用先進(jìn)的雙鉸支蹺蹺板結(jié)構(gòu)，有一定自調(diào)平衡能力，另外該機(jī)還配有一套動(dòng)態(tài)調(diào)平系統(tǒng)。

（2）測試儀器。壩體沉降采用進(jìn)口激光位移傳感器（Wenglor-YP05MGVL80型激光位移計(jì)）測量，其特點(diǎn)是精度高、抗干擾能力強(qiáng)?？紫端畨毫Σ捎梦⑿涂紫端畨毫鞲衅鳒y量，此傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、信號(hào)強(qiáng)、干擾小。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由前置數(shù)據(jù)采集裝置、集流環(huán)及微機(jī)組成，配備90路測量通道，其中70路用于應(yīng)變測量、20路用于位移測量，數(shù)據(jù)采集頻率為1次/s。前置數(shù)據(jù)采集裝置安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂端部靠近掛斗處，直接與測量傳感器連接，微機(jī)放在控制室中，便于試驗(yàn)過程中隨時(shí)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，模型中埋設(shè)的傳感器輸出的信號(hào)由前置數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時(shí)采集，采集的信號(hào)經(jīng)集流環(huán)上傳至主機(jī)，由主機(jī)顯示、存儲(chǔ)測量結(jié)果并進(jìn)行處理。

（4）閉路電視系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高分辨率CCD攝像機(jī)、監(jiān)視器、錄像機(jī)組成。試驗(yàn)時(shí)將高分辨率CCD攝像機(jī)安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂端部掛斗上，其鏡頭對(duì)準(zhǔn)模型箱有機(jī)玻璃面，該面為模型側(cè)斷面，制模時(shí)在模型表面做好測量標(biāo)志。標(biāo)志網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)由攝像機(jī)攝入后經(jīng)集流環(huán)上傳至監(jiān)視器中顯示，這樣在試驗(yàn)過程中可監(jiān)視模型在任一時(shí)期的變形情況，必要時(shí)可用錄像機(jī)錄制整個(gè)試驗(yàn)過程，以便于試驗(yàn)后處理。

2 試驗(yàn)方法

2.1 建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

前坪水庫最大壩高90.4 m，壩基覆蓋層厚約8.5 m，取大壩最大斷面，按平面問題進(jìn)行試驗(yàn)。綜合考慮試驗(yàn)要求及試驗(yàn)條件等因素，確定本次離心模型試驗(yàn)的模型比尺為1∶160。模型及傳感器布置見圖1。

2.2 模型制備

模型制備程序：加工堆石料和心墻料→根據(jù)含水率配制心墻料→根據(jù)密度要求填筑心墻（期間在相應(yīng)的位置埋設(shè)孔隙水壓力傳感器）→按填筑密度填筑堆石料→安裝壩頂位移傳感器。

試驗(yàn)?zāi)M了心墻和堆石兩種筑壩材料。離心機(jī)模型心墻料的限制粒徑取40 mm，按等量替代法確定模型心墻料的顆粒級(jí)配。堆石料的限制粒徑取60 mm，先按相似級(jí)配法進(jìn)行縮尺，再按等量替代法確定模型堆石料的顆粒級(jí)配。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪误w的填筑方法：根據(jù)顆粒級(jí)配要求加工心墻料和堆石料，按含水率和干密度（ρd=1.72 g/cm3）要求配制心墻料和堆石料，采用分層方法首先填筑心墻料，根據(jù)填筑密度和體積稱取每層所需心墻料的質(zhì)量，重型擊實(shí)到層厚5 cm，用刮刀刮去多余部分，然后按相同的方法填筑堆石料（壓實(shí)后每層層厚均為5 cm）。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾昧宋灰苽鞲衅骱涂紫端畨毫鞲衅鳌Ｔ趬雾斨行奶幇惭b位移傳感器，測定施工期、蓄水期和運(yùn)行期壩體的沉降。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谐跏紵o水，通過在離心機(jī)上安裝水箱和電磁閥模擬蓄水過程。在離心機(jī)加速度達(dá)160g后開通電磁閥向上游放水模擬蓄水期，蓄水位為418 m。

2.3 試驗(yàn)過程

（1）將模型放入離心機(jī)吊籃中→傳感器接線，進(jìn)行試驗(yàn)全程測試→將離心機(jī)加速度提高到設(shè)計(jì)加速度，模擬壩體施工到壩頂設(shè)計(jì)高程423.5 m→不停機(jī)向上游加水至418 m高程，模擬蓄水期→保持蓄水水位，離心機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，模擬運(yùn)行期。

（2）停機(jī)→將模型箱吊出→放空蓄水→觀察模型有無異常情況→拆卸模型→數(shù)據(jù)處理。

3 大壩施工期及運(yùn)行期變形特性研究

對(duì)壩頂沉降變形采用激光位移傳感器進(jìn)行直接測量，對(duì)壩體內(nèi)部變形采用圖像處理PIV技術(shù)處理試驗(yàn)過程中采集的照片信息，對(duì)比標(biāo)定點(diǎn)的位置相對(duì)變動(dòng)，換算出壩體內(nèi)部變形。

壩體內(nèi)部孔壓分布采用微孔壓計(jì)直接測得。試驗(yàn)測得的壩頂沉降過程線如圖2所示。

由圖2可知，離心加速度由0增大到160g，模擬壩體施工過程，施工歷時(shí)約300 d，此時(shí)壩頂最大沉降為152.3 cm。之后保持離心加速度不變，打開電磁控制閥，向模型上游側(cè)注水，模擬壩體蓄水過程，模型蓄水歷時(shí)100 d左右。蓄水期壩體沉降繼續(xù)增加，但增加量不明顯。蓄水結(jié)束后，壩頂最大沉降為156.7 cm，比竣工期增加了4.4 cm。蓄水至設(shè)計(jì)水位后，關(guān)閉注水閥門，模擬水庫滿蓄狀態(tài)下壩體的運(yùn)行期變形過程，模擬歷時(shí)約2 600 d。保持滿蓄狀態(tài)，壩體運(yùn)行期變形繼續(xù)增大，運(yùn)行期最大沉降達(dá)163.2 cm，較竣工期增加了10.9 cm。沉降在蓄水結(jié)束2 100 d后，基本保持不變直至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)測得的孔壓過程線如圖3所示。

由圖3可知，在離心加速度由0增大到160g模擬壩體施工過程中，黏土心墻內(nèi)部孔壓傳感器有較小的量值，表明在施工過程中，心墻滲透系數(shù)較小，壩體受自重影響發(fā)生變形，導(dǎo)致壩體內(nèi)部出現(xiàn)一定的超孔壓。蓄水開始后，隨著水位不斷升高，埋設(shè)在心墻迎水面附近的孔壓傳感器量值迅速增大，蓄水結(jié)束時(shí)孔壓達(dá)到最大值，并在之后的運(yùn)行期基本保持不變。而埋設(shè)在下游面對(duì)應(yīng)314 m高程的孔壓傳感器的反應(yīng)明顯滯后于其他傳感器，原因是蓄水過程中心墻內(nèi)部尚未形成穩(wěn)定滲流場，滲流水體通過壩體到達(dá)心墻下游面位置，受滲透路徑影響，表現(xiàn)出明顯的滯后特性。

采用圖像處理PIV技術(shù)分析心墻變形過程中，因受到干擾，部分圖片中標(biāo)記點(diǎn)位置不清晰，故作為無效點(diǎn)處理，目前識(shí)別的有效點(diǎn)為25個(gè)，蓄水后由于受水的浸泡，多數(shù)標(biāo)記點(diǎn)失效，因此目前只針對(duì)竣工期進(jìn)行整理。竣工期離心模型試驗(yàn)測得的心墻變形等值線見圖4。

由圖4可知，竣工期心墻最大沉降為175 cm，發(fā)生在距壩底65 m處壩軸線附近，較壩頂沉降大22.7 cm。

需要進(jìn)一步說明的是，由于壩體水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移，因此在離心模型試驗(yàn)中測得的水平位移量值非常小，已經(jīng)超出了PIV技術(shù)的識(shí)別精度，由此繪制的圖形規(guī)律性不好。從圖形上看，水平位移基本呈左右對(duì)稱分布。

4 離心模型試驗(yàn)的數(shù)值反饋

受離心模型試驗(yàn)技術(shù)的限制，試驗(yàn)過程中測得的數(shù)據(jù)非常有限，且受傳感器性能限制以及其他干擾因素影響，導(dǎo)致采集的許多數(shù)據(jù)無效。采用數(shù)值模擬手段對(duì)離心模型試驗(yàn)的完整過程進(jìn)行數(shù)值模擬，作為試驗(yàn)的補(bǔ)充。數(shù)值模擬計(jì)算模型尺寸與離心模型試驗(yàn)保持一致，計(jì)算參數(shù)采用土工試驗(yàn)中獲取的參數(shù)，模擬加載過程與離心試驗(yàn)保持一致。

4.1 建立三維有限元模型

結(jié)合離心模型箱尺寸，建立與離心模型試驗(yàn)同尺寸的三維有限元模型，如圖5所示，模型共12 960個(gè)節(jié)點(diǎn)、10 920個(gè)單元。模型底部施加三向約束，模型四周施加法向約束。

4.2 計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算得到的壩頂沉降與離心模型試驗(yàn)測得的沉降進(jìn)行比較，見圖6。

將計(jì)算得到的竣工期心墻沉降和水平位移與試驗(yàn)測得的壩頂沉降與水平位移進(jìn)行比較，見圖7。

由計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，心墻沉降值與計(jì)算結(jié)果比較吻合，試驗(yàn)沉降值與計(jì)算值比較接近，分布規(guī)律基本一致，最大沉降發(fā)生的位置也較為吻合。水平位移的試驗(yàn)值與計(jì)算值有出入，但量值整體差別不大。

5 結(jié) 論

采用離心模型試驗(yàn)手段，對(duì)前坪水庫工程黏土心墻砂礫石壩壩體的協(xié)調(diào)變形特性和滲流穩(wěn)定特性開展模型試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）物理模型試驗(yàn)直觀體現(xiàn)了黏土心墻在施工期、蓄水期和運(yùn)行期變形發(fā)生發(fā)展的過程，揭示了黏土心墻中超孔壓的累計(jì)消散對(duì)壩體變形特性的影響。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，壩體沉降主要發(fā)生在施工期，蓄水引起的壩體沉降量不大。離心模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)條件下，壩體運(yùn)行期沉降增量較竣工期增長10.9 cm，該變形可能導(dǎo)致壩頂公路、防浪墻等附屬結(jié)構(gòu)發(fā)生差異變形而出現(xiàn)局部開裂，應(yīng)引起管理方重視。

（3）在試驗(yàn)條件下，壩體運(yùn)行期沉降發(fā)展緩慢，沉降達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要約7 a時(shí)間。

（4）試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)揭示，在長期水荷載作用下，心墻不會(huì)出現(xiàn)裂縫，在模擬歷時(shí)3 000 d過程中，壩體上游水位未發(fā)生變化，下游區(qū)域未見明顯滲水，表明黏土心墻有很好的防滲性能，心墻未發(fā)生滲流破壞。

（5）采用數(shù)值模擬的手段反饋離心模型試驗(yàn)過程，對(duì)比計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，兩者吻合度較高，也印證了本研究所采用的計(jì)算模型、計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)的合理性。

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【責(zé)任編輯 張華巖】