歷從實 錢亞俊 葛爽

摘 要：根據前坪水庫工程砂礫石黏土心墻壩的設計分區(qū)、陡峻岸坡等不利地形條件以及覆蓋層的土層分布，采用離心模型試驗對主壩不同特征時段的變形特性及黏土心墻內土壓力分布特性和孔壓分布特性等進行了研究，并對大壩的填筑及蓄水過程進行模擬計算，研究竣工期、滿蓄期大壩的應力、變形特性。結果表明：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，運行管理期存在一定的長期變形。離心模型試驗結果顯示，在試驗條件下，壩體運行管理期沉降增量較竣工期增長10.9 cm，該變形可能會導致壩頂公路、防浪墻等附屬結構發(fā)生差異變形而出現局部開裂，應引起管理方重視。同時揭示，在長期水荷載作用下，心墻未出現裂縫，在模擬歷時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。

關鍵詞：黏土心墻;砂礫石壩;協調變形;前坪水庫

中圖分類號：TV62;TV882.1 ? 文獻標志碼：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

土工離心模型試驗方法、設備日益完善和成熟[1-2]，能滿足模型與原型應力水平相同的要求，被國內外專家公認為是目前研究巖土工程問題最為有效、最為先進的研究方法和試驗技術，得到廣泛應用。金大龍等[3]通過離心模型試驗對高水壓條件下的海底隧道盾構開挖面穩(wěn)定性進行了研究，孫靜等[4]通過離心模型試驗方法對土石混合填料的高填方路基沉降變形進行了分析，張崇磊等[5]通過離心模型試驗對高鐵強夯地基沉降進行了研究，谷定宇等[6]通過離心模型試驗對深大基坑支護方案進行了研究。在水利工程方面，趙天龍等[7]通過離心模型試驗對堰塞壩漫頂潰壩機理進行了研究，李從安等[8]對面板堆石新型結構進行了離心模型試驗研究，王年香等[9]對高堆石壩心墻滲流特性進行了離心模型試驗研究，湯明高等[10]通過離心模型試驗對三峽庫區(qū)庫岸滑坡變形特征進行了研究，都取得了一定成果。但通過離心模型試驗對不良級配砂礫石黏土心墻壩變形研究的文獻不多。前坪水庫筑壩砂礫石料因建壩前當地群眾長期無序開采，故導致河床表面3～5 m以下范圍內5～20 mm級配料缺失，局部大粒徑料集中，針對這種不利情況，通過離心模型試驗對前坪水庫主壩（黏土心墻砂礫石壩，壩頂長818 m）不同特征時段的變形特性及黏土心墻內土壓力分布特性和孔壓分布特性等進行了研究。

1 試驗內容與設備

1.1 試驗內容

通過試驗分析284 d施工期、蓄水期、近9 a運行期（設計水位標高，下同）壩頂沉降及壩體剖面變形特性，黏土心墻內土壓力及孔壓分布特性。

1.2 試驗設備

（1）400gt離心機。離心模型試驗在南京水利科學研究院400gt土工離心機上進行，該機的最大半徑（吊籃平臺至旋轉中心）為5.5 m，最大加速度為200g，最大負荷為2 000 kg，吊籃平臺尺寸為1 100 mm×1 100 mm。該機裝有100通道的銀質信號環(huán)，其中10路電力環(huán)、70路應變測量信號、20路位移測量信號，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）。轉臂采用先進的雙鉸支蹺蹺板結構，有一定自調平衡能力，另外該機還配有一套動態(tài)調平系統。

（2）測試儀器。壩體沉降采用進口激光位移傳感器（Wenglor-YP05MGVL80型激光位移計）測量，其特點是精度高、抗干擾能力強。孔隙水壓力采用微型孔隙水壓力傳感器測量，此傳感器的特點是靈敏度高、信號強、干擾小。

（3）數據采集系統。該系統由前置數據采集裝置、集流環(huán)及微機組成，配備90路測量通道，其中70路用于應變測量、20路用于位移測量，數據采集頻率為1次/s。前置數據采集裝置安裝在離心機轉臂端部靠近掛斗處，直接與測量傳感器連接，微機放在控制室中，便于試驗過程中隨時獲取試驗數據。試驗時，模型中埋設的傳感器輸出的信號由前置數據采集裝置實時采集，采集的信號經集流環(huán)上傳至主機，由主機顯示、存儲測量結果并進行處理。

（4）閉路電視系統。該系統由高分辨率CCD攝像機、監(jiān)視器、錄像機組成。試驗時將高分辨率CCD攝像機安裝在離心機轉臂端部掛斗上，其鏡頭對準模型箱有機玻璃面，該面為模型側斷面，制模時在模型表面做好測量標志。標志網格點的坐標由攝像機攝入后經集流環(huán)上傳至監(jiān)視器中顯示，這樣在試驗過程中可監(jiān)視模型在任一時期的變形情況，必要時可用錄像機錄制整個試驗過程，以便于試驗后處理。

2 試驗方法

2.1 建立試驗模型

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，按平面問題進行試驗。綜合考慮試驗要求及試驗條件等因素，確定本次離心模型試驗的模型比尺為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→根據含水率配制心墻料→根據密度要求填筑心墻（期間在相應的位置埋設孔隙水壓力傳感器）→按填筑密度填筑堆石料→安裝壩頂位移傳感器。

試驗模擬了心墻和堆石兩種筑壩材料。離心機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配。堆石料的限制粒徑取60 mm，先按相似級配法進行縮尺，再按等量替代法確定模型堆石料的顆粒級配。

試驗模型壩體的填筑方法：根據顆粒級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，根據填筑密度和體積稱取每層所需心墻料的質量，重型擊實到層厚5 cm，用刮刀刮去多余部分，然后按相同的方法填筑堆石料（壓實后每層層厚均為5 cm）。

試驗模型布置了位移傳感器和孔隙水壓力傳感器。在壩頂中心處安裝位移傳感器，測定施工期、蓄水期和運行期壩體的沉降。試驗模型中初始無水，通過在離心機上安裝水箱和電磁閥模擬蓄水過程。在離心機加速度達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 試驗過程

（1）將模型放入離心機吊籃中→傳感器接線，進行試驗全程測試→將離心機加速度提高到設計加速度，模擬壩體施工到壩頂設計高程423.5 m→不停機向上游加水至418 m高程，模擬蓄水期→保持蓄水水位，離心機繼續(xù)運行，模擬運行期。

（2）停機→將模型箱吊出→放空蓄水→觀察模型有無異常情況→拆卸模型→數據處理。

3 大壩施工期及運行期變形特性研究

對壩頂沉降變形采用激光位移傳感器進行直接測量，對壩體內部變形采用圖像處理PIV技術處理試驗過程中采集的照片信息，對比標定點的位置相對變動，換算出壩體內部變形。

壩體內部孔壓分布采用微孔壓計直接測得。試驗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，施工歷時約300 d，此時壩頂最大沉降為152.3 cm。之后保持離心加速度不變，打開電磁控制閥，向模型上游側注水，模擬壩體蓄水過程，模型蓄水歷時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。蓄水至設計水位后，關閉注水閥門，模擬水庫滿蓄狀態(tài)下壩體的運行期變形過程，模擬歷時約2 600 d。保持滿蓄狀態(tài)，壩體運行期變形繼續(xù)增大，運行期最大沉降達163.2 cm，較竣工期增加了10.9 cm。沉降在蓄水結束2 100 d后，基本保持不變直至試驗結束。試驗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，心墻滲透系數較小，壩體受自重影響發(fā)生變形，導致壩體內部出現一定的超孔壓。蓄水開始后，隨著水位不斷升高，埋設在心墻迎水面附近的孔壓傳感器量值迅速增大，蓄水結束時孔壓達到最大值，并在之后的運行期基本保持不變。而埋設在下游面對應314 m高程的孔壓傳感器的反應明顯滯后于其他傳感器，原因是蓄水過程中心墻內部尚未形成穩(wěn)定滲流場，滲流水體通過壩體到達心墻下游面位置，受滲透路徑影響，表現出明顯的滯后特性。

采用圖像處理PIV技術分析心墻變形過程中，因受到干擾，部分圖片中標記點位置不清晰，故作為無效點處理，目前識別的有效點為25個，蓄水后由于受水的浸泡，多數標記點失效，因此目前只針對竣工期進行整理?？⒐て陔x心模型試驗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。

需要進一步說明的是，由于壩體水平位移遠小于豎向位移，因此在離心模型試驗中測得的水平位移量值非常小，已經超出了PIV技術的識別精度，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稱分布。

4 離心模型試驗的數值反饋

受離心模型試驗技術的限制，試驗過程中測得的數據非常有限，且受傳感器性能限制以及其他干擾因素影響，導致采集的許多數據無效。采用數值模擬手段對離心模型試驗的完整過程進行數值模擬，作為試驗的補充。數值模擬計算模型尺寸與離心模型試驗保持一致，計算參數采用土工試驗中獲取的參數，模擬加載過程與離心試驗保持一致。

4.1 建立三維有限元模型

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

4.2 計算結果

將計算得到的壩頂沉降與離心模型試驗測得的沉降進行比較，見圖6。

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

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

5 結 論

采用離心模型試驗手段，對前坪水庫工程黏土心墻砂礫石壩壩體的協調變形特性和滲流穩(wěn)定特性開展模型試驗研究，得出如下結論：

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

（2）試驗結果表明，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。離心模型試驗結果顯示，在試驗條件下，壩體運行期沉降增量較竣工期增長10.9 cm，該變形可能導致壩頂公路、防浪墻等附屬結構發(fā)生差異變形而出現局部開裂，應引起管理方重視。

（3）在試驗條件下，壩體運行期沉降發(fā)展緩慢，沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)需要約7 a時間。

（4）試驗結果同時揭示，在長期水荷載作用下，心墻不會出現裂縫，在模擬歷時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）采用數值模擬的手段反饋離心模型試驗過程，對比計算結果和試驗結果，兩者吻合度較高，也印證了本研究所采用的計算模型、計算方法和計算參數的合理性。

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【責任編輯 張華巖】