某工程堆石坝施工期砾石土心墙孔隙水压力与土压力分析

阮彦晟， 贾婕培， 陈晓鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

砾石土较纯黏土具有压缩性小，有利于避免水力劈裂裂缝，有利于控制裂缝发展且具有自愈作用、可减少含水量处理的困难和利于重型机械施工等特性。因此，国外土石坝，尤其是高土石坝，多采用砾石土作为防渗料。近年来，采用砾石土作防渗料的优越性已逐步为国内设计者所认可[1-3]。

土石坝防渗料在上坝碾压时，其饱和度一般达到90%以上，心墙填筑过程中，孔隙水压力的消散能力不足，高心墙坝在施工期容易产生高孔隙水压力。高孔隙水压力的存在，导致心墙有效应力降低，从而影响坝体的稳定和强度[4-5]。因此，对高堆石坝施工期孔隙水压力的研究一直备受关注。本文以某工程施工期监测资料为基础，分析砾石土心墙孔隙水压力形成机制与特征，结合土压力得出有效应力，以便更深入理解砾石土心墙的孔隙水压力形成机制及特征，为同类工程提供参考。

1 工程概况

某水电站工程主要任务是发电，总库容为10.75亿m3，总装机容量2 600 MW。

枢纽挡水建筑物拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m，坝顶长度496.39 m，坝顶宽度16.00 m。

坝轴线附近河谷相对开阔，呈较宽的“V”型，两岸自然边坡陡峻，临江坡高700 m左右。坝址区基本地震烈度为Ⅷ度。

工程于2016年10月下闸蓄水，2018年4月机组全部建成发电，主体工程完工。

2 心墙孔隙水压力和土压力监测布置

大坝心墙沿坝轴线从左至右(纵)0+137.00 m、(纵)0+193.00 m、(纵)0+253.00 m、(纵)0+330.00 m、(纵)0+394.00 m五个主要剖面在其相应高程1 470.0 m、1 513.0 m、1 586.0 m、1 645.0 m，分别布设有土压力计和渗压计。沿坝轴线纵剖面布置(见图1)。

图1 坝轴线纵剖面监测布置

3 心墙孔隙水压力分析

3.1 时间过程

心墙区孔隙水头随上游水位变化过程见图2、3。

图2 1 460.0 m高程最大坝高横断面孔隙

图3 1 513.0 m高程最大坝高横断面孔隙

由图2、3可知：

(1)与坝体填筑过程相关性较大，受上游水位影响较小，初步判定水头主要由填筑荷载引起的超静孔隙水压力。不同高程响应时间不同，低高程随坝体填筑响应及时，高高程响应稍有滞后。

(2)库水位以下，心墙上下游靠近反滤处基本不受填筑高程影响，折算水头与库水位走势相似，初步判定该测值主要由上游水位变化引起。

(3)库水位以上，心墙上下游靠近反滤处折算水头不受填筑高程影响。

3.2 空间分布

心墙区坝轴线折算水头空间分布见图4、5。

图4 心墙沿坝轴线实测孔隙水头等值线分布

图5 最大坝高横断面坝体心墙区实测孔隙水头分布

由图4、5可知：

(1)1 460.0 m高程、1 513.0 m高程、1 550.0 m高程折算水头远高于埋设高程，初步判定上述折算水头主要由填筑荷载引起超静孔隙水压力；1 585.0 m高程、1 615.0 m高程、1 645.0 m高程因埋设高程较高和埋设较晚，超静孔隙水压力很小。

(2)与心墙填筑相关性较大，随坝体填土压力的增大而逐渐增大，其变化趋势与填土压力变化趋势基本相同。

(3)分布基本呈中间大、两头小，即靠近轴线高，上下游堆较小。初步分析认为：越靠近轴线，上部荷载越大，受其材料本身的防渗影响，孔隙水消散较慢，而靠近上下游反滤层部位，孔隙水相对容易消散。

4 心墙土压力分析

4.1 时间过程

心墙区土压力随上游水位变化过程见图6、7。

图6 最大坝高横断面1 458～1 472 m高程实测压力过程线

图7 最大坝高横断面1 513 m高程土压力计实测压力过程线

从图6、7中可看出：

(1)土压力与坝体填筑高度具有较高的相关性，应力随填筑高程增加而增大。

(2)实测值小于理论计算值。

4.2 空间分布

心墙区土压力空间分布见图8、9。

图8 沿心墙中心线纵断面土压力计测值分布等值线(单位：MPa)

图9 最大坝高横断面土压力测值分布等值线(单位：MPa)

从图8、9可看出：

(1)心墙区轴线上基础部位由于上覆土体高、观测时间长，测值大于上部高程，测值分布基本正常。其中最大坝高处即(纵)0+253.72 m剖面的土压力最大，测值为3.18 MPa。

(2)最大土压力分别位于上下游反滤层中，土压力在基础廊道及高塑性黏性土附近重新分配，形成应力集中。

(3)各部位在心墙底部上下游侧与反滤料交界部位应力较为集中，同一高程应力分布总体特征为心墙两侧应力大、心墙中部应力小；应力等值线在监测断面心墙中部呈凹陷状分布，表明心墙在横断面方向存在拱效应。

(4)从沿心墙中心线纵断面土压力等值线分布看，同一高程河床中部应力大、两岸岸坡应力小，高程越低中部与两侧应力差异越大，表明横向河谷方向拱效应不明显。

5 结 论

通过对该工程施工期大坝心墙区孔隙水压力与土压力的分析，可得到以下认识：

(1)高砾石土心墙堆石坝心墙，在施工过程中存在孔隙水压力现象，总体分布为河床中部高于两岸岸坡，心墙中部高于上下游两侧；土压力分布与之相反；测值分布符合一般规律。

(2)由于心墙仍处于填筑过程中，孔隙水压力随坝体填筑高程增加而增加，加上心墙渗透系数较小(小于1×10-5cm/s)，局部孔隙水压力消散缓慢，相应有效应力增加缓慢。

(3)心墙孔隙水压力主要受坝体填筑过程控制，与库水位相关性不大。

(4)心墙土压力在基础廊道及高塑性黏性土附近重新分配，形成应力集中，心墙在横断面方向存在一定拱效应。

(5)掌握了蓄水前大坝心墙应力的工作状态，为蓄水后大坝安全运行分析评价和是否会产生水力劈裂提供数据支撑。