吳國曉 耿瑜平 李亞楠 柳利利

土石壩心墻孔隙水壓力成因分析

吳國曉 耿瑜平 李亞楠 柳利利

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院 河南鄭州 450003）

土石壩心墻在施工過程中會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。通過對大壩礫石土心墻中不同部位形成的不同的孔隙水壓力值，結(jié)合礫石土心墻填筑時(shí)土料含水率、壩前水位、大壩填筑進(jìn)度以及當(dāng)?shù)氐慕邓闆r等進(jìn)行綜合分析，得出孔隙水壓力的形成原因主要是由于心墻料含水率較高，并且孔隙水壓力的極值在上覆荷載固定時(shí)主要受大壩礫石土心墻內(nèi)的含水率影響。心墻內(nèi)部觀測到的壓力值有孔隙水壓力和與壩前水位貫通后的水頭壓力之分，需分別進(jìn)行分析。因此，加強(qiáng)孔隙水壓力的觀測和分析，對大壩的安全監(jiān)控有著重要意義。

土石壩 礫石土心墻 孔隙水壓力 含水率 安全監(jiān)控

1 引言

土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。近代的土石壩筑壩技術(shù)自20世紀(jì)50年代以來得到發(fā)展，并促成了一批高壩的建設(shè)。目前，土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。土石壩按組成可以分為均質(zhì)壩、土質(zhì)防滲體分區(qū)壩、非土料防滲體壩。其中土質(zhì)防滲體分區(qū)壩最為常見，一般將壩體分為黏土心墻和壩殼區(qū)。土石壩在心墻料填筑過程中，很少能發(fā)生有效的孔隙水壓力消散。因而，超過100m的心墻壩，在施工過程中均會產(chǎn)生高孔隙水壓力。高孔隙水壓力的存在，會導(dǎo)致心墻中有效應(yīng)力的降低，從而影響壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度。對于黏土心墻內(nèi)部孔隙水壓力的研究，對工程運(yùn)行有著重要的意義。

2 土石壩心墻孔隙壓力性質(zhì)分析

SL60—94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》第5章相應(yīng)條款規(guī)定：孔隙水壓力的觀測，一般僅適用于飽和土及飽和度大于95%的非飽和黏性土。但是土石壩黏土心墻在大壩填筑施工過程中，黏土心墻料的飽和度往往達(dá)不到95%。因此，此時(shí)觀測到的孔隙水壓力往往并不是真正的孔隙水壓力，而是孔隙水壓力和孔隙氣壓力的合力。

根據(jù)司洪洋的研究成果，處于非飽和狀態(tài)的心墻，其孔隙壓力P（pore pressure）實(shí)際上涉及三個(gè)方面的壓力，分別是孔隙水形成的孔隙水壓力Pw（pore water pressure）、孔隙氣泡形成的孔隙氣壓力Pa（pore air pressure）、孔隙水和孔隙氣相界面即彎液面形成的毛細(xì)管吸力Pc（bubbling pressure）。且三者之間存在著固定的關(guān)系。

一般情況下，大壩黏土心墻料在初步壓實(shí)之后，其土體內(nèi)部還存在許多未完全充實(shí)的孔隙，孔隙內(nèi)部充滿著空氣和部分水。隨著填方的逐步升高，土體進(jìn)一步的壓縮，孔隙越來越小，而土體孔隙中的水分并未減少。因此，土體飽和度增加。此時(shí)Pw逐漸變大，Pa逐漸變小，最終土體中的孔隙完全被水填充。此時(shí)Pw達(dá)到最大，Pa消失。

但因?yàn)樵趯?shí)際工程中，大壩在填筑過程中觀測到的孔隙壓力值，并不是土體完全飽和后的壓力值。因此，在分析黏土心墻孔隙水壓力尤其是施工期的孔隙水壓力的過程中，必須考慮到孔隙氣壓力的影響。

3 滲壓計(jì)選擇

針對非飽和土中孔隙水壓力，英國最早發(fā)展了高進(jìn)氣式孔隙壓力測頭。該種孔隙壓力測頭可以阻止土中帶有較高空氣的壓力進(jìn)入孔隙壓力測頭，從而有效的阻止氣泡的影響，實(shí)現(xiàn)了非飽和土中純粹的孔隙水壓力的觀測。但目前，高進(jìn)氣式孔隙壓力測頭，在國內(nèi)尚無實(shí)踐和應(yīng)用。本次選擇的滲壓計(jì)為美國公司生產(chǎn)的振弦式滲壓計(jì)，采用粗孔濾水石。因此，所測值一般為孔隙水壓力和孔隙氣壓力的合力。

4 工程實(shí)例

4.1監(jiān)測設(shè)備布置

某水電站為礫石土心墻堆石壩，心墻底高程為1991.00m，心墻頂高程2136.00m，最大壩高為147.00m，心墻底寬76.45m，頂寬4.00m。大壩壩體防滲采用礫石土心墻料和接觸性黏土料。大壩基礎(chǔ)防滲分兩部分，河床段采用混凝土防滲墻，墻體下部接帷幕灌漿；左右兩岸采用雙排帷幕灌漿。

為了觀測壩體的孔隙壓力情況，在壩體共布置了三個(gè)典型監(jiān)測斷面，斷面樁號分別為0+123m、0+244m、0+320m。在每個(gè)斷面的2031、2048、2078和2108m處各布置了相應(yīng)的振弦式滲壓計(jì)。各斷面滲壓計(jì)埋設(shè)示意圖見圖1、圖2，其中P代表滲壓計(jì)。

圖1 心墻0+123m(0+320m)斷面滲壓計(jì)布置圖

圖2 心墻0+244m斷面滲壓計(jì)布置圖

4.2各高程孔隙水壓力的變化情況

從圖2可知，壩體心墻內(nèi)共布置了4個(gè)高程的滲壓計(jì)。目前大壩基本填筑至壩頂2136m高程，大壩于2011年3月19日開始蓄水。對于2108m高程內(nèi)的滲壓計(jì)，目前監(jiān)測到的孔隙水壓力很小，本次不做分析。

EL2031m高程的滲壓計(jì)埋設(shè)于2010年4月。從圖3中可以看出，心墻內(nèi)的3支滲壓計(jì)從2010年10月份開始變化，P-57，P-58增長較快。2011年3月份大壩蓄水后，位于心墻上游測的P-57產(chǎn)生了突變，隨后兩個(gè)月內(nèi)其孔隙水壓力的換算水位值與壩前水位基本相當(dāng)，8月份該滲壓計(jì)損壞。而P-58，P-59并未受大壩蓄水影響，位于下游測的P-59孔隙水壓力值很小，并且很穩(wěn)定。位于心墻中部的P-58測值在2011年6月份達(dá)到峰值186.9kPa后，孔隙水壓力開始逐漸變小。

原因分析：上游測P-57在壩前水位超過EL2031m時(shí)，其測值換算水頭值與壩前水位值相當(dāng)。因此，初步分析該部位已經(jīng)與壩前水體貫通。P-57產(chǎn)生突變的原因?yàn)樵摬课辉诖髩涡钏?，水體滲透到該部位后，水頭壓力增大而造成的。位于壩軸線上的P-58，其測值并未受到壩前水位的影響，其壓力變化曲線規(guī)律為：隨著大壩的填筑，其孔隙水壓力達(dá)到一個(gè)峰值，然后就開始緩慢減小，即壓力值開始慢慢消散。位于下游測的P-59，其測值很小。分析原因?yàn)?，該部位與下游測透水性很好的過渡料層距離較近，隨著上部土壓力的增大，其內(nèi)部孔隙水消散較快。因此孔隙水壓力始終較小。

圖3 大壩2031m高程心墻孔隙水壓力變化曲線圖

從圖4EL2048m高程面的上游側(cè)滲壓計(jì)測值變化曲線圖可以看出，2010年7月份該斷面滲壓計(jì)埋設(shè)后，各孔隙水壓力值在2010年10月份開始緩慢增大，在2011年4月份達(dá)到一個(gè)極值，隨后開始緩慢減小，直至2011年8月份。從2011年4月到2011年8月期間，壩前水位在2043～2060m之間變化，依據(jù)滲壓計(jì)測值水頭換算，換算水頭為2068～2096m，均高于壩前水位值。因此，判斷該測值為心墻孔隙水壓力。2011年8月份后，壩前水位急劇增加，3支滲壓計(jì)的測值也緩慢變大，P-36、P-63與壩前水位有較好的相關(guān)性。截至2012年1月，隨著壩前水位的下降，3支滲壓計(jì)測值都趨于減小，并都穩(wěn)定在440kPa左右。而將該值換算成水頭值，約為2094m，該值和同時(shí)期的壩前水位較符合。

原因分析：在2011年8月份之前，各測點(diǎn)孔隙水壓力值變化規(guī)律和以上P-58的變化規(guī)律基本相同。該部位3支滲壓計(jì)后期隨著壩前水位的增加，其測值又緩慢增加，直至3個(gè)滲壓計(jì)測值換算水頭都與上游水位相符。因此，初步分析該埋設(shè)滲壓計(jì)部位在大壩蓄水后已經(jīng)與上游壩內(nèi)水體貫通。

圖4 大壩2048m高程心墻上游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

從2048m高程面的下游側(cè)滲壓計(jì)測值變化曲線圖（圖5）可以看出，3支滲壓計(jì)埋設(shè)于2010年7月份，從2010年10月份開始緩慢增大，在2011年4月份達(dá)到一個(gè)極值，之后測值就開始緩慢減小，并未隨著后期壩前水位的變化而變化。

原因分析：下游側(cè)3支滲壓計(jì)測值并未受到壩前水位變化的影響，其變化規(guī)律遵從以上P-58的變化規(guī)律。與2031m高程面的P-58相比，其上覆荷載比P-58小，但其產(chǎn)生的孔隙水壓力卻比P-58大1倍以上。因此，分析心墻內(nèi)的孔隙水壓力并非只受上覆荷載影響，還與填筑料的含水率等有關(guān)。下游側(cè)3支滲壓計(jì)的變化規(guī)律也揭示了心墻內(nèi)孔隙水壓力變化的一般規(guī)律，與以上P-58的變化規(guī)律相符，即大壩心墻內(nèi)滲壓計(jì)在埋設(shè)之后，根據(jù)施工進(jìn)度，其測值有約3個(gè)月的滯后期，隨后，隨著大壩的填筑，其孔隙水壓力也逐漸增大，根據(jù)其上部荷載情況達(dá)到一個(gè)極值，然后開始慢慢消散。該部位測值同時(shí)也說明了大壩心墻的防滲效果良好。

圖5 大壩2048m高程心墻下游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

從2078m高程面的上游側(cè)滲壓計(jì)測值變化曲線圖（圖6）可以看出，該高程滲壓計(jì)埋設(shè)后，隨著大壩的填筑，其測值也在緩慢增加。2011年8月份，壩前水位開始超過2078m，而此時(shí)3支滲壓計(jì)的測值也開始快速增加，直到2011年11月份，其測值隨著壩前水位達(dá)到峰值，隨后開始隨壩前水位緩慢減小。到2012年1月底，3支滲壓計(jì)的測值基本都穩(wěn)定在160kPa左右。將該值換算成水頭值約為2094m，而該值與同時(shí)期的壩前水位值也比較相符。

原因分析：在2011年8月份之前，各測點(diǎn)孔隙水壓力值較穩(wěn)定，但后期隨著壩前水位的增加，其測值增加較快，直至3個(gè)滲壓計(jì)測值換算水頭都與上游水位相符。因此，分析該部位滲壓計(jì)已經(jīng)與上游壩內(nèi)水體貫通。

圖6 大壩2 078m高程心墻上游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

從2078m高程面的下游側(cè)滲壓計(jì)測值變化曲線圖（圖7）可以看出，下游側(cè)3支滲壓計(jì)測值都偏小，并且很穩(wěn)定，最大值不超過20kPa。

原因分析：位于下游側(cè)的3支滲壓計(jì)測值很小，其原因?yàn)樵摑B壓計(jì)與下游側(cè)透水性良好的過渡料層距離較近，內(nèi)部孔隙水較易消散，因此孔隙水壓力值較小。這也說明大壩心墻防滲效果很好，壩前水體未滲透到該部位。

圖7 大壩2078m高程心墻下游側(cè)孔隙水壓力變化曲線圖

4.3大壩填筑影響

從圖5可以看出，從2010年4月填筑到EL2031m至2011年6月底，大壩填筑到EL2136m,大壩整體填筑速率較平穩(wěn)。但從圖上兩條豎線處可以看出，即在2011年1月底前大壩填筑速率較快，而在之后，填筑速率明顯降低。從兩條豎線處的孔隙水壓力斜率來看，孔隙水壓力增長速率也明顯減緩。因此，施工速率和孔隙水壓力的增長基本成正相關(guān)。

4.4心墻黏土料物理參數(shù)影響

對心墻內(nèi)三個(gè)高程面的黏土料，取該高程面多個(gè)部位的黏土料的物理參數(shù)進(jìn)行平均，得出以下各高程面物理參數(shù)表，見表1。

由表1可以看出，EL2048m的含水率較其它部位偏高，小于5mm顆粒含量也偏高。又因?yàn)镋L2048m部位的滲壓計(jì)埋設(shè)時(shí)期為7月份，正值當(dāng)?shù)氐挠昙荆鳨L2031m施工時(shí)為4月份，雨水很少（見表2），雨水因素也增加了EL2048m高程面上的粘土的含水率，這也與EL2048m產(chǎn)生了較大的孔隙水壓力相對照。

表1 大壩三個(gè)高程面上心墻料物理參數(shù)表

表2 壩區(qū)多年平均月降雨統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

（1）對于土石壩心墻，隨著大壩的填筑、礫石土密實(shí)度的增加，心墻內(nèi)部將形成孔隙水壓力。

（2）該孔隙水壓力的大小，在上覆荷載相同時(shí)，最主要的決定因素是上壩土料的含水率。

（3）該孔隙水壓力將根據(jù)上覆荷載及上壩土料的含水率等物理參數(shù)指標(biāo)的不同而達(dá)到一個(gè)相應(yīng)的極限值，隨后，該壓力值將會開始慢慢消散。

（4）心墻內(nèi)部觀測到的壓力值有孔隙水壓力和與壩前水位貫通后的水頭壓力之分，需分別進(jìn)行分析。

（5）為了大壩心墻的安全，應(yīng)在大壩心墻內(nèi)部不同部位增設(shè)滲壓計(jì)數(shù)量，以便觀測壩前水位對心墻的滲透深度。

1 潘家錚. 土石壩[M]. 北京：水利電力出版社，1981.

2 陳宗梁. 世界超級高壩[M]. 北京：中國水利水電出版社，1998.

3 陳立宏，陳祖煜，張進(jìn)平等. 小浪底大壩心墻中高孔隙水壓力的研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2005，36（2）：219-223.

4 陳繼平，曹林曦，劉明華等. 礫石土心墻堆石壩施工期孔隙水壓力分析[J]. 巖土力學(xué)，2008，29（增）：176-180.

5 司洪洋. 土石壩施工期的孔隙壓力觀測[J]. 大壩觀測與土工測試，2000，24（4）：1-4.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.026

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1672-2469（2014）02-0094-04

吳國曉（1981年- ），男，工程師。