林江，陈佳伟，周志辉

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065）

瀑布沟大坝蓄水期心墙应力分析

林江，陈佳伟，周志辉

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065）

以瀑布沟水电站蓄水期监测资料为基础，对大坝心墙内孔隙水压力、土压力及两者的关系进行分析。分析结果表明:在瀑布沟水电站的整个蓄泄水过程中，孔隙水压力随水位的升高而增大，反之亦然;大坝横断面方向，从上游往下游，渗压与库水位的相关性依次减小，库水的入渗是心墙渗压变化的决定性因素;土压力变化与孔隙水压力变化规律基本一致，土压力值调整是蓄水引起的渗流、固结共同作用的结果，主要受上游水位的影响;在水库蓄水过程中，有效应力下降，孔隙水压力占土压力的百分比达到100%，可能发生局部水力劈裂。总结蓄水期砾石土心墙渗压和土压力变化规律，可供其它同类工程参考。

孔隙水压力;土压力;有效应力;水力劈裂

1 研究背景

砾石土是指粒径大于5 mm颗粒的质量占总质量的20%～60%的宽级配砾类土［1］。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和具有自愈作用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，采用砾石土作防渗体的土石坝很多，如高300 m的努列克坝（前苏联）;高216 m奇科森坝（墨西哥）;高260 m的特里坝（印度）和高230 m的澳洛维坝（美国）。近年来，采用砾石土作防渗料的优越性已被国内设计者所认可，如已建成的鲁布革堆石坝（103 m）、在建的糯扎渡堆石坝（261.5 m）、规划建设的双江口堆石坝（314 m）［1-3］。

土石坝心墙应力问题是一个非常复杂、重要的问题。长期以来，国内很多学者利用室内试验，数值分析等方法对土石坝的心墙应力及水力劈裂进行了研究。对于大型的砾石土心墙坝，室内试验、数值分析与实际存在一定的差距，因此，对大型土石坝的原型监测及成果分析具有重要意义。瀑布沟水电站大坝是目前国内建成的最高的砾石土心墙堆石坝，本文以瀑布沟水电站首次蓄水期心墙监测资料为基础，总结了蓄水期砾石土心墙渗压和土压力变化规律，以供其它同类工程参考。

2 工程概况

瀑布沟水电站拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程856 m，最大坝高186 m。水库正常蓄水位850 m，校核洪水位853.78 m，死水位790 m。心墙顶高程854 m，顶宽4 m，上、下游坡度均为1∶0.25，底高程670 m，底宽96 m。心墙上、下游侧各设二层反滤层，层厚上游均为4.0 m，下游均为6.0 m。反滤层与坝壳堆石间设过渡层，过渡层与坝壳堆石接触面坡度为1∶0.4。心墙左岸坝肩较陡，807 m高程以下坡度为1∶0.85，以上坡度为1∶0.7;右岸坝肩较缓，790 m高程以下坡度为1∶1.1，以上坡度为1∶1.35。坝基为砂卵石覆盖层，最大厚度77.9 m。［1-2］

瀑布沟水电站自2007年3月开始坝体填筑，起填高程为670 m，经过约30个月的填筑，2009年9月填筑到顶。水电站于2009年11月1日下闸蓄水，具体蓄水过程见表1。

3 监测布置

坝体在河床部位坝轴距为310，240 m的2个典型断面相同部位埋设土压力计和渗压计，本文仅介绍240 m断面的监测布置情况。该断面在高程725，747，788 m处布置有加拿大Roctest公司和北京基康公司生产的振弦式渗压计，以了解砾石土心墙的孔隙水压力及其分布与消散情况。同时在高程670.8，725，747 m埋设有上述2家公司生产的振弦式土压力计，以了解砾石土心墙受力情况。［3］

表1 电站蓄水过程Table 1Water storage process of the hydropower station

仪器埋设情况见图1。图中P代表渗压计，E代表土压力计，下标代表仪器编号［3-4］。

图1 断面心墙监测仪器安装位置图（0+240断面）Fig.1Layout of monitoring instruments in the core-wall（section 0+240）

4 孔隙水压力监测成果分析

为了便于分析，按公式（1）将渗压计测值换算成水位。

式中:H为换算水位;▽H为渗压计安装高程;P为渗压计测值;ρ为水的密度，取1.0×103kg/m3;g为重力加速度，取9.8 N/kg。图2（a）、图2（b）、图2（c）分别为725，747，788 m高程渗压计时间过程曲线。

由图2可知，各高程渗压计变化规律总体一致:①一期蓄水渗压计测值增幅较大，且增长速率同蓄水速率有较好的相关性，当蓄水速率加快时，渗压计增长速率也加大;反之亦然;②当水位稳定在790m高程时，渗压计测值首先有一定的上升，随后开始下降，整体上变化较小;③二期蓄水渗压计变化基本和一期蓄水规律一致，与蓄水速率有较好的相关性;④枯水消落期，渗压计测值整体呈现下降趋势，其下降速率同库水位消落速率也有较好的相关。

0 +240 m断面各特征时间点的渗压计测值如表2，“坝轴距”是指顺河流方向，以坝轴线为基准，向下游为正，反之为负。

图2 心墙部位孔隙水压力－时间曲线Fig.2Curves of pore water pressure in the core-wall vs.time

由表1可知:一期蓄水过程中，单位水位增量时渗压平均增量为0.2 m，二期蓄水过程中渗压增量的平均值为0.53 m，消落期为0.58 m;渗压计坝轴线上游升幅最大，坝轴线处次之，下游升幅最小。

利用excel数据分析［5］模块对库水位上升期间库水位以下的24支渗压计的换算水位与库水位的相关系数R进行统计，统计结果为:坝轴线上游侧相关系数平均为0.95;坝轴线上相关系数平均为0.87;坝轴线下游侧相关系数平均为0.81。可见从上游往下游，渗压与库水位的相关性依次减小，符合一般的库水入渗规律。

表2 渗压计监测成果表Table 2Monitoring result by osmometers

综上所述，在整个蓄水过程中，渗压计测值变化整体呈现出平稳变化态势，未出现突变现象。在水位变化期间，渗压计的测值与水位变化有较好的关联性，水位上升时，由于上游库水的入渗，导致心墙内水位的上升，孔隙水压力增大;水位下降时，心墙水回流到水库，心墙水位下降，孔隙水压力下降;平稳在790m高程时，孔隙水压力变化较小。

5 土压力监测成果分析

大坝心墙内部土压力计主要用于心墙总应力的监测。图3（a）、图3（b）和图3（c）分别为高程670.8，725，747 m土压计时间过程曲线。

由图3可知:①一期蓄水和二期蓄水期间，随着库水位的增加土压应力测值升高;②库水位稳定期间，将土压力的变化分为A和B 2个阶段，A阶段土压力测值增大，B阶段土压力测值减小;③枯水消落期，土压力随水位的下降而减小。

各个特征时间点土压力监测值见表3，理论土压力值用公式（2）粗略估计。

式中:σ为理论土压力值;γ为土的重度，在本文中取22 kN/m3;h为上覆土的厚度。

由表3可知:土压力测值随着高程的增加而减小，基本符合土坝应力规律;同一高程土压力测值从上游到下游依次减小，且均小于理论土压力;一期蓄水单位水头增量时平均土压力增量为1.33×10-3MPa，二期蓄水期为3.22×10-3MPa，消落期为3.62× 10-3MPa。

图3 心墙部位土压力－时间曲线Fig.3Curves of soil pressure in the core-wall vs.time

蓄水过程中，上游库水位入渗导致土压力计以上土体部分由非饱和状态转化为饱和，土体重度增加，土压力随之增加。在水位稳定期间，A阶段由于心墙的渗透系数较小，库水位进一步入渗，土压力增大;B阶段库水入渗完成，浸润线基本稳定，在上覆土的重力作用下，孔隙水压力消散、土体固结，土压力减小。

表3 土压力监测成果Table 3Monitoring result of soil pressure

综上所述，土压力变化总体趋于平稳，土压力值调整与蓄水引起的渗流的作用、固结作用等因素有关，主要受上游水位的影响。

6 土压力与孔隙水压力关联分析

心墙部位725 m和747 m高程在相同位置孔隙水压力与土压力关联分析时间曲线如图4所示。有效应力为同一位置土压力计测值扣除孔隙水压力测值。

由图4可知:①一期蓄水，随着库水位的增加孔隙水压力总体在升高，相应的土压应力也有升高;孔隙水压力占土压力比例升高，有效应力有小幅下降;②库水位稳定期间，孔隙水压力和竖向土压力变化均不大;③二期蓄水，孔隙水压力均有所升高，相应的竖向土压应力也有所增加;孔隙水压力占土压力比例在升高，有效应力有小幅下降。

孔隙水压力与上覆土压力成正比，且与含水量、渗径和周围土体粒径有关。库水在砾石土心墙体内的渗透会使心墙内的孔隙水压力增加，而土体固结导致的孔隙水压力消散会使孔隙水压力下降，实测的孔隙水压力是上述2个过程的综合结果。蓄水过程中渗流作用会使土体由非饱和逐步过渡到饱和，发生软化作用，降低土体的骨架效应，使土压力计测值（总应力）上升。

殷宗泽、朱俊高等［6-9］认为当孔隙水压力占土压力的百分比100%时，则有可能发生水力劈裂。由图3可知高水位期间孔隙水压力占土压力的百分比达到100%，且时间较长，则在747 m高程、高水位期间有发生局部水力劈裂的可能。

7 结论

（1）在水位变化期间，渗压计的测值与水位变化有较好的关联性，水位上升渗压计测值增大，反之亦然，水位平稳在790 m高程时，孔隙水压力变化较小;土压力变化趋势与孔隙水压力变化规律类似。孔隙水压力与上覆土压力成正比，且与含水量、渗径和周围土体粒径有关。

（2）在库水上升的过程中，有效应力有小幅度的减小，孔隙水压力占土压力的百分比达到100%，有发生局部水力劈裂的可能。

（3）砾石土心墙部位孔隙水压力与土压力变化是一个十分复杂的过程，从目前的监测资料来看，瀑布沟大坝孔隙水压力与土压力变化符合一般规律。

［1］中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河瀑布沟水电站枢纽工程蓄水阶段验收设计报告［R］.成都:中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院，2009.（Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China.Report of the Design of Acceptance During Impoundment of Pubugou Hydropower Project on Dadu River in Sichuan Province［R］.Chengdu: Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China，2009.（in Chinese））

［2］中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河瀑布沟水电站初步设计报告安全监测篇［R］.成都:中国水电工程集团成都勘测设计研究院，2001. （Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China.Safety Monitoring Report of the Preliminary Design of Pubugou Hydropower Project on Dadu River in Sichuan Province［R］.Chengdu:Chengdu Hydropower Investigation Design Institute of Hydro China，2001.（in Chinese））

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（编辑:姜小兰）

Stress Analysis for the Core-wall of Pubugou Dam During Impoundment

LIN Jiang，CHEN Jia-wei，ZHOU Zhi-hui
（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu610065，China）

On the basis of monitoring data of Pubugou Hydropower Station during its impoundment，we analyzed the pore water pressure，soil pressure in the core-wall and the relationship between them.Results show that:during the storage and discharge of water in the Pubugou Hydropower Station，the pore water pressure increases along with the rise of water level，and vice versa.The correlation between the water level and the osmotic pressure reduces from the upstream to the downstream，and the reservoir water infiltration is the decisive factor of seepage water pressure variation in the core-wall.The variation pattern of soil pressure coincides well with that of pore water pressure.The adjustment of soil pressure value is jointly induced by water seepage and consolidation，which is mainly influenced by the water level in the upstream.During the reservoir impoundment，the effective stress drops，the percentage of pore water pressure in the soil pressure reaches 100%，and as the reservoir water reaches high level，local hydraulic fracture is likely to occur.Summarizing the regularity of seepage pressure and soil pressure variation in the gravel soil core wall during the impoundment can provide reference for similar projects.

pore water pressure;soil pressure;effective stress;hydraulic fracturing

TV473.91

A

1001-5485（2013）05-0042-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.05.010

2013，30（05）:42-46

2012-04-05;

2012-05-30

林江（1988-），男，江西萍乡人，硕士研究生，主要从事大坝安全监测与反馈分析工作，（电话）13568913143（电子信箱）ljpxr@foxmail.com。