鄧 剛，丁 勇，張延億，張茵琪，黃文超

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038 2.成都原水投資有限公司，四川 成都 641400）

1 研究背景

土石壩具有適應(yīng)性好、就地取材等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)點（Novak等［1］），在全世界15 m以上大壩中占比約78%［2］，在中國全部大壩、大型工程中占比分別達(dá)93%［3］和50%［4］。本文討論的土質(zhì)心墻土石壩（常簡稱心墻壩）是其中最常見壩型之一［1］。已建成的中國最高土石壩（壩高261.5 m的糯扎渡大壩［5-7］）和世界最高土石壩（壩高300 m的塔吉克斯坦Nurek大壩［8］），以及正在規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)的兩河口（295m）、雙江口（312 m）、RM（315 m）等300 m級高土石壩均為心墻壩。

心墻壩安全涉及變形、滲流、穩(wěn)定等問題，穩(wěn)定和單純的滲流問題在心墻壩發(fā)展早期得到了較好控制。由于全斷面采用特性復(fù)雜、變異性強的天然土石料，整體變形大，且壩殼料和心墻料變形差異大、相互作用強，壩體變形與滲流存在耦合作用，因此，變形控制及其相關(guān)滲流控制問題一直是心墻壩發(fā)展中持續(xù)應(yīng)對的難題，受到高度關(guān)注。在不斷適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求和開發(fā)條件變化的過程中，心墻壩不斷解決變形控制及相關(guān)滲流控制問題，持續(xù)改進(jìn)，壩高逐步突破，體型趨于標(biāo)準(zhǔn)，成為最可靠壩型之一。

我國已建成大批心墻壩，后續(xù)工作中仍將繼續(xù)規(guī)劃建設(shè)心墻壩，充分了解認(rèn)識心墻壩發(fā)展歷史及其中技術(shù)問題的認(rèn)識、解決過程，對工程規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)和運行中的質(zhì)量和安全管控，都可提供技術(shù)參考。本文從壩高發(fā)展，壩體體型結(jié)構(gòu)變化，筑壩材料選擇范圍拓展，施工工藝進(jìn)步等角度，對土質(zhì)心墻土石壩沿革及體型和材料發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧分析。

2 心墻壩發(fā)展早期（1940年前）

2.1 心墻壩起源與類別 土質(zhì)心墻土石壩主要包括心墻砂礫石壩和心墻堆石壩兩類。

心墻砂礫石壩源于均質(zhì)土壩，出現(xiàn)較早，也是心墻壩早期發(fā)展階段（1940年前）的唯一類型。早期，均質(zhì)土壩在全斷面上使用低滲透性土料，常遇到滲透破壞和壩坡穩(wěn)定問題。后來一些工程，采用透水性較好的開挖砂礫石等材料覆蓋在在土體兩側(cè)，采用人力、畜力壓實（后期引入少數(shù)機具壓實），作為保護(hù)性的壩殼，以提高壩體滲透穩(wěn)定性和邊坡穩(wěn)定性，形成了心墻式的分區(qū)壩［9］。隨著心墻變薄、壩殼增厚，分區(qū)壩逐步發(fā)展為心墻壩。在此階段的心墻壩即心墻砂礫石壩也常被稱為土壩。

與源于土壩的心墻砂礫石壩不同，自早期發(fā)展階段后出現(xiàn)并較快發(fā)展的心墻堆石壩源于面板堆石壩，并且在出現(xiàn)之初也常被稱為堆石壩［10］。

受心墻壩起源的影響，國際大壩委員會（ICOLD）分類中，土石壩按照填方量中土料、堆石料的占比分為劃分為土壩（Earth Dam，簡稱TE）和堆石壩（Rockfill Dam，簡稱ER）。心墻壩也按照壩殼材料的不同被分別歸入土壩和堆石壩。砂礫石壩殼心墻壩被列入土壩（TE）范疇，包括一些高心墻壩，如Nurek、Tehri、Mica、Oroville等［11］；而以堆石作為壩殼材料的心墻壩，則被列入堆石壩（ER）。極少數(shù)工程，則被同時列入土壩（TE）和堆石壩（ER）中。

我國相關(guān)規(guī)范在一定程度上也體現(xiàn)了該歷史，土心墻土石壩歸入土質(zhì)防滲體分區(qū)壩，壩殼材料不籠統(tǒng)使用“堆石”概念，較明確區(qū)分爆破堆石料和開挖砂礫石料［12-13］。而混凝土面板表面防滲的土石壩一般統(tǒng)稱為混凝土面板堆石壩，不論“堆石”是爆破堆石料或砂礫石料［14-15］。

2.2 心墻壩早期體型和材料 在心墻壩早期發(fā)展階段（約1800—1940年代），壩殼均采用砂礫石料，料源較廣但發(fā)展變化較少。砂礫石壩殼多采用人畜力或蒸汽機驅(qū)動機具壓實，壩坡穩(wěn)定是早期持續(xù)面對較多的關(guān)鍵技術(shù)問題。隨著以瑞典圓弧法［16］為代表的穩(wěn)定分析方法提出，壩坡坡比選擇技術(shù)依據(jù)增強，壩坡穩(wěn)定性問題得到初步解決。

最早的心墻壩主要包括壩殼和心墻兩個基本分區(qū)。心墻裂縫、滲漏甚至滲透破壞等滲透穩(wěn)定問題，是心墻壩早期面對的又一關(guān)鍵難題。工程界普遍接受心墻模量低、壩殼模量高，兩者間可能因變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致裂縫和滲透破壞的認(rèn)識［1，20］。1852年Bilberry壩滲透破壞發(fā)生后，一些新建工程的壩殼中靠近心墻的位置開始單設(shè)一個過渡區(qū)用以協(xié)調(diào)變形［17］。這個分區(qū)后來進(jìn)一步分為過渡區(qū)和反濾區(qū)，反濾區(qū)更多用于心墻滲流保護(hù)。心墻和反濾、過渡層的組合較好適應(yīng)堆石體變形并對心墻起到反濾保護(hù)作用，自此形成了心墻壩標(biāo)準(zhǔn)化體型的雛形。

心墻壩早期建設(shè)熱點主要是歐洲及后來的北美，不同地區(qū)采用的心墻填筑方法有一定區(qū)別，心墻厚度也有較大差異。（1）一類是薄心墻壩，采用攪拌黏土（Puddle Clay）作為心墻。據(jù)報道［17］最早見于18世紀(jì)中后期，1940年代前，在西歐及澳大利亞、印度等地廣泛用于土質(zhì)心墻［17-18］。攪拌黏土是對黏土加入較多的水，進(jìn)行攪拌破壞黏土自身結(jié)構(gòu)后形成的相對均勻材料。如果攪拌黏土心墻黏粒含量過高，則加入砂礫石以減小黏性［19］。早期施工中，直接在倉面攪拌，之后壓實。經(jīng)過后來的料場加水拌和階段，到20世紀(jì)演變?yōu)閿嚢铏C拌和、現(xiàn)場人力畜力夯實。攪拌黏土心墻寬度多較窄，鋪層厚度也一般較薄，早期多為200 mm，后來逐步減小為100 mm~150 mm。（2）另一類是厚心墻壩，采用水力沖填法或壓實法修建心墻，體型通常整體較寬。其中，壓實法修建的厚心墻壩源于心墻式分區(qū)壩，心墻上下游坡比最大高達(dá)2∶1~1∶1，多見于北美。

早期心墻壩絕大多數(shù)采用直立心墻。為節(jié)省壩殼填筑方量、避免心墻填筑施工受降雨影響而對壩體施工進(jìn)度的制約，實踐中發(fā)展出將原直立心墻傾向上游布置的方式，即斜心墻。這種做法在1880—1890年即有實踐，一般見于小型工程，多未在心墻后設(shè)置反濾，也尚未考慮心墻與壩殼變形協(xié)調(diào)的需要。

1920—1940年代，心墻壩發(fā)展略有加快，建成了Fort Peck水力沖填心墻砂礫石壩（76 m，1940年）等較高的心墻壩。同時內(nèi)燃機驅(qū)動的拖拉機、推土機等運輸機具和羊足碾等碾壓機具引入心墻壩建設(shè)中，反濾準(zhǔn)則［21-26］、土分類方法［27］、壓實標(biāo)準(zhǔn)確定方法［28-29］等在內(nèi)的土力學(xué)理論［30］取得較大發(fā)展，筑壩相關(guān)理論和技術(shù)積累，為1940年代開始的心墻壩現(xiàn)代化過渡形成了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 心墻壩現(xiàn)代化過渡期（1940—1964年）

3.1 過渡發(fā)展 1940年代之前，堆石壩專指表面防滲、支撐體為拋填爆破堆石料的面板壩［31］，例如木板護(hù)面面板壩［32］；之后堆石料開始用作心墻壩壩殼材料［33］，“心墻堆石壩”出現(xiàn)并開始快速發(fā)展并向現(xiàn)代化過渡。到1950年前后，心墻堆石壩和心墻砂礫石壩壩高均達(dá)100 m級，美國Watauga直心墻拋填堆石壩（97.5 m，1948年）、加拿大Kenney斜心墻拋填堆石壩［34］（99 m，1952年）、美國Cherry Valley直心墻拋填堆石壩［35］（96 m，1956年）、美國Mud Mountain直心墻拋填堆石壩（131.7m，1948年），以及美國Anderson Ranch厚心墻砂礫石壩（104.9 m，1951年）建成，是當(dāng)時世界上最高的幾座土石壩。

經(jīng)過20多年的相互借鑒、逐步同化，心墻砂礫石壩和心墻堆石壩在壩高上繼續(xù)進(jìn)步并達(dá)150 m級。到1960年和1962年，瑞士Goschenenalp（又名Goschenen，壩高152 m）拋填堆石心墻壩［33］和美國Trinity心墻砂礫石壩分別建成（164 m），成為土石壩中兩座最高壩，由于心墻堆石壩中堆石體積占比較高，類似面板堆石壩，Cooke于1964年提出［10］將心墻堆石壩與面板堆石壩統(tǒng)稱堆石壩。堆石的概念也相應(yīng)擴大，涵蓋了爆破堆石料和開挖砂礫石料。此后土質(zhì)心墻土石壩也開始常被稱為土質(zhì)心墻堆石壩或心墻堆石壩。

本階段心墻壩的另一個重要過渡是從直心墻為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹毙膲?、斜心墻共存，斜心墻壩快速發(fā)展。1942年美國Nathahala壩（80 m）［36］是真正采用碾壓土質(zhì)斜心墻的第一座大型工程，之后是高99m的加拿大Kenney壩［34］。Lewis（1955）系統(tǒng)性的提出了斜心墻土石壩的設(shè)計準(zhǔn)則［37］。在此基礎(chǔ)上，1962年巴西Furnas壩（127 m）、瑞典Holjes壩（81 m）等一批斜心墻壩成功建設(shè)。

心墻壩的技術(shù)進(jìn)步，加之面板壩固有的面板抗裂難題［10］，心墻壩成為高土石壩優(yōu)選壩型，代表性工程為150 m級的美國Trinity厚心墻砂礫石壩和瑞士Goschenenalp、墨西哥EL Infiernillo［38-40］（148 m，1964年）、奧地利Gepatsch［41］（153 m，1964年）等薄心墻堆石壩。美國Swift心墻堆石壩（158m）在覆蓋層中開挖截水槽，自截水槽底開始填筑心墻，與覆蓋層中鋼板截水墻、基巖帷幕灌漿一起形成防滲體系，工程于1958年建成，至此，修建在深厚覆蓋層上的心墻壩高也突破150 m。

在現(xiàn)代化過渡階段，心墻壩在前期探索基礎(chǔ)上建立了壩體斷面分區(qū)和壩料選擇、施工方法等在內(nèi)的筑壩技術(shù)路線，壩坡穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定問題得到保證，壩體體型趨向標(biāo)準(zhǔn)。美國Cougar等工程在壩殼填筑時引入了振動碾壓技術(shù)，為后期高速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。一大批高心墻壩在開始設(shè)計或建設(shè)，心墻壩的高速發(fā)展時期即將到來。

這個階段，我國興建的心墻壩數(shù)量較少，主要是砂礫石壩殼的黏土心墻壩，壩高超過15 m的僅板橋（25 m）、官廳（45 m）、大伙房（48m）等。壩高82.5 m、當(dāng)時名列亞洲第一的毛家村心墻壩［42-43］于 1958年開工（1970年竣工）。

3.2 心墻發(fā)展 1940—1950年代，碾壓土質(zhì)心墻逐步取代了攪拌黏土心墻、水力沖填心墻，成為最多見的心墻種類。土料選擇范圍、施工工藝也有了較大擴展，最為突出的，心墻土料對粒徑的要求已較為寬松。挪威Slottmoberget壩［44］采用剔除粒徑大于300 mm漂石后的寬級配冰磧土填筑心墻，工程過程中還開展了不剔除漂石、直接采用最大粒徑接近600 mm原級配冰磧土，鋪層超過900 mm的碾壓試驗。人工摻配心墻土料開始應(yīng)用于心墻壩，1961年建成的日本Miboro斜心墻堆石壩［45］（126 m）采用平鋪立采法人工摻配最大粒徑150 mm的破碎級配花崗巖料（含量80%）、黏土（含量20%），形成寬級配礫石土用于心墻填筑；瑞士Goschenenalp薄心墻堆石壩則反之，在冰磧土中人工摻配黏土以填筑心墻［10］。

伴隨著1950—1960年代歐洲工程建設(shè)中追求充分利用材料能力的趨勢（同期的Malpasset等拱壩建設(shè)中，也有類似趨勢），一些薄心墻壩出現(xiàn)了較為突出的心墻厚度趨薄傾向。據(jù)Steer和Binnie報道（1951），當(dāng)時正在建設(shè)的英國某心墻壩（35.7 m）心墻坡比已高達(dá)1∶0.017，頂部、底部最小厚度分別僅為0.91 m、2.13 m，平均水力比降超過15。而后來建成的墨西哥EL Infiernillo薄心墻堆石壩［47-48］，心墻上下游坡比高達(dá)1∶0.08，底部厚度不到30 m；奧地利Gepatsch薄心墻堆石壩，心墻上下游側(cè)坡比也達(dá)1∶0.125，底寬僅40.8 m；瑞士Goschenenalp薄心墻堆石壩心墻上下游坡比為1∶0.167。這種趨勢到1960年代中期后因為一些薄心墻壩的滲透破壞才得以緩解，心墻厚度有所增大。

心墻與岸坡接觸帶的安全性開始得到重視，一些心墻底部靠近岸坡位置進(jìn)行了局部擴大，如Holjes、Furnas、Kokin Brod 和 Infiernillo［10］。

3.3 壩殼發(fā)展 本階段雖建成的最高壩是心墻砂礫石壩（164 m的Trinity壩），但壩殼材料發(fā)展更多集中于堆石料。在早期堆石料多采用水沖拋填，對堆石質(zhì)量要求較高，水和堆石體積比一般為3∶1，拋填厚度最大達(dá)50 m~60 m［17，33］。一些堆石質(zhì)量略差（如細(xì)料含量高）的工程采用了過渡性方法，將拋填厚度減小至3 m~3.6 m，并在水沖拋填基礎(chǔ)上采用拖拉機、推土機等進(jìn)行碾壓，如瑞士Goschenen壩、日本Miboro壩［34］。后期的拋填堆石層厚減小至0.6 m，典型例子是1955年建成的菲律賓Ambuklao壩（128 m）、1958年建成的美國Brownlee壩（122 m）［49］。

1960年前后，壩殼填筑方式從水沖拋填過渡到振動碾壓。美國Cougar斜心墻堆石壩（壩高158m，1956—1964年）成為第一座使用振動碾壓實堆石的心墻壩［50］，施工中引入了自1930年代開始用于歐洲道路無黏性土壓實、但一直未廣泛應(yīng)用于壩體堆石壓實的碾壓機，其壩體填筑中最早采用大噸位靜碾壓實，1963年后（壩體填筑高度已超過60%），引入5t和10t光面振動碾，先用于過渡區(qū)堆石料碾壓，后用于全斷面碾壓［51］。同期，美國Navajo斜心墻堆石壩（壩高118 m，1959—1963年）首先開始使用振動碾壓實壩殼砂礫料區(qū)［32，52］。至此，壩殼粗粒料填筑壓實從水沖拋填過渡到碾壓壓實（Cooke［33，53］1984，1993），堆石鋪層厚度下降至2 m以下，并在碾壓過程中灑水，較好控制了壩殼變形。

盡管堆石的非線性強度理論還未完全形成，但與心墻類似，盡量發(fā)揮材料強度、采用較瘦體型的趨勢，在一些工程的壩殼坡比上也有了突出體現(xiàn)，比較典型的，153 m高的Gepatsch薄心墻堆石壩上下游坡比均達(dá)1∶1.5；其他一些高壩，也在壩坡上部采用了1∶1.5的坡比。

4 心墻壩高速發(fā)展期（1965—1980年）

4.1 壩高快速突破 1965年后近15年間，在北美、歐洲、拉美和前蘇聯(lián)等地區(qū)的強烈建設(shè)需求推動下，心墻壩在前期技術(shù)積累基礎(chǔ)上迎來高速發(fā)展，壩高取得大幅跨越，如圖1所示。

圖1 國外不同類別心墻壩代表性工程壩高發(fā)展情況（數(shù)值為壩高）

一大批100 m~200 m級高心墻壩在這個階段成功建成，如1960年代的印度尼西亞Djatiluhur斜心墻堆石壩（110 m，1965年）、埃及Aswan高心墻堆石壩（壩高111 m、覆蓋層深230 m，1969年）、加拿大Portage Mountain厚心墻砂礫石壩（又名W.A.C Bennett壩，壩高183 m，1967年竣工）和1970年代蘇聯(lián)Charvak亞黏土心墻堆石壩（168 m，1972年）、澳大利亞Dartmouth心墻堆石壩（180 m，1979年）、美國New Melone心墻堆石壩（191 m，1979年）等。1968年，美國最高壩、Oroville黏土斜心墻砂礫石壩（234.8 m）建成，心墻壩最大壩高突破200m，成為當(dāng)時最高土石壩。1970年代，土耳其Keban心墻堆石壩（212 m，1973年）、加拿大Mica斜心墻砂礫石壩（242 m，1973年）、哥倫比亞Chi?vor斜心墻堆石壩［54-55］（又名 La Esmeralda，壩高 235 m，1975年）、墨西哥 Chicoasén心墻堆石壩［56，57］（又名Manuel Moreno Torres，壩高261 m，1980年）、前蘇聯(lián)Nurek心墻砂礫石壩（300 m，1980年）建成，心墻壩最大壩高達(dá)到300m，并超越其他壩型，成為當(dāng)時世界上最高壩。

心墻壩成為當(dāng)時在覆蓋層上建設(shè)高壩時幾乎唯一的選擇。一些覆蓋層較深的工程，如埃及Aswan高壩［58］（壩高 111 m、防滲帷幕深 170 m，1970年）、加拿大 Manicouagan-3［59］（壩高 107 m、防滲墻深131 m，1975年）等，采用灌漿帷幕、混凝土防滲墻與上部心墻連接共同進(jìn)行防滲。一些覆蓋層相對較淺的工程，則采取了挖除心墻下覆蓋層、將心墻置于基巖面或基巖面混凝土墊座上的方案，如早期建設(shè)的奧地利Gepatsch和本階段建設(shè)的哥倫比亞Chivor、墨西哥Chicoasén等，其中Chivor和Chi?coasén開挖深度均達(dá)55 m。美國墾務(wù)局在較差的壩基上修建了系列工程，如前期修建的Trinity土心墻砂礫石壩，采用了覆蓋層上部截水槽、覆蓋層下部鋼板截水墻與基巖帷幕灌漿連接的防滲方案；一些沒有河床覆蓋層但基巖條件相對較差的工程，也采取覆蓋層上心墻壩類似的方法，開挖心墻下較差基巖形成截水槽，并在其中回填心墻、與上部心墻聯(lián)合進(jìn)行防滲，如Teton土心墻砂殼壩（93 m，1975年），在基巖中開挖了深達(dá)21 m的截水槽以取代基巖灌漿；同屬美國墾務(wù)局、前期修建的Fon?tenelle砂卵礫石壩殼心墻壩［32，60］（57.3 m，1964年），采用了相對折衷的方案，在基巖中開挖一定深度的截水槽，并在截水槽下設(shè)近20m的灌漿帷幕聯(lián)合防滲。

在這個時期，我國的心墻壩建設(shè)也取得了一定進(jìn)展，壩高達(dá)到100 m級。1973年中國臺灣省建成曾文直立心墻分區(qū)碾壓土石壩（133 m），心墻土料采用溢洪道開挖風(fēng)化料，壩殼采用河床開挖砂礫石、砂卵石及溢洪道開挖石渣料。1976年在深覆蓋層上建成了壩高101.8 m的碧口壤土心墻土石壩，壩殼采用砂礫石、堆石和石渣等多種材料填筑［61-62］，防滲墻處理深度達(dá)68.5 m，是中國大陸第一座壩高超過100 m的土石壩。

4.2 壩殼發(fā)展 與壩高的跨越發(fā)展對應(yīng)，本階段壩殼振動碾壓施工技術(shù)逐步成熟。壩殼碾壓中根據(jù)區(qū)分母巖種類采用不同的鋪層厚度、碾壓遍數(shù)，硬度較高的堆石料鋪層1 m、碾壓4遍，較軟的堆石料鋪層0.6 m、碾壓6遍，碾壓填筑中一般按20%的體積比例加水。壩殼砂礫料碾壓厚度多為0.3-0.9 m，砂礫石粒徑較小或細(xì)粒含量高時采用較小層厚。壩殼采用軟巖料或砂礫料時，需要校核排水性能［33］，必要時在壩體內(nèi)設(shè)置豎向排水和岸坡排水等。振動碾壓后的粗粒料密實度和強度、模量等都大幅提高，支撐了特高壩建設(shè)需要。此外，砂礫石開挖料利用經(jīng)濟(jì)性高、變形模量高（根據(jù)實測，碾壓砂礫料模量約為碾壓堆石料的5~10倍［33］）的優(yōu)點被進(jìn)一步充分認(rèn)識，應(yīng)用在Oroville、Mi?ca、Nurek及后來的Tehri等超200m特高心墻壩中。

本階段砂礫石壩殼心墻壩和堆石壩殼心墻壩的特征進(jìn)一步融合，大壩體型繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。隨著粗粒料抗剪強度非線性理論的建立［63-65］，以及采用較瘦體型趨勢的繼續(xù)，部分心墻壩充分挖掘了材料潛力，壩坡坡比極值進(jìn)一步提高。比較典型的是巴西1980年建成的Salto Santiago斜心墻堆石壩，下游壩坡坡比僅1∶1.4；此后，1981年建成的巴西Emborcac?o斜心墻堆石壩［66］，上下游壩坡坡比分別為1∶1.8和1∶1.4。而多數(shù)高壩及超過200 m特高壩則在體型上保留了較大裕度，下游壩坡坡比多為1∶2.0（Nurek采用1∶2.2），上游坡比則更緩；僅哥倫比亞Chivor斜心墻堆石壩，上下游坡比達(dá)1∶1.8（其中下游壩頂附近 1∶1.7）［9］。

4.3 心墻發(fā)展 本階段，心墻壩壩坡穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定基本問題得到解決，心墻的發(fā)展變化多圍繞心墻突然滲漏和壩頂縱向裂縫等特殊問題的應(yīng)對。

受上一階段部分薄心墻厚度“極薄”趨勢的影響，本階段初期的部分心墻厚度仍較小、心墻上下游側(cè)坡比較高。在多座冰磧土薄心墻壩的礫石土心墻出現(xiàn)突然滲漏、沖蝕破壞事故后，滲漏工程監(jiān)測資料分析中發(fā)現(xiàn)，心墻中豎向土壓力小于上覆土體重量，存在壩殼對心墻的拱效應(yīng)和應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象［67］。同時，El Infiernillo、Gepatsch、Scammonden等未出現(xiàn)滲漏事故的工程，在薄心墻土壓力監(jiān)測中也發(fā)現(xiàn)了類似應(yīng)力減小現(xiàn)象。其時工程界較多認(rèn)為薄心墻所受拱效應(yīng)及其引發(fā)的水力劈裂是滲漏事故的發(fā)生原因［68］。

雖事故原因的認(rèn)識當(dāng)時就存在一定爭議，并在后來出現(xiàn)了反思，而事故原因和大壩性態(tài)的復(fù)雜規(guī)律至今仍有待分析，但工程中仍相應(yīng)采取了一定措施來應(yīng)對。一些工程加厚了直心墻，此后的“薄心墻”底寬多取為高度的20%~40%，內(nèi)部平均水力比降為2.5~5。一些工程則認(rèn)為傾向上游的斜心墻有利于拱效應(yīng)應(yīng)對［69］，可獲得較好的心墻應(yīng)力條件，避免心墻裂縫和水力劈裂。由此，技術(shù)體系產(chǎn)生于1950年前后、大規(guī)模應(yīng)用時間不足20年的斜心墻方案在很多100 m-200 m高壩和大多數(shù)超過200m的特高壩中得到大膽應(yīng)用，如1970年前后建成的Oroville、Mica和Chivor等，以及后來建成的Guavio和Tehri。但值得注意的是，雖上述壩高超過200 m的工程未見運行異常報告，1970年前后建設(shè)的壩高100 m~200 m、壩殼采用爆破堆石料的心墻壩，特別是斜心墻壩中，出現(xiàn)了不少大規(guī)模壩頂縱向裂縫的案例。1970年代末期及以后建成的高心墻壩中，直心墻的比例又有所提高，可能與上述裂縫等問題存在一定聯(lián)系。

特別值得一提的是，為了更好了解心墻的變形狀態(tài)，并為可能的后期維修加固提供路徑，本階段前蘇聯(lián)建成的Charvak亞黏土心墻堆石壩、Nurke礫石土心墻砂礫石壩以及后來在前蘇聯(lián)技術(shù)支持下修建的印度Tehri礫石土斜心墻砂礫石壩，開創(chuàng)性的在心墻中上部設(shè)置了監(jiān)測/維修混凝土廊道［8］，總體運行良好。

壩體縱斷面上，狹窄河谷兩岸陡峻岸坡（及岸坡深槽）對壩體的拱效應(yīng)特別是對心墻豎向應(yīng)力的減小作用在這個階段得到工程界認(rèn)識和關(guān)注。Chicoasén心墻壩修建在岸坡坡比最大達(dá)1∶0.1、且一側(cè)岸坡存在明顯變坡的河谷中，設(shè)計中曾對比多個方案，選定了在河谷底部深槽鋪填特殊心墻材料，在心墻底部與陡峻岸坡接觸面鋪設(shè)塑性較高的土料并使該塑性土料區(qū)沿變坡點以下的中下部岸坡坡度延長線穿過心墻的獨特設(shè)計［57］。而河谷深槽、河谷兩岸陡峻岸坡對心墻的約束和豎向應(yīng)力的削減作用也確實通過后期觀測得到了驗證［56，70］。Nurek心墻壩將兩岸岸坡開挖為一致的坡比（“一坡到底”），在開挖后的岸坡表面澆筑混凝土墊座，在其上鋪設(shè)塑性較高的接觸土料層后再填筑心墻土料，以減小岸坡對心墻變形的約束［8］。這種在心墻下布置較為順直的岸坡混凝土墊座，并在墊座上、心墻底部設(shè)置接觸黏土的做法，后來也在印度Tehri和我國兩河口、雙江口、RM等工程中得到采用。

為了充分利用岸坡的拱效應(yīng)，以增大心墻壩中數(shù)值較小的順壩軸線方向應(yīng)力，一些工程采用了曲線型的壩軸線，例如埃及Aswan高壩等，但是，需要注意的是，采用曲線型壩軸線的不少工程仍出現(xiàn)了壩頂縱向裂縫、突然滲漏等問題，如壩頂裂縫的Cougar和突然滲漏的Hyttejuvet、Matahi?a、Viddalsvatn等，似沒有表現(xiàn)出應(yīng)力變形方面特別的優(yōu)點。

5 心墻壩發(fā)展低潮期（1981—2001年）

進(jìn)入1980年代后，西方各國水利水電開發(fā)程度已達(dá)較高水平，大壩安全、環(huán)保等問題受到的空前重視，加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展對大壩建設(shè)的需求降低等各方面原因，世界各國特別是歐美、前蘇聯(lián)等地區(qū)大壩建設(shè)速度明顯放緩，心墻壩的發(fā)展也進(jìn)入低潮期。這個期間國際上僅在1989年建成一座特高心墻壩即哥倫比亞Guavio斜心墻堆石壩（又名Alberto Lleras C.，壩高246 m）。此外，印度在前蘇聯(lián)技術(shù)支持下開始修建其最高壩Tehri礫石土斜心墻砂礫石壩［71］（260.5 m）。

我國的心墻壩建設(shè)數(shù)量較1960—1970年代有所減少，但在壩高上仍取得了一定發(fā)展。1982年，石頭河心墻壩（114 m）填筑完成，其河床部分采用黏土心墻土石壩，兩岸階地逐漸擴大心墻過渡為均質(zhì)土壩；壩殼采用砂卵石，部分利用了隧洞開挖石渣和篩選超徑卵漂石。1989年，中國大陸首座采用風(fēng)化料填筑心墻的堆石壩魯布革（103.8 m）竣工，心墻采用了全風(fēng)化砂頁巖混合料。小浪底工程于2001年成功在深厚覆蓋層上建成最大壩高160 m的壤土斜心墻堆石壩，采用基巖單排灌漿幕和厚1.2 m、最大造孔深度81.9 m的混凝土防滲墻與壤土斜心墻連接，形成垂直向防滲系統(tǒng)。壩內(nèi)設(shè)上爬式內(nèi)鋪蓋，一側(cè)與斜心墻連接，另一側(cè)與攔洪主圍堰的黏土防滲斜墻相連，形成水平向輔助防滲系統(tǒng)。大壩初期運用以垂直防滲為主，后期隨著水庫淤積發(fā)展，水平防滲系統(tǒng)承擔(dān)水頭逐步增大，壩基滲透穩(wěn)定性逐步增大、滲漏量逐漸減小（林秀山和景來紅［72］，殷保合［73］）。

6 心墻壩發(fā)展高潮期（2002年后）

2002年后，發(fā)展中國家的壩工建設(shè)趨于活躍，國外建成兩座特高心墻壩，即巴西Irapé礫石土心墻堆石壩［74］（208 m，2006年）和印度Tehri礫石土心墻砂礫石壩（歷時17年于2005年建成）。Tehri也根據(jù)前蘇聯(lián)Charvak和Nurek的經(jīng)驗，在礫石土心墻中上部設(shè)置了混凝土監(jiān)測/維修廊道。值得一提的是，Tehri水電站與下游Koteshwar水電站（建成于2011年）一起組成Tehri-Koteshwar混合蓄能電站，Tehri作為混合蓄能電站上庫的擋水建筑物，是罕見面臨高水位變動速度和幅度的特高心墻壩。

從1980年代開始，中國針對心墻壩建設(shè)開展了大量研究，特別強調(diào)了前期國外建設(shè)中還未完全解決的變形控制問題，通過試驗系統(tǒng)研究了壩料在施工和運行過程中的復(fù)雜變形特性，自主編制了心墻壩應(yīng)力變形和滲流耦合三維計算程序［75］、邊坡穩(wěn)定分析軟件［76］等，并大量應(yīng)用到實際工程，應(yīng)力變形與滲流的耦合作用、應(yīng)力變形非線性、滲透系數(shù)非線性、強度非線性、堆石料流變變形和濕化變形在預(yù)測分析中得到考慮［77］，心墻壩建設(shè)的定量化程度大幅提升，大壩性態(tài)認(rèn)知水平快速提高。

在不斷提升的預(yù)測分析能力等技術(shù)進(jìn)步基礎(chǔ)上，配合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求，本階段中國心墻壩建設(shè)快速發(fā)展，在世界上形成了心墻壩發(fā)展新高潮。在小浪底之后，建成了一批100 m級高心墻壩，如金盆心墻砂礫石壩、恰甫其海心墻砂礫石壩［78］、水牛家碎石土心墻堆石（砂礫石）壩、獅子坪碎石土心墻堆石壩、蹺蹊礫石土心墻堆石壩、毛爾蓋礫石土心墻堆石壩、苗尾礫石土心墻堆石壩等。壩基垂直防滲技術(shù)特別是防滲墻技術(shù)長足發(fā)展，處理深度不斷攀升，防滲效果良好，如圖2所示。在發(fā)展新高潮中，心墻壩斷面標(biāo)準(zhǔn)化趨勢進(jìn)一步強化，基本確立了（礫石）土心墻與壩基覆蓋層防滲墻和基巖灌漿帷幕聯(lián)合，垂直防滲為主、水平防滲為輔的防滲模式。壩料運用進(jìn)一步擴展，砂礫石料多應(yīng)用于100 m級及以下心墻壩，較大壩高的心墻壩一般采用堆石料作為壩殼，軟巖、石渣、風(fēng)化料等也被應(yīng)用于壩殼。黏土心墻料更多應(yīng)用在100 m級及以下工程；除小浪底外，超過100 m級心墻壩中一般采用礫石土作為心墻土料，人工摻配礫石土和天然礫石土如冰磧土等應(yīng)用于心墻，黏粒含量限制有所突破。對于采用礫石土心墻的高壩，心墻一般直立，心墻上下游坡比多為1∶0.2~1∶0.25，在兩岸岸坡基巖混凝土蓋板與礫石土心墻之間設(shè)接觸黏土層；大壩上下游壩坡坡比多為1∶2.0左右。

圖2 中國100m以上高心墻及覆蓋層深度發(fā)展歷程

除預(yù)測分析能力提升外，施工工藝進(jìn)步為心墻壩變形控制提供了手段，推動了工程進(jìn)步和發(fā)展。振動碾噸位不斷提高，附加質(zhì)量法等檢測技術(shù)引入施工質(zhì)量控制，數(shù)字大壩理論提出并應(yīng)用到高壩質(zhì)量控制中［79-81］，并逐步向向智能化發(fā)展［82］。在此基礎(chǔ)上，中國超200 m特高心墻壩在壩高不斷突破的同時，實現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展。在深厚覆蓋層上建成了瀑布溝（壩高186 m、防滲墻深78 m，2009年）、長河壩［83］（壩高240 m、防滲墻深53 m，2018年）等礫石土心墻堆石壩，瀑布溝心墻采用的冰磧土細(xì)粒含量低、礫石超量且嚴(yán)重超徑，施工中篩分后用于心墻填筑［84］。建成了亞洲第一、世界第二高的糯扎渡礫石土心墻堆石壩（261.5 m，2012年），其上游、下游壩坡坡比分別達(dá)1∶1.9和1∶1.8，心墻系中國首次在高壩中采用人工摻配礫石土，大壩滲漏量僅10L/s左右，遠(yuǎn)低于國際同類工程［85］；兩河口（295 m）、雙江口（312m）等300 m級礫石土心墻堆石壩開工建設(shè)，也均采用人工摻配礫石土心墻；與瀑布溝、長河壩類似，采用天然礫石土作為心墻料的RM心墻堆石壩（315 m）開始規(guī)劃設(shè)計，中國的心墻壩建設(shè)在本階段逐步趕超國際水平（如圖3）。從發(fā)展趨勢上看，隨著預(yù)測分析能力、施工控制水平的提升，心墻壩沖擊更大壩高的技術(shù)條件將逐漸成熟。

圖3 國內(nèi)高心墻壩發(fā)展與國際情況對比

需要注意的是，在心墻壩發(fā)展新高潮階段，仍有一些高心墻壩出現(xiàn)了壩頂縱向裂縫、突然滲漏等特殊現(xiàn)象［70，86］。這些工程既有建設(shè)在深覆蓋層上、壩基修建有混凝土防滲墻的，也有建設(shè)在基巖上的；但一般均為礫石土心墻堆石壩，且多在建成后初次蓄水過程中表現(xiàn)出較大變形，可能與變形控制及與其相關(guān)的滲流控制均存在密切關(guān)系。這些特殊現(xiàn)象也提醒工程界，尚需繼續(xù)開展研究，進(jìn)一步提高預(yù)測分析能力、發(fā)展質(zhì)量安全管控技術(shù)手段。

7 結(jié)語

本文將土質(zhì)心墻土石壩（心墻壩）沿革及體型和材料發(fā)展歷程分為5個階段進(jìn)行了回顧。

第1個階段為心墻壩早期發(fā)展階段。心墻壩起源于土壩，早期均以砂礫石作為壩殼，心墻則分別按窄心墻（攪拌黏土心墻）和厚心墻（水力沖填、壓實黏土）兩條路徑獨立發(fā)展。隨著穩(wěn)定分析理論發(fā)展和反濾的引入，壩坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定問題基本解決，直心墻為主、外覆反濾和壩殼的心墻壩標(biāo)準(zhǔn)化體型雛形基本形成。本階段末期的20年，大型運輸碾壓機具引入和土力學(xué)理論發(fā)展，為心墻壩現(xiàn)代過渡奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

第2個階段為心墻壩現(xiàn)代化過渡階段。壩殼爆破堆石料、天然或摻配礫石土心墻料等引入心墻壩，筑壩材料來源大幅擴展，心墻壩壩高突破150 m。心墻逐步過渡為壓實黏土心墻，但厚、薄兩極化現(xiàn)象仍在繼續(xù)；斜心墻設(shè)計理論系統(tǒng)化，心墻體型由主要為直心墻過渡為直心墻、斜心墻并存，斜心墻占比增速大；壩殼砂礫石、堆石施工方法逐步融合同化。壩體施工方法向全斷面碾壓過渡，并開始進(jìn)行振動碾壓實踐。本階段大壩建設(shè)中出現(xiàn)了充分挖掘材料潛力，心墻厚度趨薄、壩坡趨陡的現(xiàn)象。

第3個階段為心墻壩高速發(fā)展階段。砂礫石壩殼心墻壩和堆石壩殼心墻壩的特征進(jìn)一步融合，心墻厚度也逐步趨同，大壩體型繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。壩基覆蓋層處理能力提升，振動碾壓施工技術(shù)逐步成熟，壩料密實度、強度、模量等大幅提高，最大壩高快速提高并達(dá)到300 m，成為世界最高壩。隨著有限元技術(shù)引入心墻壩建設(shè)，分析預(yù)測在心墻壩建設(shè)中的作用逐步顯現(xiàn)［70］。由于粗粒料非線性強度理論發(fā)展，以及振動碾壓帶來的密度和強度、模量進(jìn)一步提升，采用較瘦體型的趨勢有所發(fā)展，壩坡坡比極值進(jìn)一步提高。與此同時，心墻壩出現(xiàn)突然滲漏和壩頂縱向裂縫等特殊問題，大壩變形和與之相關(guān)的滲流問題逐步凸顯，壩殼與心墻的相互作用、岸坡對大壩變形的約束受到關(guān)注，岸坡和心墻底部特殊處理等得到重視。本階段后期，斜心墻占比降低、直心墻比例提高的趨勢開始出現(xiàn)。

第4個階段為心墻壩發(fā)展低潮階段。國際心墻壩建設(shè)發(fā)展速度大幅度降低；中國心墻壩發(fā)展有所加快，最大壩高突破100 m，最大達(dá)160 m。本階段中，中國自主編制了心墻壩應(yīng)力變形分析軟件、壩坡穩(wěn)定分析軟件等，心墻壩建設(shè)的定量化程度大幅提升，材料力學(xué)特性的多種非線性因素及時間效應(yīng)等在分析預(yù)測中得到考慮，大壩性態(tài)認(rèn)知水平快速提高，為下一階段發(fā)展新高潮奠定了基礎(chǔ)。

第5個階段為心墻壩發(fā)展新高潮階段。以中國為代表，發(fā)展中國家的壩工建設(shè)趨于活躍，配合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求，中國等國家心墻壩建設(shè)快速發(fā)展，在世界上形成了心墻壩發(fā)展新高潮。結(jié)構(gòu)性態(tài)預(yù)測分析、碾壓施工質(zhì)量控制在質(zhì)量和安全保障中起到突出作用，心墻壩建設(shè)中經(jīng)驗把握與分析預(yù)測、精細(xì)控制結(jié)合，斷面標(biāo)準(zhǔn)化趨勢進(jìn)一步強化，直心墻比例進(jìn)一步提高，確立了直立薄（礫石）土心墻與壩基覆蓋層防滲墻和基巖灌漿帷幕聯(lián)合，垂直防滲為主、水平防滲為輔的防滲模式，斷面各坡比相對固定。壩料來源進(jìn)一步擴展，砂礫石料和包括軟巖、石渣、風(fēng)化料等在內(nèi)的堆石料廣泛應(yīng)用于壩殼；多種黏性土料、人工摻配礫石土和天然礫石土如冰磧土等應(yīng)用于心墻，黏粒含量、最大粒徑等的限制不斷突破。

心墻壩發(fā)展和跨越，雖需求來自經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，但動力本質(zhì)上還是源自巖土力學(xué)理論、施工控制技術(shù)的發(fā)展。理論、技術(shù)的引領(lǐng)作用，在心墻壩的發(fā)展中體現(xiàn)得尤為明顯。

立足過去，探索壩料特性、預(yù)測性態(tài)發(fā)展、更新暨有認(rèn)知的需要仍然存在；面向未來，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、應(yīng)用當(dāng)?shù)夭牧?、突破暨有壩高的要求愈加強烈。繼續(xù)開展研究，進(jìn)一步提高心墻壩材料特性和結(jié)構(gòu)性態(tài)的把握和預(yù)測能力，發(fā)展大壩變形和滲流控制的施工及運行管控手段，心墻壩沖擊更大壩高、支撐經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)條件將逐漸成熟。