易進(jìn)棟，徐光明，朱大錚

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

面板堆石壩墊層渡汛離心模型試驗(yàn)研究

易進(jìn)棟，徐光明，朱大錚

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

西北口水庫(kù)大壩是我國(guó)建設(shè)的第一座百米級(jí)鋼筋混凝土面板堆石壩，其百年一遇洪水渡汛水位降落幅度21.63 m，水位驟降速度最大可達(dá)3.65 m/h。面板尚未澆筑前的堆石壩體需臨時(shí)攔洪渡汛，壩體墊層既起面板墊層作用，還要保證堆石壩體安全渡汛，水位驟降對(duì)墊層將產(chǎn)生拖拽力作用，影響到墊層的穩(wěn)定性。本文通過面板堆石壩墊層渡汛離心模型試驗(yàn)，對(duì)不同滲透性墊層安全渡汛進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究成果被西北口面板堆石壩工程施工期安全渡汛設(shè)計(jì)采納，為面板壩工程建設(shè)特別是施工期安全渡汛提供了技術(shù)支撐。

土工離心模型試驗(yàn)；模型壩；墊層安全渡汛；水位驟降速度；墊層滲透性

1 研究背景

西北口水庫(kù)工程位于湖北宜昌上游長(zhǎng)江支流黃柏河?xùn)|支中游，距葛洲壩三江船閘46 km，控制流域面積862 km2，回水變動(dòng)區(qū)區(qū)域長(zhǎng)約25 km，總庫(kù)容2.1億m3。西北口水庫(kù)以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪等綜合效益。按西北口水庫(kù)大壩百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)最大洪峰流量3 520 m3/s，3 d入庫(kù)洪水總量達(dá)2.61×108m3。由于庫(kù)區(qū)屬山區(qū)性河流，洪水猛漲陡落，按施工調(diào)洪演算表明：從百年一遇洪水渡汛最高水位295.43 m下降至273.8 m，水位降落幅度計(jì)21.63 m，水位下降平均速度1.2 m/h，水位驟降最大速度可達(dá)3.65 m/h。

大壩上、下游壩坡坡度均為1∶1.4，壩頂寬8 m，最大壩高95 m，壩頂長(zhǎng)216 m，壩體堆石填筑方量1.62×106m3，面板混凝土方量1.27×104m3、防滲覆蓋面積2.84×104m2。壩體填筑分三區(qū)，即壩體堆石區(qū)、過渡層及墊層區(qū)。面板堆石壩工程施工期間，尤其是面板尚未澆筑時(shí)的堆石壩體需臨時(shí)攔洪渡汛，壩體墊層既要起永久的面板墊層作用，還要起施工期臨時(shí)防滲渡汛作用。水位驟降對(duì)墊層將產(chǎn)生拖拽力作用，嚴(yán)重時(shí)可危及墊層安全，進(jìn)而影響大壩工程施工。為此，本文進(jìn)行了不同水位驟降速度下不同滲透性墊層的離心模型試驗(yàn)，研究水位驟降時(shí)墊層的穩(wěn)定性及可能發(fā)生的滲流沖刷破壞。

滲透系數(shù)k值較大的砂石墊層料具有良好的抵抗?jié)B流沖蝕能力［1-2］，水位驟降會(huì)對(duì)墊層產(chǎn)生拖拽力作用。對(duì)于滲透系數(shù)較小的墊層，滯留于孔隙中的水不能及時(shí)排出而形成較高的孔隙水壓力，可能降低其抗沖蝕能力并可導(dǎo)致坍坡。但只要墊層滲流保護(hù)措施適當(dāng)，在墊層料滲流系數(shù)為1.3×10-3～1.4×10-2cm/s的條件下，墊層可以承受較高滲透坡降而不被破壞。

2 離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1相似基本原理根據(jù)離心機(jī)容許的模型徑向尺寸Lm和原型尺寸Lp確定模型率n（n=Lp/Lm），根據(jù)模型率n確定模型試驗(yàn)加速度am。原型面板堆石壩的壩料重度γp=ρpg，模型壩的壩料重度γm=ρmam，保證模型壩點(diǎn)位應(yīng)力σm與原型壩相應(yīng)點(diǎn)位應(yīng)力σp相似，即σm=σp。由于有σm=ρmamLm, σp=ρpgLp，則可得：

式中：am為試驗(yàn)加速度；g為重力加速度；ρm、ρp分別為模型壩料和原型壩料的密度。

本文離心模型試驗(yàn)的模型壩試驗(yàn)材料采用與原型壩相同質(zhì)量密度的壩料，即：ρm=ρp。當(dāng)am=nap=ng時(shí)，即有σm=σp成立。

模型幾何尺寸為原型的1/n，作用在模型上的體積力增加n倍，這樣在相同的原型壩與模型壩材料及邊界應(yīng)力條件下，模型壩與原型壩在各相應(yīng)點(diǎn)位上的應(yīng)力應(yīng)變相同，模型壩反映原型壩應(yīng)力變形性狀。這為土工離心模型試驗(yàn)的基本原理。

2.2水位驟降試驗(yàn)相似比尺本文墊層渡汛離心模擬試驗(yàn)幾何比尺Cl=n（模型率）及時(shí)間比尺Ct（水位驟降歷時(shí)），從量綱分析［3-4］并根據(jù)相似準(zhǔn)則有：

按相似準(zhǔn)則

即得時(shí)間比尺

式中：V為蓄水容積；H為水深；A為排水孔面積；g為重力加速度；t為驟降歷時(shí)。

根據(jù)時(shí)間比尺和水位驟降速度，就可計(jì)算出模型從渡汛最高水位下降至低水位所需的控制時(shí)間［5］。

2.3模型壩面板堆石壩墊層渡汛離心模型試驗(yàn)，模擬了大壩渡汛斷面的上游2/3部分壩體（見圖1所示的80 m×45 m的上游部分壩體），模型壩設(shè)計(jì)斷面見圖2所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐蕁取160，試驗(yàn)離心加速度160 g。模型壩堆石和墊層料采用原型壩白云質(zhì)灰?guī)r與炭質(zhì)灰?guī)r粗、細(xì)石料，經(jīng)粉碎、過篩并按圖3級(jí)配曲線摻和配制，模型壩堆石料抗剪強(qiáng)度φ=40°、c=25 kPa，墊層料抗剪強(qiáng)度φ=43.5°、c=0。

墊層渡汛離心模型試驗(yàn)比較了墊層料滲透系數(shù)對(duì)墊層安全性的影響，試驗(yàn)中建置了3組模型壩，分別采用3種滲透系數(shù)的墊層料，模型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 西北口面板堆石壩渡汛斷面（單位：m）

圖2 墊層渡汛離心模型試驗(yàn)壩斷面（單位：cm）

3 模型試驗(yàn)及成果分析

3.1模型試驗(yàn)將3組模型試驗(yàn)壩分別置于土工離心機(jī)模型箱進(jìn)行水位驟降墊層渡汛離心模型試驗(yàn)。3種不同滲透系數(shù)的墊層渡汛離心模型試驗(yàn)壩前水位驟降速度分別是極速驟降（16.2 m/h）、百年一遇洪水快速驟降（3.65 m/h）及勻速驟降（1.2 m/h），旨在了解水位驟降速度、墊層滲透系數(shù)與墊層破壞的關(guān)系及機(jī)理。

表1 模型設(shè)計(jì)制作參數(shù)

圖3 原型壩及模型壩材料顆粒級(jí)配曲線

水位驟降墊層渡汛離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜陔x心力場(chǎng)后的試驗(yàn)過程可分為3個(gè)階段：（1）水位驟降前將離心加速度提高到160 g，觀測(cè)模型壩壩體和壩前水位穩(wěn)定狀況，在模型壩前水位達(dá)到渡汛水位穩(wěn)定后進(jìn)行下一步試驗(yàn)；（2）在160 g離心加速度下壩前渡汛水位穩(wěn)定后，由計(jì)算機(jī)指令開啟閥門水位下降并以每秒一次的速率記錄傳感器測(cè)定的水位變化過程，試驗(yàn)過程中由高速攝影系統(tǒng)跟蹤拍攝觀測(cè)壩體及其墊層的變化過程。其中模型壩前水位極速驟降（16.2 m/h）過程線見圖4；（3）水位驟降中后期，水位驟降完成后15 min內(nèi)繼續(xù)高速攝影系統(tǒng)拍攝記錄壩體及墊層的穩(wěn)定情況，停機(jī)后吊出模型壩，實(shí)測(cè)并拍攝墊層穩(wěn)定及破壞情況。

圖4 極速水位驟降過程線

圖5 模型壩墊層面沖刷和堆積（單位：×10cm）

3.2試驗(yàn)結(jié)果

（1）極速驟降模型試驗(yàn)。水位驟降前離心加速度達(dá)到160 g時(shí)，模型壩及墊層穩(wěn)定完好。壩前水位驟降速度達(dá)16.2 m/h，即在80 min內(nèi)驟降21.63 m，極速驟降試驗(yàn)?zāi)康闹荚诟?、更全面了解壩體墊層沖刷破壞與水位驟降速度的數(shù)量級(jí)關(guān)系。

在水位極速驟降的中后期結(jié)束時(shí)，墊層Ⅰ和墊層Ⅱ兩組模型壩的墊層發(fā)生滲透沖刷破壞，墊層Ⅰ模型壩墊層坡面中部發(fā)生嚴(yán)重沖刷坍塌破壞。墊層Ⅱ模型壩驟降后期的墊層也發(fā)生明顯沖刷變形，墊層下半部位發(fā)生大面積滲流沖刷破壞，局部墊層沖刷破壞深度1.0～3.0 m，墊層底部形成坍方堆積區(qū)的最大堆高達(dá)3.0 m，墊層坡面大面積滲流沖刷破壞情況見圖5。墊層Ⅲ模型壩墊層料滲透系數(shù)k=1.4× 10-2cm/s，即墊層透水性好，在水位極速驟降試驗(yàn)后，模型壩墊層未產(chǎn)生明顯變形也無破壞征兆。

（2）百年一遇洪水快速驟降模型試驗(yàn)。西北口面板堆石壩百年一遇洪水施工調(diào)洪演算水位降落幅度可達(dá)21.63 m，水位快速驟降可達(dá)3.65 m/h。在水位快速驟降（3.65 m/h）后期和結(jié)束時(shí)發(fā)生模型壩墊層的滲透沖刷破壞，墊層Ⅰ模型壩墊層料透水性較差，墊層坡面中部發(fā)生沖刷坍塌破壞，墊層坡面滲流沖刷情況與圖5類似。在水位快速驟降試驗(yàn)完成后的墊層Ⅱ模型壩和墊層Ⅲ模型壩的墊層未產(chǎn)生明顯變形也沒有破壞征兆。

（3）百年一遇洪水勻速驟降模型試驗(yàn)。西北口面板堆石壩百年一遇洪水施工調(diào)洪演算得到水位勻速驟降速度是1.2 m/h，在此水位驟降速度情況下的墊層Ⅰ、墊層Ⅱ和墊層Ⅲ3組模型壩墊層均沒有明顯變形也沒有滲流沖刷破壞。

試驗(yàn)研究表明：壩前水位驟降速度及其墊層滲透性是影響面板壩墊層安全渡汛的重要因素，墊層Ⅰ、墊層Ⅱ和墊層Ⅲ的3組模型壩在試驗(yàn)設(shè)定的3種水位驟降速度下的墊層變形和破壞情況匯總于表2。

3.3試驗(yàn)成果分析不同滲透系數(shù)（1.0×10-4cm/s、1.3×10-3cm/s、1.4×10-2cm/s）的砂石墊層（墊層Ⅰ、墊層Ⅱ、墊層Ⅲ）在3種壩前水位驟降速度下的墊層渡汛離心模型試驗(yàn)結(jié)果表明，僅有滲透性好（i× 10-2cm/s）的砂石墊層在壩前水位極速驟降（16.2 m/h）時(shí)方可安全渡汛；中等滲透性（i×10-3cm/s）的砂石墊層在百年一遇洪水快速驟降（3.65 m/h）也無破壞性影響；透水性欠佳即滲透系數(shù)較小（i×10-4cm/s）的砂石墊層在百年一遇洪水勻速驟降（1.2 m/h）也可安全渡汛。試驗(yàn)結(jié)果分析得到的墊層安全渡汛等級(jí)如表3所示。

表2 墊層渡汛水位驟降試驗(yàn)結(jié)果

表3 墊層安全渡汛等級(jí)

4 結(jié)論

為了探索面板堆石壩直接擋水安全渡汛的可行性，以西北口面板堆石壩為依托工程進(jìn)行了墊層渡汛水位驟降離心模型試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：（1）模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，滲透系數(shù)i×10-3cm/s級(jí)的砂石墊層在百年一遇洪水最大速度水位驟降時(shí)可以安全渡汛，試驗(yàn)結(jié)果被西北口面板堆石壩工程設(shè)計(jì)采納。設(shè)計(jì)認(rèn)同在墊層滲流系數(shù)為1.3×10-3～1.4×10-2cm/s條件下，墊層料可以承受較高的滲透坡降即水位快速驟降而不會(huì)被破壞。（2）通過面板堆石壩墊層渡汛離心模型試驗(yàn)研究，取得了不同類別滲透性的面板壩墊層的渡汛安全等級(jí)，離心模型試驗(yàn)可以節(jié)省昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)用，而且得到了西北口面板堆石壩工程的驗(yàn)證，本文試驗(yàn)成果可供工程設(shè)計(jì)和施工人員在面板堆石壩工程墊層設(shè)計(jì)及施工中參考。

［1］ 謝定松，蔡紅，等.庫(kù)水位快速變動(dòng)條件下心墻壩上游壩殼自由水面線變化規(guī)律研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（9）：1568-1573．

［2］ 時(shí)鐵城，阮建飛，等.庫(kù)水位驟降情況下土石壩壩坡穩(wěn)定分析［J］.人民黃河，2014，36（2）：93-97．

［3］ BUTTERFIELD R.Dimensional analysis for geotechnical engineers［J］.Geotechnique，1999，49（3）：357-366.

［4］ SEDOV L I.Similarity and Dimensional Methods in Machanics［M］.New York：10thEdition.CRC Press，1993.

［5］ 陳曉平，黃井武，等.庫(kù)岸古滑坡離心模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（10）：1496-1503．

［6］ 酈能惠.高混凝土面板堆石壩新技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007．

［7］ 中國(guó)水利學(xué)會(huì)施工專業(yè)委員會(huì)面板堆石壩學(xué)組，等．混凝土面板堆石壩會(huì)議論文集［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1990．

［8］ 朱維新，易進(jìn)棟.西北口水庫(kù)混凝土面板堆石壩離心模型試驗(yàn)研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，1990．

［9］ 徐光明，章為民.離心模型中的粒徑效應(yīng)和邊界效應(yīng)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18（3）：80-86．

Centrifugal model tests on the flood retaining scheme using cushion layer of a slab faced rockfill dam

YI Jindong，XU Guangming，ZHU Dazheng
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Xibeikou concrete faced rockfill dam is the first case of such a type of dam with a height of 100 meters.The drawdown of reservoir level prior to a flood with a reoccurrence of 100 years reaches a magnitude of 21.63 m，and the maximum rate of drawdown is about 3.65 m/h.Before casting the concrete slabs，the flood should be retained by the filled dam.The cushion material，which serves as a foundation of concrete slabs and is responsible for the safety during flood season，is subject to the drag of seepage force during drawdown of the reservoir level，and its stability needs careful verification.In this study，cen?trifugal model tests were conducted on flood retaining schemes using cushion materials with different permea?bility.These experimental results have been adopted in controlling the flood during construction of the dam，and have provided technical support for the safety of dam during flood seasons.

geotechnical centrifugal model tests；model dam；flood retaining using cushion materials；draw?down of reservoir level；permeability of cushion materials

TU411

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.010

1672-3031（2017）01-0065-05

（責(zé)任編輯：韓 昆）

2016-04-20

國(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目（75-17-1-3-2）；南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研基金項(xiàng)目（Y315011）

易進(jìn)棟（1958-），男，江蘇南通人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事土工離心模型試驗(yàn)研究、水庫(kù)防水堵漏及防冷凝水等研究。E-mail：jdyii2008@163.com