瀑布沟堆石坝砾石土心墙施工期孔隙水压力特征与分析.pdf

第 3 0 卷第 4期 2 0 1 1 年 4月 岩石力学与工程学报 c h i n e s e j o u r n a l o fr o c k me c h a n i c s a n d e n g i n e e r i n g 、 ， 0 1 i 3o n0 4 a pr i l ， 2 0 1 1 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 f 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6 1 0 0 6 5 ) 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 i i 、不响应型；即时响应型 i i 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 【 长消模式；填筑速率对滞后响应型和即时响应型 i i 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：t u 4 3 文献标识码：a 文章缡号：1 0 0 0 6 9 1 5 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 7 0 9 0 9 charactei usti cs and analys i s of pore ， ater press ures i n gravelly soi l corew all of pubugou rock i ll dam duri ng cons tructi on peri od z he ng j u n ，de ng j i a n h u i ，y a ng xi a o j u a n ，c he n xi a n g h a o ，l u ho n g x u ，h ua ng qi u x i a n g ( s t a t e ke y l a b o r a t o r y o f h y d r a u l i c s a n d mo u n t a i n ri v e r e n g i n e e r i n g ，s i c h u a n u n i v e r s i t y ，c h e n g d u ，s i c h u a n 6 1 0 0 6 5 ，c h i n a ) abs t r ac t ：the g r o wt h a n d di s s i pa t i o n p r o c e s s o f po r e wa t e r pr e s s u r e i n r o c k fil l d a ms d u r i n g c o n s t r u c t i o n p e r i od i s v e r y c o mp l e x ba s e d o n t h e mo n i t o r i n g d a t a o f p u b u g o u c o r e wa l l ，t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d f o r mi n g me c h a n i s m o f p o r e wa t e r p r e s s ure d u r i n g t h e c o n s t ruc t i o n p e r i o d are a n a l y z e d i n a d d i t i o n，t h e c o mp a r a t i v e a n a l y s e s b e t we e n p u b u g o u d a m，xi a o l a n g d i d a m a n d l u b u g e d a m a r e ma d e t h e r e s u l t s s h o w t h a t ：( 1 ) t h e g r o wt h a n d d i s s i p a t i o n mo d e s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e i n p u b u g o u c o r e wa l l d uri n g t h e c o n s t ruc t i o n p e r i o d c o n t a i n f o u r mo d e s wh i c h are d e l a y r e s p o n s e mo d e ，i mme d i a t e r e s p o n s e mo d e i ，i mme d i a t e r e s p o n s e mo d e i i a n d n o r e s p o n s e mo d e ( 2 ) t h e i mme d i a t e r e s p o n s e mo d e i i i s the ma i n g r o wt h a n d d i s s i p a t i o n mo d e ( 3 )t h e e s s e n c e o f d e l a y e d r e s p o n s e o f p i e z o me t e r s i s t h e p r o c e s s t h a t t h e s o i 1 a r o u n d t h e p i e z o me t e r s c h a n g e s f r o m n o n s a t u r a t e d s t a t e t o s a t ura t e d s t a t e f 4 t h e p e r me a b i l i t y c o e ffic i e n t o f s o i l i s t h e d e t e rm i n a n t f a c t o r o f t h e d e l a y r e s p o n s e o f p i e z o me t e r s ( 5 ) t l l e i mme d i a t e r e s p o n s e mo d e i i s t h e r e s u l t o f t h e mo r e h i g h wa t e r c o n t e n t i n l o c a l c o r e wa l l ；s o，i n o r d e r t o a v o i d t h e i mme d i a t e r e s p o n s e mo d e i ，t h e wa t e r c o n t e n t o f c o r e wa l l s h o u l d k e e p u n i f o r tui ty d uri n g t h e c o n s t r u c t i o n p e r i o d f 6 1 f i l l i n g r a t e h a s s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n p o r e wa t e r p r e s s u r e o f t h e d e l a y r e s p o n s e mo d e a n d i mme d i a t e 。 r e s p o n s e 收藕 日期l 2 0 1 0 0 8 2 4 ；修回日期 l 2 0 1 1一 o 11 2 基金项目l国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项 h( 2 0 1 0 c b 2 2 6 8 0 2 ，2 0 1 0 c b 7 3 2 0 0 5 ) ；国家自然科学基金资助项i 1 ( 5 1 0 7 9 0 9 3 ) 作者筒介：郑t ( 1 9 8 7一 ) ，男，2 0 0 9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 - ma i l z j s c u q q t o m 岩石力学与工程 学报 2 0 1 1 正 mo d e i i ； a n d t h e e f f e c t o n t h e i mme d i a t e r e s p o n s e mo d e i i s n o t o b v i o u s t h e h e t e r o g e n e i t y o f g r a v e l l y s o i l s h o u l d b e pa i d h i g h a t t e nt i on du r i ng t h e d e s i g n a n d r e s e a r c h s t a g e s o f r o c kfil l da ms o f gr a v e l l y s oi l c o r e wa l 1 ke y wo r ds ： s oi l m e c ha ni c s ； p o r e wa t e r p r e s s ur e； mod e of g r o wt h a nd di s s i pa t i o n； g r a v e l l y s oi l c o r e wa l l ； h e t e r o g e n e i ty ；c o n s t r u c t i o n p e r i o d ； mo n i t o r i n g 1 引 言 砾石土是指粒径大于 5 mm颗粒 的质量 占总质 量的 2 0 6 0 的宽级配砾类土【 】 j 。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 3 0 0 m 的努列克坝( 前苏联) ，高 2 1 6 m 奇 科森坝( 墨西哥) ，高 2 6 0 m 的特里坝( 印度) 和高 2 3 0 m 的澳洛维坝( 美国) 。近年来 ，采用砾石土作防渗料 的优越性 己逐步为国内设计者所认可，如已建成的 鲁布革堆石坝( 高 1 0 3 m) 和瀑布沟堆石坝( 高 1 8 6 m) 、 在建的糯扎渡堆石坝( 高 2 6 1 5 m) 、规划建设的双江 口堆石坝f 高 3 1 4 m) 等u j 。 土石坝防渗料在上坝碾压时其饱和度一般达到 9 0 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 旌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 j 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m 峙 旨 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l 7 j 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 8 5 6 m，最大坝高 1 8 6 m。心墙顶高程 8 5 4 m， 顶宽4 m， 上、 下游坡度均为 1 ： 0 2 5 ， 底高程6 7 0 m， 底 宽 9 6 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 问设过渡层 ，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 7 7 9 m j 。 自2 0 0 7年 4月 2 o日开始坝体心墙填筑 ，起填高程 为 6 7 0 m，经过约 2 9个月的填筑，2 0 0 9年 9月填筑 到顶；2 0 0 9年 1 1 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 8 0 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 1 2 0 2 4 7 0 k g ms ， 平均值为 2 3 8 0 k g m ：全料含水量为 3 3 l o 1 ， 平均 6 4 9 ；细料 径小于 5 mm) 含水量为 8 ，7 1 1 9 ，平均为 1 0 5 ；粒径大于 5 mm 的土粒含量 第 3 o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 为 2 4 9 6 5 7 ，平 均 为 4 8 4 ；小 于 0 0 7 5 mm 含量为 1 1 0 5 1 7 ，平均为 2 2 9 ；小于 0 0 0 5 mm 含 量 为 6 2 9 2 ， 平 均 为 7 7 ： 细 料 的最 大 干密度为 2 0 5 0 42 2 0 0 k g m ，平均为 2 1 0 0 k g m ； 细料的压实度 1 0 0 1 0 8 ，平均为 1 0 1 8 ；竖直 方 向的渗透系数为 5 7 1 0 _ 。 。9 9 1 0 m s ，平均为 7 - 3 1 0 m s ；水 平 方 向渗 透 系 数 为2 9 l 0 7 7 1 0 一 m s ，平均为 3 1 1 0 m s 。 2 3 监测布置 在大坝心墙 0 + 2 4 0和 0 + 3 1 0两个主要剖面的 6 9 0 ，7 2 5 ，7 4 7和 7 8 8 m 高程分别埋设 了渗压计。 此外，在 0 + 1 2 8剖面的 7 5 5 ，7 8 8 m 高程和 0 + 4 3 1 剖面的 7 4 7 ，7 5 2 ，7 8 8 m 高程上埋设了渗压计 j ， 总共 3 9支 。具体布置情况见图 1 ，图中 “ ”代 表渗压计 p的位置，其后数字代表渗压计编号 。 琴 鹱 彗 i 量 ( a )坝轴线上的纵剖面 ( b )0 + 3 1 0横断面 图 1 瀑布沟大坝心墙渗压 计布置 图 fi g 1 la yo ut o fpi e z o me t e r s i n pub ug ou c o r e wa l l 3 孔 隙水压 力特征及其 形成机 制 瀑布沟大坝心墙中共埋设 3 9支渗压计，施工期 孔隙水压力长消大致可以划分为 3种模式：滞后响 应型、即时响应型和不响应型 。而即时响应型可以 进 一 步分 为 即 时响应 型 i 和 即 时响应 型 i i 。 渗压计在埋设后若干天( 统计时选取 1 0 d 1 内对 渗压计测值进行查看 ，渗压计测值为 0则为滞后响 应型 ，否则为即时响应型；若在整个施工期渗压计 测值几乎都为 0 ，则为不响应型。对于 即时响应型 的渗压计 ，在埋设之后 出现持续的快速增长直到达 到整个施工期孔隙水压力的最大值才 出现消散，则 为即时响应型 i ，否则为即时响应型 i i 。 根据以上原则，对心墙的 3 9支渗压计长消模式 进行统计 ，统计结果如表 1 所示 。 表 1 瀑布沟心墙孔隙水压力长消模式统计表 ta bl e 1 s t a t i s t i cs of g r o wt h a nd di s s i p a t i on mo de s o fpo r e wa t e r p r e s s u r e s i n p u b u g o u c o r e wa l l 3 1 各长消模式的特征分析 f 1 1滞后 响应型 从表 1 可知，滞后响应型长消模式分布在 6 9 0 ， 7 2 5 ，7 5 2 m 高程 ，占仪器总数 的 2 1 。以 6 9 0 m 高 程 0 + 3 1 0断面的渗压计 p 4 8 p 5 1来分析该长消模 式的主要特征。 从图 2可知，p 4 8 p 5 1 在埋设后 3 1 d后才开始 响应，响应之后迅速增长 ，与心墙 的填筑速度有 良 好 的相 关 性 。 心 墙 填筑 速度 快 ，孔 隙水压 力增 长快 ； 填 筑速 度 慢 ，孔 隙水 压力 增长 速 度慢 甚 至消 散 ，具 体 的孔隙水压力与心墙填筑速率统计见表 2 。滞后 响应型模式的其他渗压计也表现出 p 4 8 p 5 1相 同 的变化规律，可见心墙的填筑速率对滞后响应型孔 隙水压 力 的长 消有 显 著 的影 响 。 岩石力学与工程学报 2 0 1 1 焦 时 宴 篷 1 2 0 1 0 0 乓 趟 日 奏 。藿 2 0 s 0 鲁 兽 窘 = = 譬 萋 墨 萋 笺 曷r- 窨oo 三 蓉 0 - _ 0 0 0 0 =： 9 奢 蓉 蓍 謦 8 蓍 0 0 0 0 0 0 莹 殳 莹 昌 昌 昌 昌 昌 昌 日期 年 月 日 图 2 6 9 0 m 高程 0 + 3 1 0断面孔隙水压力特征 f i g 2 ch a r a c t e r i s t i c s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e s a t e l e v a t i o n 6 9 0 m o f s e c t i o n o + 3 1 0 表 2 t l b 1 e 2 p 4 8 p 5 1 孔隙水压力变化速率及心墙填筑速率 va r i a t i o n r a t e s o f p o r e wa t e r p r e s s ur e s o f p 4 8一p 5 1 a n d fil l i n g r a t e s o f c o r e wa l l 0 3 4 0 2 2 0 09 ( 2 )即时响应型 i 即时响应型 i 长消模式分布在 7 2 5 ，7 4 7 ，7 5 5 m 三个高程，占仪器总数的 1 5 ( 见表 1 ) 。以7 4 7 m高 程 0 + 3 1 0断面的渗压计 p 4 0和 p 4 2为例分析该长消 模式的主要特征。 从 图 3可知 ，渗压计埋设后迅速增长，达到施 工期孔隙水压力最大值，接着 出现较快速的消散， 然后，出现波动性增长，最后随着心墙填筑接近尾 声而进入消散阶段。对渗压计 p 4 0各个时间段的变 化 速 率和心 墙填筑 速 率进行 统计 ， 统 计结 果见表 3 ， 从表 3可知，孔隙水压力的变化速率与心墙的填筑 速率并没有 良好的相关性 ， 如 时间段和填筑速 率一样，但时间段是整个施工期增长最 陕的时期， 而时间段是整个施工期消散最快的时期 。该增长 模式的其他渗压计均表现 出与渗压计 p 4 0相同的特 征，可见心墙的填筑速率对即时响应型 i孔隙水压 力的长消没有显著的影响。 日期 年 月 日 图 3 7 4 7 m 高程 0 + 3 1 0断面孔隙水压力特 征 fi g 3 chara c t e r i s t i c s o f po r e wa t e r pr e s s ures a t e l e va t i o n 7 4 7 i n o f s e c t i o n 0 +3 1 0 童 醚 螋： 缒 罾 表 3 p 4 0 孔隙水压力变化速率及心墙填筑速率 t a b l e 3 v a r i a t i o n r a t e s o f p o r e wa t e r p r e s s ure o f p 4 0 a n d fi l l i n g r a t e s o f c o r e wa l l f 3 1即时响应型 i i 即时响应型 i i 长消模式分布于各个高程，占仪 器总数 的 5 9 ( 见表 1 ) ，是瀑布沟砾石土心墙孔隙 水压力长消最主要的模式。以 7 5 2 m 高程 0 + 4 3 1 断 面的渗压计 p b6 2来分析该长消模式的主要特征。 从图 4可知， 渗压计 p b 6 2埋设后即开始增长， 其长消速率与心墙填筑速率有 良好的相关性。总体 而言 ，当心墙填筑快 ， 其孔隙水压力的增长速率快 ； 当心墙填筑慢时，孔隙水压力增长慢甚至消散，具 体的孔隙水压力与心墙填筑速率统计见表 4 。该增 长模 式 的其 他渗 压计 总体 上 也表 现 出与渗 压 计 p b 6 2相同 的特征， 可见心墙的填筑速率对即时响应 型 i i 孔隙水压力的长消有较显著的影响。 )不响应 型 不响应型长消模式的渗压计仅分布在 7 4 7 m 高 程坝轴线处，占仪器总数的 5 ( 见表 1 ) 。从图 5可 6 5 0 4 2 6 1 5 3 2 2 2 7 1 0 9 1 2 o 7 o 7 l 8 o 8 7 0 7 o 8 0 0 0 o o 0 o o 2 o 2 0 2 2 2 第 3 0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 7 1 3 3 2 矗 室2 -r 冀- 0 寸 l n 0 -_ 0 一 寸 卜 一 n l n 墓 量 吾 善 善 善 吾 0 0 0 0 0 0 0 日期 年月 日 图 4 7 5 2m 高程 0 + 4 3 1断面 p b 6 2孔隙水压力特 征 fi g 4 cha r a c t e r i s t i c s o f po r e wa t e r pr e s s u r e o f pb62 a t e l e v a t i on 75 2 m o f s e c t i o n 0 +3 l 0 表 4 p b 6 2孔隙水压力变化速率及 心墙填筑速率 t a b l e 4 va r i a t i o n r a t e s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e o f p b6 2 a n d fil l i n g r a t e s o f c o r e wa l l * 填土高程 一 期蓄水 施 工 期 一 期 蓄 一 ； _ 寸 0 宝 宝 g 宝 g g g 日期， 年月日 图 5 不响应型孔隙水压力特征 f i g 5 c h a r a c t e ri s t i c s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e s o f n o n r e s p o n s e mod e 知 ，该长消模式的渗压计在整个施工期几乎一直是 0 ；蓄水期这 2支渗压计随着库水位的升高而迅速增 长 ，和库水位有很好的关联性 ，可见这 2支渗压计 并没有 损坏 。 3 2 各长消模式形成机制分析 砾石土属于宽级配砾类土，根据瀑布沟心墙土 料的各项土体指标 可知其各项指标 值变化范 围较 大，体现了砾石土 的不均质性。因此 ，在讨论砾石 土心墙的孔 隙水压力各长消模式形成机制时，必须 考虑砾石土 的不均质性 。 振 弦式 渗压 计 是将 一 根振 动钢 弦 与 一灵 敏受 压 膜 片相 连 ， 当孔 隙水压 力 经透 水 石传 递 至仪 器 内腔 作用到膜片上，膜片连 同钢 弦一 同变形，测定钢弦 白振频度的变化 ，即可把水压力转换为等 同信号测 量出来 们 。 为了便于说 明，仅在二维平面上讨论各长消模 式形成机制 ，其分析示意见图 6 ，三维空间类似 。 渗压 计 埋设 时外 面 包裹 一层 细 沙 ， 由于细 沙 的渗 透 系数量级为 1 0 一r n s ， 远远大于砾石土的渗透系数 ， 因此认为细沙中的水渗入渗压计的内腔是瞬间完成 的，故细沙和渗压计一 同记作 p，图 6中以小圆圈 表示 。以渗压计埋设点为中心 ，将周围的砾石土分 成 a ，b两部分。a 部分( 图 6中以大圆圈表示) 为直接 与包裹渗压计细沙相接触的那部分砾石土 ，无确切 的范围，原则是其范围内的水能够在很短的时间内 入渗到细沙孔隙和渗压计 内腔 中，即它的孔隙水压 力能够在短 时间( 本文统计渗压计响应是否滞后选取 的标准是 1 0 d ，所以这里也可 以认为是 1 0 d ) 内传递 给渗压计 ；b部分为除 a部分 以外的砾石土。图 6 中，细实线代表渗流路径，这里的渗流路径是假想 水在砾石土 中流动的路线，其分布密度代表砾石土 的渗透系数 ，越密说明渗透性越好 ；空心小圆点代 表砾石土中的水 ， 其分布密度代表砾石土的含水量 ， 越密说明含水量越高；粗实线代表超孔隙水劈开的 路径 。 ( a )滞后响应型 ( b )即时响应型 i ( c )即时响应型 i i f d 1不响应型 图 6 各长 消模 式形成机制分析示意 图 fi g 6 s ke t c he s o f f o r ma t i on me c h a ni s ms o f f o ur g r owt h a nd d i s s i pa t i o n mode s ( 1 )滞后响应型形成机制 由图 6 ( a ) 可知，a的渗透系数较小且含水量较 m 毗 臀 恒 i li n 加 舳 如 o 渤渤 m 瑚啪 0 0 0 n 岩石力学与工程 学报 2 0 1 1 年 低 ，此 时 b中的水在 短 时间里无 法渗 入 p中 ，而 a 中的水又不能填充细沙孔隙和渗压计空腔 ，那么在 b中 的水 入渗 到 a中之前 渗压 计不 会 响应 ，这 样就 形成了滞后响应模式。如果 b的含水量较高且施工 进度较快，b 中很快产生较大的孔隙水压力，可以 缩短滞后 的时间。 从上述分析可知，渗压计滞后的实质是 b中孔 隙水压力 向 a中传递的过程，是 a 和 p由非饱和状 态 向饱和状态转变的过程。该过程一旦完成，渗压 计即开始响应，此时渗压计的测值不单代表 a的测 值，而是代表更大范围内的 b f 至少是靠近 a的那部 分 b ) 的测值 ，也就是说 p已经和周围很大范围内的 孔隙水压力相一致，所以，后期孔隙水压力的长消 主要受填筑速率的影响，而受其周围土产生的孔隙 水压力传递的影响不大。 黏土心墙渗透 系数远远 小于砾石土 的渗透系 数，只有直接和包裹渗压计细沙相接触的那一小部 分土中的水能够在短时问内入渗到 p中，这部分土 数量较少 ，其含水量一般不足 以填充细沙的孔隙和 渗压计的内腔，渗压计要响应就需要 b中的水补充， 而这一过程在短时间内不能完成 ，由此推断黏土心 墙中的孔隙水压力主要长消模式为滞后响应型。 ( 2 )即时响应型 i 形成机制 由图 6 ( b ) 可知，a的渗透系数较小且含水量较 高，足 以充满细沙和渗压计的内腔，而 b的含水量 较低。因此 ，a随着心墙的填筑很快产生较大的孔 隙水压力，而 b产生的孔隙水压力较小。于是，a ， b之间形成了孔隙水压力差值，当这个差值达到一 定值后局部劈开土层， a的孔隙水压力向b传递， 使 得 a ，b的孔隙水压力逐渐均衡。之后 ，a ，b随心 墙的填筑而增长的规律一致。由于 b的含水量较低， 后 期 的增 长 一般都 达不 到前 期 的最 大 值 ，因此 ，前 期产生的最大孔隙水压力即为施工期孔隙水压力的 最大值 。 a ，b之间存在孔 隙水压力差，当差值达到一定 值就会 出现压力传递 ，而填筑速率对压力的传递影 响不大， 如 p 4 0 在填筑速率未减小的情况下， 于 2 0 0 8 年 5月 5日突然转为快速的消散，表 3中时间段 即为孔隙水压力在 a 和 b中相互传递的过程 。 通过 以上分析可知， 要产生即时响应型 i 模式， a ，b间须有较大的压力差值 ，该模式一般产生于渗 压计所在高程的砾石土平均含水量较低，而渗压计 埋设点( 即 a ) 局部含水量较高的部位。瀑布沟出现即 时响应型 i 的 6支渗压计所在高程的平均含水量分 别为 5 5 ( 1 支) ，6 0 ( 2支) ，6 2 ( 3 支) ，含水量 均偏低 ，各高程砾石土平均含水量见表 5 。 表 5 各高程砾石 土平均含水量 t a b l e 5 av e r a g e wa t e r c o n t e n t s o f g r a v e l l y s o i l a t d i ffe r e n t e l e va t i o i l s ( 3 )即时响应型 i i 形成机制 由图 6 ( c ) 可知，a的渗透系数较大，b中的水很 快能渗入 ，填充细沙孔 隙和渗压计 内腔，使得渗压 计即时响应。也就是说，a和 b ( 至少是靠近 a的部 分) 在很短 的时间内就能完成含水量和孔隙水压力 的协调。于是，a和 b的增长规律基本一致，不会 发生像 即时响应型 i那样大幅度 的孔隙水压力传 递，因此影响孔隙水压力长消的最主要影响因素是 填筑速率( 见表 4 ) 。 f 4 不响应型形成机制 由图 6 ( d ) 可知，a的含水量较低，且渗透系数 较小，b中的水在短期内无法渗入到 a中。随着填 筑高度的增加 ，该高程 出现较大的拱效应 ，使得 b 中的孔隙水在整个施工期都无法入渗到 a中，从而 形成不响应型 。蓄水后 ，随着库水位的入渗，渗压 计很快响应，并且与库水位有很好的关联性。瀑布 沟出现 的 2支不响应 型的渗压计f p1 6 ，p 4 1 ) 均在 7 4 7 m 高程坝轴线处，而该层的含水量偏低 ，仅为 6 ( 见表 5 ) ，与涂扬举等l 】 指出的瀑布沟心墙 7 4 7 m 高程坝轴线处有较大的拱效应相吻合 。 3 3 各长消模式分类的工程意义 砾石土心墙具有不均质性，有时候渗压计埋设 第 3 0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 7 1 5 部位的含水量与其所在层( 与渗压计 同高程 同断面1 砾石土的平均含水量相差较大 ，使得渗压计测值并 不 能代 表其 所在 层 的平 均 孔 隙水 压力 值 。因此 ，在 分析施工期砾石土心墙 中的渗压计测值时，首先应 根据渗压计一段 时间的测值 ，并结合施工资料，判 断出渗压计孔隙水压力 的长消模式，然后 ，再结合 其长消模式的特点，推断其所在层 的平均孔隙水压 力，从而使监测资料能够及时准确地指导工程施工。 比如 ： ( 1 )某支渗压计出现若干天( 如大于1 0 d ) 的滞 后响应，说明其属于滞后响应型，其一旦开始 响应， 填筑速度将会对其影响显著 ，从而可 以直接根据该 渗压计的测值来调整填筑速度 。 ( 2 )填筑速度不 大( 相对工程 其他 时段 的填筑 速度) 时，渗压计增长迅速( 相对于其他的渗压计) ， 可 以初步估计该渗压计属于即时响应型 i 。如果后 期填筑没有 明显减慢 ，但测值突然迅速减少 ，那么 基本上可以确定该渗压计属于即时响应型 i ，由此 可 以推断该层整体含水量偏低，后期孔隙水压力增 长一般不会超过早期孔隙水压力的最大值。 此外 ，通过各模式的形成机制的分析可知，一 旦产生即时响应型 i长消模式 ，即意味着心墙局部 出现水力劈裂，为保证施工期尤其是蓄水期心墙安 全应尽量避免。所 以，在砾石土心墙施工过程中， 散水应尽量均匀 ，避免心墙局部含水量偏高。 4 与其他 工程 的对 比分 析 鲁布革坝是我国第一座砾石土心墙堆石坝，最 大坝高 1 0 3 8 m， 心墙填筑料采用软岩风化料， 渗透 系数约为 1 1 0 m s l 1 引 。黄河小浪底坝是我国最高的 黏土斜心墙堆石坝 ，最大坝高 1 5 4 m，心墙防渗料 主要由粉质黏土组成 ，渗透系数约为 1 1 0 m s i o j 。 根据 中国水利水 电科学研究院的研究结果i l 引 ， 笔者对小浪底 b和 cc断面 的 1 8 0和 2 1 0 1 t i 高程心墙中的 1 2支渗压计进行统计发现 ：1 1支属 于滞 后 响应 型 ， 占总数 的 9 2 ；仅 1 支 属于 即时响 应 型 i i ，占总数 的 8 ；渗 压 计 p1 2 4 ，p 1 2 5 和 p 1 6 3 大约滞后了 2 8 0 d才响应( 见图7 ) ，图7是根据文献资 料【 】 _j j 中的内插图重新整理获得 的。 根据张启岳和熊国文 1 4 - 1 6 】 研究成果，笔者对鲁 垦 r 苌 鬣 g 罱 器 蓦 兽 窨 昌 窨 害 蜜 交 蜜 g g g 宝 宝 昌 昌 昌 时 间 年 月 日 图 7 小浪底 2 1 0 i r l 高程孔 隙水压 力特 征 f i g 7 ch a r a c t e r i s t i c s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e s o f xi a o l a n g d i a t e l e v a t i o n 21 0 m 布革 1 0 7 5 5和 1 1 0 0 0 m 高程心墙中的 6支渗压计 p i 一1 p p i 一 6 ) 进行统计发现 ， 1 0 7 5 5 m 高程的 3 支渗压计均滞后 1 5 d才 响应 ，属于滞后 响应型f 见 图 8 ( a ) ) ；而 1 1 0 0 0 m高程的 3支渗压计中，1 支属 于滞后 响应型 ，1 支属于即时响应型 i ，1 支属于即 时响应型 i i ( 见 图 8 ( b ) ) 。图 8是根据张启岳和熊 国 文 h 中的内插图重新整理获得 的。 幽 苌 8 o 7 0 6 0 5 0 幽 4 0 耋3 0 2 0 l 0 o 时 间 年 月 日 ( a ) 1 0 7 5 5 1t i 高程 挺 鲜 寸 o。 n 寸 - q t “ q 0 0 0 0 _ _ 萎 荟 奏 云 晷 。 。 o。 o。 oo 。 。 。 。o 时间 年月日 f b 1 1 1 o 0 0 y n高程 图 8 鲁布革 1 0 7 5 5 ， 1 1 0 0 0 m 高程孔隙水压力特征 fi g 8 cha r a c t e r i s t i cs of po r e wa t e r p r e s s u r e s o f lu bug e a t e l e va t i o ns 1 0 75 5 a nd 1 1 00 0 it i m 咖 咖 岩石力学与工程 学报 2 0 1 1 芷 从 图 9可 知 ，滞 后 响应型渗 压 计 占小 浪底心 墙 渗压计总数 的 9 2 ，占鲁布革心墙渗压计总数的 6 7 ，而它们 的渗透系数分别约为瀑布沟 的 1 和 1 0 ，证明了渗透系数是影响渗压计是否滞后的决 定性 因素，一般渗透系数小的黏土心墙坝施工期心 墙孔 隙水压力主要长消模式为滞后响应型 。即时响 应型 i在小浪底未出现 ，而占鲁布革渗压计总数的 1 7 和瀑布沟的 1 5 ，黏土心墙坝心墙土料相对均 一 ，一 般不会 出现局部含水量过高，所 以一般不会 出现即时响应型 i 。即时响应型 i i 在 3座大坝均有 出现 ，与瀑布沟相比，小浪底和鲁布革出现的要相 对少些，这也正是瀑布沟 的渗透系数大于小浪底和 鲁布革的体现。 l o o 畜 姜8 0 6 0 野 斗 g 4 o 肇 嚣2 0 0 口瀑布沟 -1 5 17 ， 铷 口鲁布革 圈 ， 日小浪底 一 ， o 即对晌应型 i即时响应型 滞后响应型 不响应型 孔隙水 压力 长 消模式 图9 三座大坝心墙施工期孔隙水压力长消模式对比 f i g 9 c o mp a r i s o n s o f g r o wt h a n d d i s s i p a t i o n mo d e s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e s d ur i n g c o n s t r u c t i o n p e r i o d i n t h r e e c o r e wa l l s 根据以上分析，不响应型的发生需满足 2个条 件 ：滞后响应和拱效应。对于第一个条件，鲁布革 和小浪底均容易满足 ；而第二个条件二者均不容易 满足，鲁布革坝高相对较低不容易出现拱效应 ，而 小浪底是斜心墙坝一般不会产生拱效应。 5 结论 基于瀑布沟心墙施工期孔 隙水压力 的监测 资 料和施工资料，并结合鲁布革和小浪底的监测资料， 得出以下结论： ( 】 )瀑布沟心墙施工期孔隙水压力长消主要有 4种模式：滞后响应型 、即时响应型 i 、即时响应型 i i 、不响应型，其中，即时响应型 i i是最主要的长 消模式。 ( 2 )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。渗透系数的 大小是影响渗压计响应是否滞后的决定性因素，一 般渗透系数小的黏土心墙坝施工期孔隙水压力长消 以滞后响应型为主，如小浪底坝 。 ( 3 )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。 f 4 )填筑速率对滞后响应型和即时响应型 i i 孔 隙水压力的长消影响显著，对 即时响应 i孔隙水压 力长消影响不显著。 砾石土的不均质性，主要体现在结构的不均质 性和含水量的不均质性，这些不均质性决定了以往 对黏土心墙坝的认识和研究方法未必适用于砾石土 心墙坝，所以，设计和研究砾石土心墙坝应高度重 视砾石土的不均质性。 参考文献( re f e r e n c e s ) ： 1 1 中华人民共和国行业标准编写组 dl t 5 3 9 5 -2 0 0 7 碾压式土石坝 设 计规范 【 s 】 北 京： 中国电力 出版社 ，2 0 0 8 ( t h e p r o f e s s i o n a l s t a n d a r d s co mp i l a t i o n gr o u p o f pe o p l e s re p u b l i c o f ch i n a di a l “ 5 3 9 5 -2 0 0 7 de s i g n s p e c i fi c a t i o n f o r r o l l e d e a r t h - r o c k fi l l d a ms 】 b e ij i n g c h i n a e l e c t r i c p o w e r p r e s s ，2 0 0 8 ( in c h i n e s e ) ) 2 】 王柏乐中国当代土石坝 m】 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 4 ： 1 2 ( wa ng b a i l e c h i n e s e c o n t e mp o r a r y e a r t h a n d r o c k fl l l d a mt m b e ij i n g c h i n a wa t e r p o we r p r e s s ，2 0 0 4 1 2 ( i n c h i n e s e ) ) 3 屈智炯宽级配砾质土在土石坝防渗体中的应用及渗流控制的进 展 水 电站设 计 ， 1 9 9 2 ， 8 ( 3 ) ： 4 6 5 3 ( q uz h ij i o n g a p p l i c a t i o no f wi d e g r a d i n g g r a v e l l y s o i l in t h e e mb a n k me n t d a m s e e p a g e an d p r o g r e s s o f s e e p a g e c o n t r o l j d e s i g n o f hy d r o e l e c t r i c p o w e r s t a t i o n ，1 9 9 2 ，8 ( 3 ) ：4 6 5 3 ( i n c h i n e s e ) ) 4 陈祖煜 土质边坡分析的原理与方法 m 北京：中