水布垭水利枢纽若干土力学问题研究（李青云,郭熙灵,程展林,张家发）

摘要: 水布垭心墙堆石坝约需填筑350万m3 防渗料，经勘察分析，决定采用坝下游庙王沟碎石土和龙王冲风化页岩，为论证这种材料能否作为心墙防渗料，曾进行了专门的室内试验和现场碾压试验。重点介绍了水布垭大坝筑坝材料的工程特性、河床覆盖层利用、200m级面板堆石坝应力应变分析和防渗系统等关键技术问题的研究成果。这些研究成果对水布垭大坝顺利建成蓄水和可靠运行十分重要。

关 键 词: 堆石料;过渡料;土力学;应力应变分析;渗透稳定;面板堆石坝

中图分类号: TU41 文献标识码: A

1 概述

长江科学院对水布垭水利枢纽的土工问题进行了10余年的研究，在坝型比选、设计和施工阶段全过程中进行了一系列研究工作，有效地解决了相关的工程技术问题。研究工作包括心墙防渗料的级配特征［1］、反滤设计标准及现场碾压参数［2～4］ 、堆石体流变特性［5，6］ 、堆石体分区优化及软岩利用、河床覆盖层利用、大坝填料本构关系［7］ 、200m级面板堆石坝应力应变分析和防渗系统等关键技术问题［9，10］ 。这些研究成果不仅对水布垭大坝顺利建成蓄水和可靠运行十分重要，对其它类似工程也有一定的参考价值。

2 坝型比选阶段的土工试验研究

水布垭工程预可研报告确定了高土石坝方案，鉴于水布垭坝址地形、地质和建材等条件，认为适合兴建心墙堆石坝或面板堆石坝，要求将混凝土面板堆石坝与心墙堆石坝进行比选。其中，面板坝方案坝高为233m，是世界上最高的面板坝;心墙坝高为227m，为当时亚洲之最。

在坝型比较阶段，心墙堆石坝曾是代表性坝型之一，心墙防渗料拟采用坝下游的庙王沟碎石土和龙王冲风化页岩。为论证这种材料能否作为心墙防渗料，曾进行了专门的室内试验和现场碾压试验。

2.1 心墙堆石坝宽级配防渗料室内试验研究

水布垭心墙堆石坝约需填筑350万m3 防渗料，由于坝址附近缺乏防渗性能较好的粘性土料，经勘察分析研究后，拟用龙王冲风化页岩料和庙王沟碎石土料作防渗料。与国内外同类工程相比，龙王冲页岩风化料和庙王沟碎石土料颗粒偏粗、级配宽、不均匀系数大，页岩风化料中细料偏少。

对页岩风化料及碎石土料开展了大量系统的室内试验研究工作，得出的主要结论为:庙王沟碎石土料及龙王冲页岩全风化料均属良好防渗料;龙王冲页岩强风化（上带）料不宜单独作防渗料使用，与全风化料掺合后方可用于防渗体。为保证心墙的渗透稳定，在心墙两侧应设置反滤层。

当时对于宽级配土料的反滤设计尚无公认的可靠方法。针对水布垭宽级配防渗料，通过分析心墙料的防渗特性，选取碎石土、页岩全风化带、强风化带上带和混合料作为代表性心墙料，初拟心墙反滤料级配，进行反滤料渗透试验、心墙料与反滤料接触试验、反滤保护下心墙裂缝自愈试验、反滤保土试验及冲刷自愈试验，给出了适合水布垭大坝宽级配防渗料的反滤设计标准，并研究了反滤设计方法。

水布垭大坝心墙防渗料不仅级配宽而且变化大，包容了可作防渗料的各种宽级配料。为此，研究成果D15 =0.5～1mm（平均0.6mm）可作为一般宽级配防渗料的反滤设计准则。在反滤保土试验中，提出了平抛风干细料的试验方法，较之谢纳德的浓泥浆试验更为方便快捷。在此基础上选定适合水布垭大坝心墙防渗料的反滤层。

2.2 心墙堆石坝防渗料现场碾压试验研究

由于风化料级配不稳定及室内试验级配模拟上的不足，室内试验成果在反映风化料力学性质时有一定局限性。为深入了解风化料和碎石土作为心墙防渗料的可靠性，又专门开展了现场碾压试验研究。

现场碾压试验研究的目的是了解并验证拟选材料作为心墙防渗料的适用条件及可靠性，同时为设计选定压实标准及初步确定碾压参数提供依据。

现场碾压试验主要研究内容包括，以龙王冲料场强风化上带料、全风化与强风化上带混合料（考虑了1～2种混合比）以及庙王沟料场碎石土料为对象，考虑了2～3种含水量和2～3种铺层厚度，用选定的碾压机具进行碾压，研究了材料的级配、压实和渗透等特性。

根据现场碾压试验结果，认为风化料和碎石土用作水布垭大坝的心墙防渗料是可行的，但就当时的条件，强风化上带料不宜单独使用，必须掺入20%以上全风化料。水布垭心墙防渗料的最大粒径为150mm，碾压前后粒径小于5mm的防渗料含量不得低于30%和35%;填筑含水量应控制在最优含水量或略偏湿状态下;建议渗透系数取值不大于###5×10-5 cm/s，临界比降设计值取4。为了保证心墙料满足使用要求，填筑施工时应采用18t以上凸块振动碾，每层铺土厚度小于40cm，并碾压8遍以上。另外在设计施工中必须采取充分措施防止风化料不均匀性可能造成的不利影响。

综合研究结果表明:页岩风化料作为心墙防渗料是可行的，特别是全、强上混合料，防渗性能更可靠;但应注意强风化上带料的不均匀性，控制好全风化料的掺入量、级配、含水量，并充分压实以保证其满足防渗要求。庙王沟碎石土料具有良好的压实性，是一种理想的心墙防渗料。

此外，还针对心墙堆石坝坝型进行了大量渗控研究，曾为坝型比选提供了科学依据。

3 河床覆盖层利用问题研究

根据水布垭水利枢纽工程总体设计，坝址上、下游100～150m的河床近覆盖层将挖除，其余河床覆盖层保留，经强夯处理后作为坝基。由于受自然条件限制，前期对河床覆盖层的勘探精度不高。为掌握河床覆盖层分布特点，经业主、设计、监理、施工等单位共同研究决定利用强夯试验加大对河床覆盖层勘探力度。为确定强夯施工参数和质量控制标准，根据现场实际情况，先在强夯区下游（纵0+160～纵0+190）进行强夯试验，然后根据试验结果对强夯施工区采用合理参数进行处理。

强夯试验及施工检测自2002年12月10日进场至2003年3月退场，共计完成干密度及颗粒分析29组，原位渗透试验10组，超重动力触探27孔，进尺201.3m，旁压试验23孔，旁压测试点91个，面波测试测点33个。

根据强夯试验及施工检测成果，河床砂卵石层经强夯处理后，在夯击面以下4m深度内土层密度、承载力有了较大幅度的提高，渗透系数减小了一个数量级以上，土层性质有了较好的改善，工后沉降量大大减小。研究结论是河床砂卵石层的加固处理施工满足设计要求，可起到加固效果，为此保留了10万m3 河床天然砂卵石，大大节约了工程成本，缩短了工期，为大坝安全度汛赢得了时间。

4 面板堆石坝的填料特性试验研究

水布垭面板堆石坝的填料包括堆石料、过渡料及垫层料。堆石料为茅口组、栖霞组、龙潭组灰岩，过渡料和垫层料采用茅口组灰岩制备。主堆石料的最大粒径为600～800mm，垫层料的最大粒径为40～60mm。试验用料的模拟方法为混合法。

对水布垭面板堆石坝的填料进行了一系列常规和非常规的土工试验，重点研究了填料的密度、填筑标准、填料压缩变形特性、填料的强度及应力应变关系、垫层料的渗透及渗透变形特性，获得了一批重要成果，如初步确定了除龙潭组上段外其余均可作为大坝填料，提出了堆石坝各区填料施工控制密度、各种填料的设计指标（包括压缩性、强度、本构模型参数、抗渗性等），抗渗结构形式等等。

4.1 填料的密度试验及填筑标准的确定

室内压实试验采用了两种方法:重型击实法和表面振动法。根据击实成果，研究了振动法控制标准、加水量对填料压实性的影响、不同填料（岩性、级配）的压实性。最后得出了水布垭面板堆石坝堆石料、过渡料和垫层料的压实控制标准分别为:2.16、2.18t/m3 和2.20t/m3 。

4.2 填料压缩变形特性

重点研究了填料压缩性以及堆石料压缩波动性原因，探讨了压缩试验的合适的径径比。试验表明:竖向应力加大，压缩模量呈增高的趋势。但在所研究的应力范围内（最大应力为6.4MPa）竖向压缩变形会出现波动，这与压缩过程中颗粒的破碎有关。

根据试验结果得出了填料的压缩模量建议值为:主堆石120MPa，次堆石90MPa，过渡料130MPa，垫层料140MPa。

4.3 堆石料蠕变特性研究

有些面板堆石坝建成后，后期变形明显，常引起混凝土面板的开裂。因此，对于高堆石坝，堆石料的蠕变性愈来愈引起坝工界的重视。我们重点探讨了3个问题:①堆石料的蠕变量与时间、蠕变总量与应力状态的关系函数;②蠕变量与应力历史、应力路径的关系;③堆石料蠕变机理。

利用新研制的大型高压应力式三轴仪，针对水布垭面板堆石坝主次堆石料研究了堆石料蠕变变形与时间、应力状态、应力增量及增量过程的关系。试验模拟蠕变过程之长（69d）、应力之高（最大围压2.7MPa）、试验规模之大（试样直径30cm，高60cm）在国内目前尚不多见。

在大量试验资料的基础上，首次提出了水布垭主次堆石料的“九参数”蠕变模型及模型参数，并将这一研究成果应用于水布垭面板堆石坝三维数值分析中。

4.4 填料本构关系参数确定

针对各种填料，进行了不同密度、不同级配料的常规三轴剪切试验、等比例加载试验。试验仪器为中型高压三轴仪，最大试验围压为3.5MPa，试样尺寸为300mm×655mm（直径×高度），试样干密度为1.96～2.30t/m3 。

另外，对于堆石坝的碾压堆石料，剪胀性是其固有特性，我们通过试验着重分析了粗粒料的剪胀性。在试验基础上，给出了水布垭堆石坝填料不同本构模型的模型参数。

4.5 过渡料和垫层料渗透变形试验和渗透稳定性

大坝施工阶段通过检测发现垫层和过渡区实际填筑料由于料源、爆破等因素的影响，其级配、岩性等与设计要求有一定的差距。为此，基于一期填筑实际用料，开展了垫层和过渡区渗透变形特性及反滤保护作用试验研究，并针对坝体可能出现的不利条件进行了渗透稳定性评价。

针对一期填筑料的级配范围，结合各阶段研究成果和后期的补充试验，分析研究了大坝各分区材料的渗透性;针对实际施工的最大断面，通过二维渗流场计算，分析了在面板破损最不利工况下垫层和过渡区中可能出现的最大渗透比降。在分区材料渗流特性比较理想的条件下，即垫层区渗透系数在###10-4 ～10-3 cm/s，过渡区渗透系数在10-2 cm/s以上时，垫层区承担的渗透比降约为105～116，过渡区承担的渗透比降约为0.03～3.36;如果分区材料渗流特性不理想，垫层区渗透系数在10-4 ～10-3 cm/s，但过渡区渗透系数为1×10-3 量级时，垫层区承担的渗透比降在64左右，过渡区承担的渗透比降在21左右;两区渗透性越相近，渗流场的分布越均匀，越不利于坝体的渗透稳定。这些分布规律不仅为坝体渗透稳定评价提供了基础，而且是垫层和过渡料渗透变形及反滤试验设计确定比降试验范围的重要依据。

对实际填筑的垫层料和过渡料的渗透稳定性进行了试验研究。为了试验满足233m高坝运行条件下的比降要求和适应粗粒料渗流试验流量大的特点，研制了高压力、大流量的渗透变形试验装置，对垫层料渗透变形特性进行了补充试验，首次对过渡料的渗透变形特性进行了试验研究。结果表明两者的内部结构欠稳定。因此，过渡料对垫层料的反滤试验不能遵循现有反滤试验规程，而应该直至达到和超过坝体中实际可能出现的最大比降条件后才能说明反滤保护作用是否满足要求。为此，开展了高比降条件下的垫层料和过渡料反滤试验。

综合渗流场分析和试验成果进行了坝体渗透稳定性评价，得出了垫层料和过渡料满足渗透稳定性要求的重要结论，并对填筑用料和密度控制提出了建议，成果为完善和变更设计提供了重要依据。

5 面板堆石坝应力应变分析

坝体变形是高土石坝设计中的关键技术问题之一。有限元应力应变计算是了解各种设计方案下坝体应力和变形的主要手段，因而也成为论证设计方案的合理性和可行性的重要手段之一。采用了二维平面和三维空间的分析方法，分别用非线性和弹塑性模型对大坝的工作状态进行了详细的计算分析。

重点对国际通用软件MARC进行了二次开发，加载了Dan-can-chang E-B模型、“南水”双屈服面广义塑性本构模型，发展了三维“子模型法”分析面板的应力与变形，使面板的应力与变形计算结果更加符合工程实际。

6 面板堆石坝渗流分析

通过渗流数值分析手段，研究了坝基和坝肩山体绕渗的渗透稳定问题，进行了防渗帷幕的效果和帷幕深度比选，研究了坝体堆石料性质和坝基断层对渗流场的影响。计算主要结果表明:①在仅有库水位的作用下，右岸下游马崖边坡均有出逸，出逸段高度为1～44m，最大的水平出逸比降为0.56;②在无帷幕条件下，河床中心部位面板后浸润面高程为313m，设置帷幕后，面板后浸润面高程为293m，下降了20m，坝肩及山体地下水位降低最大10m左右，计算范围内的渗流量减少了近2/3;③坝基帷幕深度至渗透性相对较小的岩层顶板比较合理;④从同期进行的心墙坝的计算结果可见，计算域内F3 断层对坝基渗流分布影响较小，F2 断层是控制右岸坝肩及山体地下水位的主要因素。应保证断层的帷幕灌浆的质量。

6 其它［11～14］

除前述研究之外，围绕水布垭水利枢纽的建设，还进行过如下土工问题研究:①坝基河床砂砾层工程性质;②基础剪切带和断层渗透变形及渗透稳定性;③坝址区大岩淌滑坡稳定性;④面板堆石坝面板与垫层接触面力学特性试验;⑤堆石坝1A料特性及防渗淤堵模型实验;⑥面板堆石坝特殊边界力学试验及模拟方法;⑦页岩风化料长期稳定性试验等。限于篇幅，这些研究成果本文不再展开。 7 结语

根据当地的具体条件，水布垭水利枢纽大坝采用了高土石坝方案。长江科学院对筑坝材料的工程特性、高坝的应力变形分析方法进行了系统研究，解决了关键技术问题，为坝型比选提供了科学依据;针对选定的坝型—面板堆石坝，又进一步研究了填料特性、河床覆盖层利用问题，并对200m级高面板堆石坝应力变形与防渗系统进行了系统研究，取得的主要成果和结论如下:

（1）初步确定了除龙潭组上段外其余均可作为大坝填料;

（2）提出了堆石坝各区填料施工控制密度，并建议特别注意垫层料的加水量控制;

（3）提出了各种填料的设计指标，包括压缩性、强度、本构模型参数、抗渗性等，提出了渗控结构形式;

（4）分析了堆石料蠕变与时间、应力状态的关系，并提出了九参数堆石料蠕变的数学表达式及相应的参数指标;

（5）论证了河床砂卵石层的加固处理施工满足设计要求，保留了10万m3 河床天然砂卵石，节约了工程成本，缩短了工期;

（6）计算了大坝应力和变形，分析了各种因素影响，论证了大坝安全性和可靠性;

（7）分析了大坝渗透特征，并建议了防渗帷幕可进一步优化的具体措施。

综上所述，针对水布垭水利枢纽的工程问题，在各阶段安排了相关的土工研究项目，研究成果为设计方案论证、优化提供了科学依据。

参考文献:

［1］ 郭熙灵.水布垭工程页岩风化料级配特性研究.长江科学院院报，1996，13（2）:23～27.

［2］ 郭熙灵，李思慎.水布垭水利枢纽页岩风化料击实和渗透特性试验研究.人民长江，1996，27（12）:18～20.

［3］ 郭熙灵，黄卫峰，张伟.水布垭大坝心墙防渗料现场碾压试验研究.长江科学院院报，l999，16（1）:17～20.

［4］ 李思慎，王满兴，赵蜀鸣.水布垭心墙堆石坝宽级配防渗料的反滤研究.长江科学院院报，1999，16（1）:33～36.

［5］ 程展林，丁红顺.论堆石料力学试验中的不确定性.岩土工程学报，2005，27（10）:1222～1225.

［6］ 程展林，丁红顺.堆石料蠕变特性试验研究.岩土工程学报，2004，26（4）:473～476.

［7］ 程展林，余剑平，丁红顺.水布垭面板堆石坝填料应力应变关系试验研究.长江科学院院报，1999，16（1）:29～32.

［8］ 张家发，张伟，胡智京等.水布垭混凝土面板堆石坝坝体渗透稳定性研究探讨，见:水利水电土石坝工程信息网，中国水利学会岩土力学专业委员会组编.土石坝与岩土工程实践及探索—2004年技术研讨会论文集.北京:中国电力出版社，2004.

［9］ 刘松涛，程展林，陈云等.水布垭高混凝土面板堆石坝非线性和弹塑性分析.长江科学院院报，1999，16（1）.

［10］ 汪明元，程展林，林绍忠等.高面板堆石坝应力变形分析的三维子模型法研究.长江科学院院报，2005，22（5）:49～51.

［11］ 陈云，饶锡保，程展林.水布垭面板堆石坝坝体分区优化有限元分析.水利发电，2004，30（1）:90～96.

［12］ 周小文，龚壁卫，丁红顺等.砾石垫层—混凝土接触面力学特性单剪试验研究.岩土工程学报，2005，27（8）:876～880.

［13］ 周欣华，饶锡保.大岩淌滑坡稳定性研究.长江科学院院报，2000，17（2）:41～43.

［14］ 范一林，李青云，陈智勇.水布垭页岩风化料长期稳定性研究.长江科学院院报，2001，18（3）:49～52.

作者简介: 李青云，男，长江水利委员会长江科学院岩土研究所，教授级高级工程师;水利部岩土力学与工程重点实验室，博士。

来源：《人民长江》2007年第7期