瀑布沟堆石坝砾石土心墙施工期孔隙水压力特征与分析

第30卷第4期岩石力学与工程学报V ol.30 No.4 2011年4月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2011瀑布沟堆石坝砾石土心墙施工期孔隙水压力特征与分析郑俊，邓建辉，杨晓娟，陈向浩，吕洪旭，黄秋香(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065)摘要：土石坝施工期孔隙水压力长消过程十分复杂，以瀑布沟心墙监测资料为基础，分析施工期砾石土心墙的孔隙水压力特征及其形成机制，并与小浪底坝和鲁布革坝监测资料进行对比分析。

研究结果表明：瀑布沟心墙施工期孔隙水压力长消主要有4种模式，即滞后响应型、即时响应型I、即时响应型II、不响应型；即时响应型II是最主要的长消模式；渗压计响应滞后的实质是渗压计周围土料从非饱和状态过渡到饱和状态的过程；渗透系数是影响渗压计是否滞后的决定性因素；即时响应型I长消模式是心墙局部含水量偏高的结果，施工过程中应尽量使心墙含水量均匀，避免产生即时响应型I长消模式；填筑速率对滞后响应型和即时响应型II孔隙水压力的长消影响显著，而对即时响应型I孔隙水压力长消影响不显著。

因此，设计和研究砾石土心墙坝应高度重视砾石土的不均质性。

关键词：土力学；孔隙水压力；长消模式；砾石土心墙；不均质性；施工期；监测中图分类号：TU 43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)04–0709–09 CHARACTERISTICS AND ANALYSIS OF PORE WATER PRESSURES IN GRA VELLY SOIL COREWALL OF PUBUGOU ROCKFILL DAM DURINGCONSTRUCTION PERIODZHENG Jun，DENG Jianhui，YANG Xiaojuan，CHEN Xianghao，LU Hongxu，HUANG Qiuxiang (State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu，Sichuan610065，China)Abstract：The growth and dissipation process of pore water pressure in rockfill dams during construction period is very complex. Based on the monitoring data of Pubugou corewall，the characteristics and forming mechanism of pore water pressure during the construction period are analyzed. In addition，the comparative analyses between Pubugou dam，Xiaolangdi dam and Lubuge dam are made. The results show that：(1) The growth and dissipation modes of pore water pressure in Pubugou corewall during the construction period contain four modes which are delay-response mode，immediate-response mode I，immediate-response mode II and no-response mode. (2) The immediate-response mode II is the main growth and dissipation mode. (3) The essence of delayed response of piezometers is the process that the soil around the piezometers changes from nonsaturated state to saturated state.(4) The permeability coefficient of soil is the determinant factor of the delay response of piezometers. (5) The immediate-response mode I is the result of the more high water content in local corewall；so，in order to avoid the immediate-response mode I，the water content of corewall should keep uniformity during the construction period.(6) Filling rate has significant effects on pore water pressure of the delay-response mode and immediate-response收稿日期：2010–08–24；修回日期：2011–01–12基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2010CB226802，2010CB732005)；国家自然科学基金资助项目(51079093)作者简介：郑俊(1987–)，男，2009年毕业于四川大学水电学院，现为硕士研究生，主要从事岩土工程监测及反馈分析方面的研究工作。

E-mail：• 710 • 岩石力学与工程学报2011年mode II；and the effect on the immediate-response mode I is not obvious. The heterogeneity of gravelly soil should be paid high attention during the design and research stages of rockfill dams of gravelly soil corewall.Key words：soil mechanics；pore water pressure；mode of growth and dissipation；gravelly soil corewall；heterogeneity；construction period；monitoring1 引言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且具有自愈作用、可减少含水量处理的困难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，多采用砾石土作为防渗料，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逐步为国内设计者所认可，如已建成的鲁布革堆石坝(高103 m)和瀑布沟堆石坝(高186 m)、在建的糯扎渡堆石坝(高261.5 m)、规划建设的双江口堆石坝(高314 m)等[1-3]。

土石坝防渗料在上坝碾压时其饱和度一般达到90%以上，心墙填筑过程中，孔隙水压力的消散能力不足，高心墙坝在施工期容易产生高孔隙水压力。

高孔隙水压力的存在，导致心墙中有效应力降低，从而影响坝体的稳定和强度[4-5]。

因此，对高堆石坝施工期孔隙水压力的研究一直备受关注。

然而，由于国内已建成的心墙堆石坝防渗料主要是黏土，现有的孔隙水压力研究成果主要是针对黏土心墙堆石坝。

如陈立宏等[6]利用有限元固结程序对小浪底大坝进行了二维应变固结分析，结合小浪底的实测资料，发现计算的最大值小于实测最大值以及计算消散速度大于实测的消散速度，推断可能的原因是施工中细料含量过高，渗透系数小于计算采用的渗透系数。

陈祖煜[4]指出土石坝防渗体系在施工期处于非饱和状态，孔隙水压力的产生和消散是一个非常复杂的过程，影响孔隙水压力的因素有填筑的含水量、上覆荷载、排水条件、施工过程和速率、土料本身的压缩、渗透性能等。

陈继平等[7]结合瀑布沟早期施工期的监测资料，得出了上坝土料的含水量和施工速率对堆石坝施工期孔隙水压力均有影响，且前者是决定性影响因素的结论，但其并没有把砾石土心墙同黏土心墙区分开，未能针对砾石土不均质性进行深入研究。

影响心墙孔隙水压力的因素众多而复杂，此外，我国砾石土心墙高坝的建设刚刚起步，原型监测资料不多，直接影响了对砾石土心墙施工期孔隙水压力特征与机制的认识深度。

笔者有幸参与了瀑布沟心墙堆石坝的整个填筑过程，获得了大量的现场资料。

本文以监测资料为基础，分析施工期砾石土心墙的孔隙水压力特征与形成机制，并与小浪底坝和鲁布革坝监测资料进行对比分析，以期更深入理解砾石土心墙的孔隙水压力特征及其形成机制，为同类工程提供参考。

2 工程概况与监测布置2.1 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。

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2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。

坝基为砂卵石覆盖层，最大厚度77.9 m[8]。

自2007年4月20日开始坝体心墙填筑，起填高程为670 m，经过约29个月的填筑，2009年9月填筑到顶；2009年11月1日下闸蓄水。

在大坝填筑过程中，利用心墙中埋设的振弦式渗压计监测心墙孔隙水压力，据此控制施工速率，避免过高的孔隙水压力产生水力劈裂和过低的有效应力影响坝体的稳定性。

2.2 心墙砾石土性状简介瀑布沟大坝心墙砾石土采用黑马I区洪积亚区剔除粒径大于80 mm后的砾石土料，土料为灰黄色砾石土和浅灰色砾石土，其性状相似，颗粒分布属宽级配的粗粒土。

对瀑布沟大坝心墙原状土试验检测成果统计结果为：干密度为2 120～2 470 kg/m3，平均值为2 380 kg/m3；全料含水量为3.3%～10.1%，平均6.49%；细料(粒径小于5 mm)含水量为8.7%～11.9%，平均为10.5%；粒径大于5 mm的土粒含量第30卷 第4期 郑 俊等：瀑布沟堆石坝砾石土心墙施工期孔隙水压力特征与分析 • 711 •为24.9%～65.7%，平均为48.4%；小于0.075 mm 含量为11.0%～51.7%，平均为22.9%；小于0.005 mm 含量为6.2%～9.2%，平均为7.7%；细料的最大 干密度为2 050～2 200 kg/m 3，平均为2 100 kg/m 3；细料的压实度100%～108%，平均为101.8%；竖直 方向的渗透系数为5.7×10－9～9.9×10－8 m/s ，平均为7.3×10－8m/s ；水平方向渗透系数为 2.9×10－8～7.7×10－7 m/s ，平均为3.1×10－7 m/s 。