水中填土均质土坝变形特性分析

□张宏斌（山西省水利建设开发中心）

0 引言

20世纪70年代初至80年代中期，黄河中上游地区出现了一种群众创造的筑坝方法——水中填土筑坝。多年试验和实践证明：水中填土筑坝是一种应该推广的先进筑坝方法。这种施工方法具有工期短、投资省、质量有保证等优点[1],在施工期坝体含水量高、孔压大、密度小、强度低、固结度低、坝体存在着一个流态区，施工进度不易控制等特点[2]。前人对李长江，田晓辉（2002）[3]对水中填土坝设计施工和试验几个问题进行了探讨，研究表明施工期的土壤干容重、土壤含水量、时间、施工速度对水中填土坝的强度、工程质量都有很大影响。湿陷性黄土的危害来源于湿陷性质，由于黄土湿陷变形具有突发性，不可连续性，不可逆性等失稳破坏特征[4][5]，因此深入研究其湿陷机理十分重要。郭锐（2003）[6]对湿陷性黄土地基沉陷原因进行了分析，表明湿陷性黄土水分子楔入土颗粒之间，破坏联结薄膜，土的强度迅速降低，在土自重压力或土自重压力及附加压力的作用下，结构逐渐破坏，从而发生湿陷现象。

文峪河水库大坝为山西省水中倒土法施工的第二高坝，坝高55.63 m。在多年运行期间，坝体经历不均匀沉陷、坝体裂缝和水库出现渗漏等工程问题。管理单位借助土坝坝体监测系统的观测，及时了解到大坝运行过程中坝体的变形情况，并对相关问题进行了处理，迄今为止大坝已安全运行60年。文章基于山西省文峪河水库的观测监测资料，分析黄土高原区水中填土筑坝土坝运行过程中的变形特性和原因，为类似地区利用水中填土填筑土坝、堤防提供参考[7]。

1 供试材料

大坝：文峪河水库大坝位于黄土高原的山西省吕梁地区文水县开栅镇北峪口村西，因水库截汾河支流文峪河水筑成，得名文峪河水库[8]。水库距太原市约60 km，总库容1.17亿m3，兴利库容0.48亿m3，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电等综合利用的大Ⅱ型年调节水库。文峪河水库枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪供水发电隧洞及水电站等建筑物组成。大坝分为主坝段和副坝段，0+000～0+420 m为副坝段，0+420～0+720 m为主坝段，坝顶长720m。大坝坝型为水中填土均质坝，坝顶高程841.03 m，最大坝高55.63 m。主坝坐落在主河槽砂砾岩基础上，副坝坐落在长300 m，宽350 m，厚6～16 m的天然黄土台地上。

地质：文峪河水库所处大地构造位置为吕梁太行断块五台山块隆的西南部狐堰山山字型褶带前弧顶与南东侧反射弧接合部位，东与晋中新裂陷的西谷南庄凹陷接壤，西社大断裂和交城大断裂控制着水库区构造格架[9,10]。文峪河水库拦河大坝位于交城大断裂上升盘河流出山口处。

运行情况：水库于1959年11月开工，1961年6月拦洪，1970年6月竣工，投入运行。结合多年运用经验，运行期间，逐步对汛限水位进行了调整。1962-1974年空库拦洪，汛限水位814.80 m；1975年汛限水位提高到 821.00 m；1987年提高823.00 m；1988年提高到824.00 m；1991年提高到826.00 m；1998年调整为825.50 m；1999年提高到827.00 m，20多年来，共提高汛限水位12.20 m。

监测系统：为了解文峪河水库运行过程中变形情况，在坝体上设置了包括坝体及坝基沉陷观测管20个，坝体及坝基沉陷观测布置如表1所示。

表1 坝体及坝基沉陷观测布置相对坐标表

2 结果与分析

2.1 垂向沉降量随时间的变化特征

选取其中0+180 m断面测点的沉降数据作为分析垂向变形量（沉降量）随时间变化特征的代表点。据：10年（1961-1970）实测数据有图1所示的过程线。

图1 垂向变形量（沉降量）随时间变化特征图

从图1可以看出：在10年的观测期内，土坝的沉降过程基本完成，表现在1967-1970年间其变形量基本趋于稳定。初始变形量即沉降量很大，占到总变形量的90%以上，后期的变形量不大占总变形量的10%，初始变形量在施工和初次蓄水期完成，即1962-1963年间完成，并以很快的速度完成。在水库蓄水后的前期，累积沉降量的大小受蓄水深度等因素的影响波动较大，而后期波动很小。

水中填土筑坝的施工初期，随着坝体逐渐填筑，坝基黄土台地受到不断增加的坝身自重压力的作用开始排出孔隙水，使得土壤孔隙减小[11]，坝体本身和坝下黄土台地逐渐变形和固结，其变形既有永久性的塑性变形又有部分弹性变形，这个过程在加载过程中或加载过程后的较短时间或孔隙水消除的过程中完成，所以初期的沉降速度较快，出现了初期沉降量很大的现象。随着水库的蓄水，库区水位升高，在坝体内形成随水位变化的坝体浸润线。库区蓄水或浸润线的形成，使浸润线之下的坝基或坝体土成为饱和土，孔隙水压力形成，承担了其上部部分土体的重量，原土体所受压力减小，使原土体的弹性变形得以恢复高[12]，浸润线越高，弹性变形的恢复率越高。此外，原土体的塑性变形在缓慢减小，弹塑性变形两者递加的综合结果是累计变形量的波动。蓄水的初期，弹塑性变形剧烈，蓄水的后期平稳，因此出现了累计沉降量的大小初期波动较大[13]，而后期波动很小的形象。

2.2 不同地基类型的沉陷特征

根据1960-1974年坝轴线累计沉降量数据，绘制累积沉降量沿主坝和副坝轴线变化曲线（见图2）。

图2 累积沉降量沿主坝和副坝轴线变化曲线图

由图2可见：主坝段（0+420～0+720 m）累积沉降量比副坝段（0+000～0+420 m）小，主坝累计沉降量在1.00 m以下，而副坝累积沉降量在1.00～3.00 m之内。主坝累计沉降量波动小，而副坝累积沉降量波动大。

主坝坐落于主河槽砂砾岩基础上，而副坝座落在长300 m，宽350 m，厚6～16 m的天然黄土台地上。副坝坝基土质疏松，平均孔隙度在50%以上，为中强湿陷性黄土。尽管施工期采用预浸预压法处理，即在坝体填筑前对台地浸水，在填筑过程中，堆土加压借助水中倒土固结排水和上部土荷载的增加，达到浸水加压，促使黄土沉降固结，但处理影响深度远远达不到16 m深度。分析认为副坝坝基随坝体高度的增加和完工后坝基的饱和，由于湿陷性出现了较主坝大的变形，平均10 m厚的台地覆盖层，单位厚度变形量增量15 cm。主坝变形量小的原因在于水中填土施工方法使湿陷性在施工过程中完成其大部分，所检测到的变形量仅为后期缓慢塑性变形的递加值。

2.3 同一横断面的沉降量变化特征

根据坝体监测点布设情况选取副坝段（0+180 m）断面的不同测点（表2），分析同一横断面的沉降量变化特征。根据表2所示相同断面不同检测点及变形量，绘制坝体剖面变形量随检测位置的变化如图3所示。

表2 相同断面不同监测点及变形量统计表

图3 坝体剖面变形量随监测位置的变化图

由图3可知：副坝段沿垂直坝轴线方向累积沉降量变化范围不大但数值相对很大，最大沉降量为2913 mm，从上游段到下游段沉降量基本上成一条直线规律。副坝段横剖面方向沉降规律靠近上游端沉降量比下游端大。

副坝段坐落在厚6～16 m的天然黄土台地上，黄土湿陷性强，土质疏松，孔隙度达到50%，沉陷条件优良。在外力和自重作用下土体不断得到压密，孔隙变小，故沉降量很大。随着水库蓄水，库区水位升高，上游段坝体长期与水体接触，在坝体内形成浸润线。浸润线之下的坝体与坝基土成为饱和土，浸润线规律是从上游到下游逐渐降低，因而上游段饱和土比下游段多。饱和土体除土骨架外，全部孔隙为水所充填，而孔隙水是可以假定为不可压缩的。在上部荷载不变的情况下，饱和土体不只是土骨架可以承受压力，孔隙中水体也可以承受一定的压力，这就使得饱和土多的上游段沉降量比下游段小。

3 结论

一是水中填土筑坝的施工初期，坝体本身和坝下黄土台地逐渐变形和固结，其变形既有永久性的塑性变形又有部分弹性变形，这个过程在加载过程中或加载过程后的较短时间或孔隙水消除的过程中完成，所以初期的沉降速度较快，出现了初期沉降量很大的现象。

二是水库蓄水后，在坝体内形成随水位变化的坝体浸润线，使浸润线之下的坝基或坝体土成为饱和土，孔隙水压力形成，承担了其上部部分土体的重量，原土骨架所受压力减小，使原土骨架的弹性变形得以恢复。蓄水位越高，浸润线越高，弹性变形的恢复率越高。

三是由于土坝浸润线从上游到下游逐渐减小，造成上游段饱和土比下游多，而饱和土中填充的水也会承受一定的压力，土体骨架承受的压力相应的就会减小，因而靠近上游段土坝沉降量比下游段小。

四是黄土湿陷变形具有突发性，不可连续性，不可逆性等失稳破坏特征，湿陷性黄土水分子楔入土颗粒之间，破坏联结薄膜，土的强度迅速降低，在土自重压力或土自重压力和附加压力的作用下，结构逐渐破坏，从而发生湿陷现象，造成在黄土台地上建造的土坝沉降量很大。

[1]黄文熙.水坠坝的固结理论及其应用[J].水利学报，1982（9）：11-20.

[2]王笑冰，赵寿刚，孟献颖，马卫东，杨小平.岩土工程试验计算与工程技术研究[J].人民黄河,2000(9)：37-39.

[3]李长江,田晓辉,张加强.关于水中填土坝设计施工和试验几个问题的探讨[J].黑龙江水利科技,2002(2)：41.

[4]苗天德，刘忠玉，任九生.湿陷性黄土的变形机理与本构关系[J].岩土工程学报,1999(4)：383-387.

[5]赵景波，岳应利，陈云.黄土湿陷性及其成因[J].地质力学学报，1997（4）：62-67.

[6]郭锐.湿陷性黄土地基沉陷原因分析及预防[J].科技情报开发与经济，2003（8）：283-284.

[7]熊成林，王万顺，田冬成，孙建会.安全监测技术在软基筑坝工程中的应用[J].中国农村水利水电，2004(3)：59-61.

[8]唐纯伟，杨石眉，陈世伟.文峪河水库左岸滑坡体稳定性分析[J].泥沙研究，2003(6)：70-74.

[9]李杜元.解决山西省文峪河水库安全问题的途径[J].中国西部科技，2009（18）：27-28.

[10]杨海琴，石瑞青，王雅.文峪河水库主坝渗流稳定分析[J].东北水利水电，2003(10)：21-23.

[11]刘占芳，杨全虎，姜乃斌.饱和软土地基弹塑性固结沉降研究[J].重庆建筑大学学报，2005（2）：51-55.

[12]张伟民.土坝在水库水位下降期的滑坡机理[J].中国农村水利水电，2004(8)：48-50.