土石坝心墙孔隙水压力成因分析

吴国晓 耿瑜平 李亚楠 柳利利

土石坝心墙孔隙水压力成因分析

吴国晓 耿瑜平 李亚楠 柳利利

（黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院 河南郑州 450003）

土石坝心墙在施工过程中会产生超静孔隙水压力。通过对大坝砾石土心墙中不同部位形成的不同的孔隙水压力值，结合砾石土心墙填筑时土料含水率、坝前水位、大坝填筑进度以及当地的降水情况等进行综合分析，得出孔隙水压力的形成原因主要是由于心墙料含水率较高，并且孔隙水压力的极值在上覆荷载固定时主要受大坝砾石土心墙内的含水率影响。心墙内部观测到的压力值有孔隙水压力和与坝前水位贯通后的水头压力之分，需分别进行分析。因此，加强孔隙水压力的观测和分析，对大坝的安全监控有着重要意义。

土石坝 砾石土心墙 孔隙水压力 含水率 安全监控

1 引言

土石坝是历史最为悠久的一种坝型。近代的土石坝筑坝技术自20世纪50年代以来得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝按组成可以分为均质坝、土质防渗体分区坝、非土料防渗体坝。其中土质防渗体分区坝最为常见，一般将坝体分为黏土心墙和坝壳区。土石坝在心墙料填筑过程中，很少能发生有效的孔隙水压力消散。因而，超过100m的心墙坝，在施工过程中均会产生高孔隙水压力。高孔隙水压力的存在，会导致心墙中有效应力的降低，从而影响坝体的稳定和强度。对于黏土心墙内部孔隙水压力的研究，对工程运行有着重要的意义。

2 土石坝心墙孔隙压力性质分析

SL60—94《土石坝安全监测技术规范》第5章相应条款规定：孔隙水压力的观测，一般仅适用于饱和土及饱和度大于95%的非饱和黏性土。但是土石坝黏土心墙在大坝填筑施工过程中，黏土心墙料的饱和度往往达不到95%。因此，此时观测到的孔隙水压力往往并不是真正的孔隙水压力，而是孔隙水压力和孔隙气压力的合力。

根据司洪洋的研究成果，处于非饱和状态的心墙，其孔隙压力P（pore pressure）实际上涉及三个方面的压力，分别是孔隙水形成的孔隙水压力Pw（pore water pressure）、孔隙气泡形成的孔隙气压力Pa（pore air pressure）、孔隙水和孔隙气相界面即弯液面形成的毛细管吸力Pc（bubbling pressure）。且三者之间存在着固定的关系。

一般情况下，大坝黏土心墙料在初步压实之后，其土体内部还存在许多未完全充实的孔隙，孔隙内部充满着空气和部分水。随着填方的逐步升高，土体进一步的压缩，孔隙越来越小，而土体孔隙中的水分并未减少。因此，土体饱和度增加。此时Pw逐渐变大，Pa逐渐变小，最终土体中的孔隙完全被水填充。此时Pw达到最大，Pa消失。

但因为在实际工程中，大坝在填筑过程中观测到的孔隙压力值，并不是土体完全饱和后的压力值。因此，在分析黏土心墙孔隙水压力尤其是施工期的孔隙水压力的过程中，必须考虑到孔隙气压力的影响。

3 渗压计选择

针对非饱和土中孔隙水压力，英国最早发展了高进气式孔隙压力测头。该种孔隙压力测头可以阻止土中带有较高空气的压力进入孔隙压力测头，从而有效的阻止气泡的影响，实现了非饱和土中纯粹的孔隙水压力的观测。但目前，高进气式孔隙压力测头，在国内尚无实践和应用。本次选择的渗压计为美国公司生产的振弦式渗压计，采用粗孔滤水石。因此，所测值一般为孔隙水压力和孔隙气压力的合力。

4 工程实例

4.1监测设备布置

某水电站为砾石土心墙堆石坝，心墙底高程为1991.00m，心墙顶高程2136.00m，最大坝高为147.00m，心墙底宽76.45m，顶宽4.00m。大坝坝体防渗采用砾石土心墙料和接触性黏土料。大坝基础防渗分两部分，河床段采用混凝土防渗墙，墙体下部接帷幕灌浆；左右两岸采用双排帷幕灌浆。

为了观测坝体的孔隙压力情况，在坝体共布置了三个典型监测断面，断面桩号分别为0+123m、0+244m、0+320m。在每个断面的2031、2048、2078和2108m处各布置了相应的振弦式渗压计。各断面渗压计埋设示意图见图1、图2，其中P代表渗压计。

图1 心墙0+123m(0+320m)断面渗压计布置图

图2 心墙0+244m断面渗压计布置图

4.2各高程孔隙水压力的变化情况

从图2可知，坝体心墙内共布置了4个高程的渗压计。目前大坝基本填筑至坝顶2136m高程，大坝于2011年3月19日开始蓄水。对于2108m高程内的渗压计，目前监测到的孔隙水压力很小，本次不做分析。

EL2031m高程的渗压计埋设于2010年4月。从图3中可以看出，心墙内的3支渗压计从2010年10月份开始变化，P-57，P-58增长较快。2011年3月份大坝蓄水后，位于心墙上游测的P-57产生了突变，随后两个月内其孔隙水压力的换算水位值与坝前水位基本相当，8月份该渗压计损坏。而P-58，P-59并未受大坝蓄水影响，位于下游测的P-59孔隙水压力值很小，并且很稳定。位于心墙中部的P-58测值在2011年6月份达到峰值186.9kPa后，孔隙水压力开始逐渐变小。

原因分析：上游测P-57在坝前水位超过EL2031m时，其测值换算水头值与坝前水位值相当。因此，初步分析该部位已经与坝前水体贯通。P-57产生突变的原因为该部位在大坝蓄水后，水体渗透到该部位后，水头压力增大而造成的。位于坝轴线上的P-58，其测值并未受到坝前水位的影响，其压力变化曲线规律为：随着大坝的填筑，其孔隙水压力达到一个峰值，然后就开始缓慢减小，即压力值开始慢慢消散。位于下游测的P-59，其测值很小。分析原因为，该部位与下游测透水性很好的过渡料层距离较近，随着上部土压力的增大，其内部孔隙水消散较快。因此孔隙水压力始终较小。

图3 大坝2031m高程心墙孔隙水压力变化曲线图

从图4EL2048m高程面的上游侧渗压计测值变化曲线图可以看出，2010年7月份该断面渗压计埋设后，各孔隙水压力值在2010年10月份开始缓慢增大，在2011年4月份达到一个极值，随后开始缓慢减小，直至2011年8月份。从2011年4月到2011年8月期间，坝前水位在2043～2060m之间变化，依据渗压计测值水头换算，换算水头为2068～2096m，均高于坝前水位值。因此，判断该测值为心墙孔隙水压力。2011年8月份后，坝前水位急剧增加，3支渗压计的测值也缓慢变大，P-36、P-63与坝前水位有较好的相关性。截至2012年1月，随着坝前水位的下降，3支渗压计测值都趋于减小，并都稳定在440kPa左右。而将该值换算成水头值，约为2094m，该值和同时期的坝前水位较符合。

原因分析：在2011年8月份之前，各测点孔隙水压力值变化规律和以上P-58的变化规律基本相同。该部位3支渗压计后期随着坝前水位的增加，其测值又缓慢增加，直至3个渗压计测值换算水头都与上游水位相符。因此，初步分析该埋设渗压计部位在大坝蓄水后已经与上游坝内水体贯通。

图4 大坝2048m高程心墙上游侧孔隙水压力变化曲线图

从2048m高程面的下游侧渗压计测值变化曲线图（图5）可以看出，3支渗压计埋设于2010年7月份，从2010年10月份开始缓慢增大，在2011年4月份达到一个极值，之后测值就开始缓慢减小，并未随着后期坝前水位的变化而变化。

原因分析：下游侧3支渗压计测值并未受到坝前水位变化的影响，其变化规律遵从以上P-58的变化规律。与2031m高程面的P-58相比，其上覆荷载比P-58小，但其产生的孔隙水压力却比P-58大1倍以上。因此，分析心墙内的孔隙水压力并非只受上覆荷载影响，还与填筑料的含水率等有关。下游侧3支渗压计的变化规律也揭示了心墙内孔隙水压力变化的一般规律，与以上P-58的变化规律相符，即大坝心墙内渗压计在埋设之后，根据施工进度，其测值有约3个月的滞后期，随后，随着大坝的填筑，其孔隙水压力也逐渐增大，根据其上部荷载情况达到一个极值，然后开始慢慢消散。该部位测值同时也说明了大坝心墙的防渗效果良好。

图5 大坝2048m高程心墙下游侧孔隙水压力变化曲线图

从2078m高程面的上游侧渗压计测值变化曲线图（图6）可以看出，该高程渗压计埋设后，随着大坝的填筑，其测值也在缓慢增加。2011年8月份，坝前水位开始超过2078m，而此时3支渗压计的测值也开始快速增加，直到2011年11月份，其测值随着坝前水位达到峰值，随后开始随坝前水位缓慢减小。到2012年1月底，3支渗压计的测值基本都稳定在160kPa左右。将该值换算成水头值约为2094m，而该值与同时期的坝前水位值也比较相符。

原因分析：在2011年8月份之前，各测点孔隙水压力值较稳定，但后期随着坝前水位的增加，其测值增加较快，直至3个渗压计测值换算水头都与上游水位相符。因此，分析该部位渗压计已经与上游坝内水体贯通。

图6 大坝2 078m高程心墙上游侧孔隙水压力变化曲线图

从2078m高程面的下游侧渗压计测值变化曲线图（图7）可以看出，下游侧3支渗压计测值都偏小，并且很稳定，最大值不超过20kPa。

原因分析：位于下游侧的3支渗压计测值很小，其原因为该渗压计与下游侧透水性良好的过渡料层距离较近，内部孔隙水较易消散，因此孔隙水压力值较小。这也说明大坝心墙防渗效果很好，坝前水体未渗透到该部位。

图7 大坝2078m高程心墙下游侧孔隙水压力变化曲线图

4.3大坝填筑影响

从图5可以看出，从2010年4月填筑到EL2031m至2011年6月底，大坝填筑到EL2136m,大坝整体填筑速率较平稳。但从图上两条竖线处可以看出，即在2011年1月底前大坝填筑速率较快，而在之后，填筑速率明显降低。从两条竖线处的孔隙水压力斜率来看，孔隙水压力增长速率也明显减缓。因此，施工速率和孔隙水压力的增长基本成正相关。

4.4心墙黏土料物理参数影响

对心墙内三个高程面的黏土料，取该高程面多个部位的黏土料的物理参数进行平均，得出以下各高程面物理参数表，见表1。

由表1可以看出，EL2048m的含水率较其它部位偏高，小于5mm颗粒含量也偏高。又因为EL2048m部位的渗压计埋设时期为7月份，正值当地的雨季，而EL2031m施工时为4月份，雨水很少（见表2），雨水因素也增加了EL2048m高程面上的粘土的含水率，这也与EL2048m产生了较大的孔隙水压力相对照。

表1 大坝三个高程面上心墙料物理参数表

表2 坝区多年平均月降雨统计表

5 结语

（1）对于土石坝心墙，随着大坝的填筑、砾石土密实度的增加，心墙内部将形成孔隙水压力。

（2）该孔隙水压力的大小，在上覆荷载相同时，最主要的决定因素是上坝土料的含水率。

（3）该孔隙水压力将根据上覆荷载及上坝土料的含水率等物理参数指标的不同而达到一个相应的极限值，随后，该压力值将会开始慢慢消散。

（4）心墙内部观测到的压力值有孔隙水压力和与坝前水位贯通后的水头压力之分，需分别进行分析。

（5）为了大坝心墙的安全，应在大坝心墙内部不同部位增设渗压计数量，以便观测坝前水位对心墙的渗透深度。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.026

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1672-2469（2014）02-0094-04

吴国晓（1981年- ），男，工程师。