雷紅軍，劉興寧，馮業(yè)林

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051；2.云南省水利水電土石壩工程技術(shù)研究中心，云南昆明，650051；3.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高土石壩分中心，云南昆明，650051）

糯扎渡大壩壩料現(xiàn)場壓實(shí)特性及心墻安全性研究

雷紅軍1，2，3，劉興寧1，2，3，馮業(yè)林1，2，3

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051；2.云南省水利水電土石壩工程技術(shù)研究中心，云南昆明，650051；3.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高土石壩分中心，云南昆明，650051）

心墻拱效應(yīng)是心墻堆石壩設(shè)計(jì)中需關(guān)注的重點(diǎn)問題之一，拱效應(yīng)對(duì)心墻的應(yīng)力變形及抗水力劈裂特性影響較大。在對(duì)糯扎渡高心墻堆石壩的壩料現(xiàn)場檢測成果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場填筑壩料的工程特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)成果擬定了心墻料與堆石料模量差別較大的計(jì)算參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行了大壩應(yīng)力變形有限元計(jì)算，對(duì)心墻的變形、應(yīng)力、抗水力劈裂安全性進(jìn)行了深入分析，根據(jù)研究成果提出了對(duì)大壩設(shè)計(jì)及施工方面的建議。

糯扎渡心墻堆石壩；拱效應(yīng)；壓實(shí)特性；水力劈裂

0 引言

心墻堆石壩的拱效應(yīng)是因壩殼堆石料和心墻土料間的模量差較大，形成壩殼對(duì)心墻的支撐作用[1，2]，當(dāng)這種拱效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)，可能造成心墻有效應(yīng)力較小甚至受拉產(chǎn)生開裂或者發(fā)生水力劈裂破壞，進(jìn)而影響大壩安全。因此，如何減小這種拱效應(yīng)，使壩殼堆石和心墻間的應(yīng)力變形更加協(xié)調(diào)，是大壩設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題之一。現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)中，為減小心墻拱效應(yīng)，一般在心墻和堆石間設(shè)置起應(yīng)力緩沖和反濾作用的過渡層或反濾層[3，4]，這種設(shè)計(jì)形式在國內(nèi)外多座高心墻堆石壩設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

大壩現(xiàn)場碾壓施工受到的影響因素較多，可能使得壩料填筑后的實(shí)際物理力學(xué)性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)有較大差異，特別是當(dāng)壩體局部壩殼堆石（包括過渡料、反濾料）碾壓過密而心墻壓實(shí)不夠充分時(shí)，會(huì)使得壩殼堆石與心墻的模量差更大，局部拱效應(yīng)增強(qiáng)，增加了心墻局部產(chǎn)生拉應(yīng)力或水力劈裂的可能[5]。

糯扎渡心墻堆石壩最大壩高261.5 m，由于壩高較高，大壩及心墻的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變，心墻安全至關(guān)重要。在大壩現(xiàn)場碾壓施工質(zhì)量檢測中發(fā)現(xiàn)，反濾料及過渡料局部存在壓實(shí)過密且壓實(shí)特性指標(biāo)變幅較大的情況，可能會(huì)增加心墻局部的拱效應(yīng)，帶來不利影響[6]。因此，為充分保證心墻安全，需針對(duì)壩料的現(xiàn)場壓實(shí)特性對(duì)心墻安全的影響進(jìn)行深入研究。結(jié)合壩料現(xiàn)場檢測及室內(nèi)試驗(yàn)研究成果，對(duì)心墻的應(yīng)力變形及抗水力劈裂安全特性進(jìn)行了定量分析與評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出了大壩設(shè)計(jì)及施工方面的建議。

1 工程概況及壩料設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

糯扎渡水電站位于云南省思茅市境內(nèi)，是瀾滄江下游的水電核心工程。電站水庫總庫容237×108m3，裝機(jī)容量5 850 MW。壩體基本剖面為中央直立心

墻體形，最大壩高261.5 m，壩頂寬度為18 m，上游壩坡坡度為1∶1.9，下游壩坡坡度為1∶1.8。為保護(hù)心墻土料，在心墻上、下游各設(shè)置了Ⅰ、Ⅱ兩層反濾，上游Ⅰ、Ⅱ兩反濾層的寬度均為4 m，下游Ⅰ、Ⅱ兩反濾層的寬度均為6 m。為協(xié)調(diào)心墻與壩殼堆石體變形，在反濾層與堆石料間設(shè)置10 m寬的細(xì)堆石過渡料區(qū)。心墻堆石壩最大橫剖面如圖1所示。

1.2 壩料設(shè)計(jì)

1.2.1 心墻摻礫土料

心墻摻礫土料為農(nóng)場土料場粘土料摻入35%（重量比）的人工碎石，摻礫碎石由白莫箐石料場角礫巖或花崗巖加工而成。心墻摻礫料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下全料壓實(shí)度達(dá)95%以上，參考干密度ρd＞1.90 g/cm3，滲透系數(shù)k＜1×10-5cm/s。

1.2.2 反濾料

從白莫箐石料場開采花崗巖軋制人工碎石料作為反濾料，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：反濾I料相對(duì)密度Dr＞0.80，參考干密度ρd＞1.80 g/cm3；反濾II料相對(duì)密度Dr＞0.85，參考干密度ρd＞1.89 g/cm3。

1.2.3 細(xì)堆石過渡料

細(xì)堆石過渡料從白莫箐石料場爆破開采，起到協(xié)調(diào)心墻與壩殼堆石體變形的作用，從應(yīng)力應(yīng)變過渡條件確定細(xì)堆石過渡料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為孔隙率n= 22%～25%，參考干密度ρd＞2.03 g/cm3。

1.2.4 堆石料

堆石料分為兩類：I區(qū)堆石料為料場及樞紐開挖的弱風(fēng)化及以下角礫巖和花崗巖；II區(qū)堆石料為樞紐區(qū)開挖的弱風(fēng)化及以下沉積巖及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。綜合考慮強(qiáng)度、與心墻變形協(xié)調(diào)能力及抗震要求等因素，要求I區(qū)堆石料的設(shè)計(jì)孔隙率n＜22.5%，參考干密度ρd＞2.07 g/cm3。II區(qū)堆石料設(shè)計(jì)孔隙率n＜21%，參考干密度分別按ρd＞2.21 g/cm3和ρd＞2.14 g/cm3控制。

2 壩料現(xiàn)場施工質(zhì)量檢測及室內(nèi)試驗(yàn)研究

2.1 壩料現(xiàn)場檢測結(jié)果

為保證各分區(qū)壩料現(xiàn)場碾壓質(zhì)量，對(duì)壩料壓實(shí)工作面，按照DL/T5355-2006《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》要求，定期進(jìn)行壓實(shí)度、含水率、級(jí)配、滲透系數(shù)等檢測，以復(fù)核各分區(qū)壩料壓實(shí)度是否滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，心墻摻礫土料現(xiàn)場壓實(shí)密度檢測采用環(huán)式試坑注水法；反濾料現(xiàn)場密度檢測采用挖坑灌水法，相對(duì)密度試驗(yàn)分別采用表面振動(dòng)法及傾注松填法測定最大和最小干密度；過渡料及堆石料現(xiàn)場密度檢測均采用挖坑灌水法。

各分區(qū)壩料的壓實(shí)特性指標(biāo)現(xiàn)場檢測結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：各分區(qū)壩料的壓實(shí)指標(biāo)均存在較大變幅，例如，心墻摻礫料干密度在1.75～2.16 g/cm3之間，平均為1.87 g/cm3；反濾I料的相對(duì)密度在0.82～1.08之間，平均為0.92；反濾II料相對(duì)密度在0.87～1.15之間，平均為1.02；細(xì)堆石過渡料孔隙率在17.0%～24.8%之間，平均為22.0%。

圖1 糯扎渡心墻堆石壩最大橫剖面Fig.1 Maximum lateral section of Nuozadu core-wall rock-fill dam

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果可以推斷，存在下述情況的可能性較大：某些局部范圍內(nèi)心墻摻礫料壓實(shí)不充

分而堆石料（包括反濾料、過渡料）壓實(shí)過密。這種情況將進(jìn)一步提高心墻料和堆石料間的模量差，增強(qiáng)心墻的拱效應(yīng)。

2.2 現(xiàn)場取料的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

為深入研究現(xiàn)場已填筑壩料的物理力學(xué)性質(zhì)，獲得相關(guān)計(jì)算參數(shù)，在壩面上分4個(gè)填筑層，每層分別對(duì)反濾Ⅰ料、反濾料Ⅱ、細(xì)堆石過渡料各取1組試樣，共計(jì)12組。對(duì)每一組試樣開展了顆粒分析、相對(duì)密度或比重、滲透性、壓縮試驗(yàn)及室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)。

根據(jù)各壩料的物理性質(zhì)試驗(yàn)成果，確定滲透、壓縮及三軸剪切試驗(yàn)的制樣標(biāo)準(zhǔn)：反濾Ⅰ料按相對(duì)密度Dr=0.8、0.9兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制樣，反濾Ⅱ料按相對(duì)密度Dr=0.85、0.95兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制樣，細(xì)堆石過渡料按孔隙率n=18%、21%、24%三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制樣。

所得三軸剪切試驗(yàn)成果如表2所示?？梢钥闯觯鲏瘟现茦訕?biāo)準(zhǔn)不同時(shí)，其鄧肯EB模型參數(shù)差別顯著。例如，反濾Ⅰ料相對(duì)密度由0.8提高至0.9時(shí)，模型參數(shù)中的k值平均值由926增加至1 185，增幅為27.9%，而kb值平均值由462增加至949，增幅105%；反濾Ⅱ料相對(duì)密度由0.85提高至0.95時(shí)，k、kb值平均值增幅分別為30.5%和51.4%；對(duì)于細(xì)堆石過渡料，孔隙率由24%降低至18%時(shí)，k、kb值平均值增幅分別為80.7%和258%。因此可以推斷，壩料現(xiàn)場壓實(shí)指標(biāo)的波動(dòng)將對(duì)其變形特性帶來顯著影響，當(dāng)局部范圍內(nèi)心墻摻礫料壓實(shí)不充分而堆石料（包括反濾料、過渡料）壓實(shí)過密時(shí)，心墻安全將承受不利影響，因此需對(duì)心墻的應(yīng)力變形及抗水力劈裂特性進(jìn)行深入研究。

3 心墻安全性分析

3.1 計(jì)算參數(shù)的擬定

采用應(yīng)力變形有限元計(jì)算進(jìn)行心墻安全性分析，其中壩料的本構(gòu)模型采用常用的鄧肯EB模型[7]。根據(jù)上述分析及試驗(yàn)結(jié)果，選取了心墻料與

堆石料（包括反濾料、過渡料）模型參數(shù)相差較大的參數(shù)組合，以有效反映堆石料及心墻料壓實(shí)特性不同對(duì)心墻拱效應(yīng)及抗水力劈裂能力的不利影響。擬定的兩組參數(shù)組合如表3所示，其中摻礫土料及堆石料的計(jì)算參數(shù)分別根據(jù)前期室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)行增加及減小調(diào)整得到，反濾料和過渡料的計(jì)算參數(shù)則在表2所示試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上增大調(diào)整得到。

表1 各分區(qū)壩料壓實(shí)指標(biāo)現(xiàn)場檢測結(jié)果Table 1 Field test results of dam materials

表2 壩料的室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)成果Table 2 Traxial shear test results of dam materials

可以看出，心墻料參數(shù)的模量值大小較為常規(guī)，而對(duì)于堆石料、反濾料、過渡料，其模型參數(shù)均有明顯提高，過渡料、堆石料的模型參數(shù)中K值均已超過2 000，且為充分反映心墻的拱效應(yīng)，將過渡料的模型參數(shù)調(diào)整至高于堆石料。計(jì)算反濾I料、反濾II料、過渡料、I區(qū)堆石料、II區(qū)堆石料相對(duì)心墻摻礫料K值的倍數(shù)分別為3.33、5.77、6.57、5.94、5.48，表明所擬定的計(jì)算參數(shù)足以有效反映壩料的現(xiàn)場壓實(shí)特性對(duì)心墻帶來的不利影響。

3.2 計(jì)算概況

圖2為根據(jù)壩料分區(qū)和壩體填筑程序劃分的三維有限元計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格共包含13 644個(gè)結(jié)點(diǎn)和13 069個(gè)單元，計(jì)算中模擬了壩體填筑過程和水庫蓄水過程。

圖2 三維有限元計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Mesh of the dam for 3D FEM calculations

另外，為有效分析心墻的抗水力劈裂特性，采用“滲透弱面水壓楔劈效應(yīng)”導(dǎo)致水力劈裂的作用模型[8]。該模型認(rèn)為土石壩心墻中可能存在局部水平向滲透弱面，在水庫蓄水過程中，由于這些滲透弱面的滲透系數(shù)相對(duì)較大，庫水壓力首先滲入滲透弱面進(jìn)而導(dǎo)致該部位心墻有效應(yīng)力降低，進(jìn)而產(chǎn)生水壓楔劈效應(yīng)甚至水力劈裂破壞，其原理及模擬方法如圖3所示。計(jì)算中，為模擬水壓楔劈效應(yīng)，分別在壩體中上部的727m、742m、756 m、770 m和784 m五個(gè)不同高程進(jìn)行網(wǎng)格加密，并在心墻上游迎水面設(shè)置厚度為100 cm，長約5 m的滲透弱面單元。

圖3 水壓楔劈效應(yīng)及滲透弱面單元模擬Fig.3 Water hydraulic fracture and weak permeability element

3.3 計(jì)算成果與分析

3.3.1 大壩變形分布

圖4、圖5分別為計(jì)算所得壩體最大橫斷面的水平向位移及豎直沉降分布，可以看出，壩體水平位移基本都是指向下游，由于心墻參數(shù)相對(duì)較低，在心墻中上部及下游堆石中上部形成兩個(gè)高值區(qū)域。豎直沉降分布符合一般規(guī)律，由于心墻土料較軟，沉降最大值發(fā)生在心墻內(nèi)，計(jì)算所得壩體最大沉降為1.17 m，約占?jí)胃叩?.47%，由于堆石體變形模量值較高，計(jì)算所得壩體沉降明顯小于國內(nèi)外其他類似高土石壩沉降。

表3 擬定的各分區(qū)壩料的鄧肯EB模型計(jì)算參數(shù)Table 3 Parameters for EB model of dam materials

圖4 壩體最大橫斷面水平向位移分布（單位：m）Fig.4 Distribution of horizontal displacement

圖5 壩體最大橫斷面豎直沉降分布（單位：m）Fig.5 Distribution of settlement

3.3.2 心墻單元的剪應(yīng)力水平及主應(yīng)力

圖6為壩體最大橫斷面剪應(yīng)力水平分布，可以看出，心墻上游與堆石料接觸部位的剪應(yīng)力水平數(shù)值較高，少數(shù)單元可達(dá)1.0，這一方面是由于心墻和堆石體模量差別較大，造成該區(qū)域發(fā)生較大的不均勻沉降從而導(dǎo)致較大的錯(cuò)切變形，另一方面是在蓄水壓力的作用下，心墻向下游移動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域小主應(yīng)力大幅下降而造成剪應(yīng)力水平值增大。在該部位出現(xiàn)高剪應(yīng)力水平區(qū)是心墻堆石壩必然會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，是心墻堆石壩應(yīng)力變形特性的固有特點(diǎn)。

圖7為計(jì)算所得心墻上游面第一排單元主應(yīng)力沿高程分布，可以看出，心墻上游面第一排單元的三個(gè)主應(yīng)力均大于0，尤其是大主應(yīng)力和中主應(yīng)力距產(chǎn)生拉應(yīng)力尚存在較大的安全裕度，心墻單元難以發(fā)生豎向拉裂破壞。

圖6 壩體最大橫斷面剪應(yīng)力水平分布Fig.6 Distribution of shear stress level

圖7 心墻上游面第一排單元主應(yīng)力沿高程分布Fig.7 Distribution of principle stress with elevation of core wall elements

3.3.3 基于“水壓楔劈效應(yīng)”計(jì)算方法的心墻抗水力劈裂特性

圖8為計(jì)算所得心墻上游面單元的垂直向應(yīng)力發(fā)展過程，圖中表示了心墻上游面三個(gè)典型高程采用常規(guī)單元及采用滲透弱面單元的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

（1）心墻上游面計(jì)算單元采用滲透弱面單元時(shí)，當(dāng)蓄水位超過該單元所在高程時(shí)，心墻上游面滲透弱面單元垂直應(yīng)力的數(shù)值比常規(guī)單元存在一定程度的降低，降幅一般約為20%～40%，表明滲透弱面單元存在明顯的水壓楔劈效應(yīng)。

（2）這些單元的垂直向壓應(yīng)力值均在100 kPa以上，表明即使采用表3中模量差別很大的計(jì)算參數(shù)，心墻依然具有較大的抗水力劈裂能力，難以發(fā)生水力劈裂破壞。

（3）表3所示計(jì)算參數(shù)中，堆石料與心墻料的模型參數(shù)已設(shè)置得足夠大，相當(dāng)于已經(jīng)考慮了心墻的極端不利條件。若根據(jù)壩料現(xiàn)場檢測的平均結(jié)果計(jì)算，則需降低反濾料、過渡料和堆石料的模型參數(shù)，此時(shí)計(jì)算所得心墻的拱效應(yīng)必然減弱，心墻的抗水力劈裂能力增強(qiáng)。

圖8 心墻上游面滲透弱面單元垂直向應(yīng)力發(fā)展過程Fig.8 Development processes of vertical stress of weak perme?ability elements

上述分析表明，心墻拱效應(yīng)可構(gòu)成心墻發(fā)生水力劈裂的重要因素。在土石壩的設(shè)計(jì)和施工過程中，采取適當(dāng)措施控制心墻土料和堆石體的模量比（變形差）是必要的。此外，設(shè)計(jì)合適的反濾料和細(xì)堆石過渡料，控制其變形參數(shù)，也可起到降低心墻拱效應(yīng)的作用。而已有高心墻堆石壩工程經(jīng)驗(yàn)表明，壩體后期變形對(duì)壩體和心墻安全的影響也較為顯著，若后期變形過大，易造成壩體開裂。而減小壩體后期變形的重要措施之一就是提高壩料的壓密程度。

因此，綜合來看，控制心墻拱效應(yīng)更加合理的方法是提高心墻料的變形模量，其值不應(yīng)過低。根

據(jù)大量研究，建議一般情況下應(yīng)控制心墻料變形模量K值大于350為宜。而不建議采用降低堆石料壓實(shí)度的方法來減少壩殼堆石料對(duì)心墻的拱效應(yīng)，因?yàn)榻档投咽蠅簩?shí)度會(huì)增加壩體后期變形，進(jìn)而增大壩體發(fā)生張拉裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

糯扎渡心墻堆石壩于2008年11月開始心墻填筑，2012年12月壩體填筑到頂，2013年10月蓄水至正常蓄水位812 m高程。目前大壩安全監(jiān)測結(jié)果表明：大壩與心墻總體變形分布特征符合預(yù)期，變形量與同類工程總體相當(dāng)；心墻與反濾I料之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形較小，不存在拉應(yīng)力狀態(tài)；蓄水后大壩目前總滲流量約10 L/s，該值相對(duì)較小，且未發(fā)現(xiàn)心墻集中滲漏等異常情況。表明糯扎渡心墻堆石壩碾壓質(zhì)量較好，大壩安全在控制范圍之內(nèi)。

結(jié)合壩料現(xiàn)場檢測及室內(nèi)試驗(yàn)研究成果，對(duì)心墻的應(yīng)力變形及抗水力劈裂安全特性進(jìn)行了定量分析與評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出了大壩設(shè)計(jì)及施工方面的建議，為糯扎渡高心墻堆石壩的安全控制提供

Arching effect of core wall is an important issue in design of core wall rockfill dam,which causes significant influence on deformation and hydraulic fracture characteristics of the core wall.Based on field test results of Nuozadu dam materials,laboratory test study was carried out on the field materi?als.Then,model parameters of the dam materials were determined according to test results.Followed, deformation,stress,hydraulic fracture characteristics of the dam and core wall were investigated by FEM calculations,and some suggestions were proposed for design and construction of the dam.

Nuozadu core wall rockfill dam;arching effect;compaction characteristic;hydraulic fracture

TV698.1

B

1671-1092（2014）05-0026-06

Title:Research on field compaction characteristic of Nuozadu dam materials and safety of core wall//by LEI Hong-jun,LIU Xing-ning and FENG Ye-lin//PowerChina Kunming Engineering Corporation