面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验研究

易进栋，徐光明，朱大铮

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验研究

易进栋，徐光明，朱大铮

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

西北口水库大坝是我国建设的第一座百米级钢筋混凝土面板堆石坝，其百年一遇洪水渡汛水位降落幅度21.63 m，水位骤降速度最大可达3.65 m/h。面板尚未浇筑前的堆石坝体需临时拦洪渡汛，坝体垫层既起面板垫层作用，还要保证堆石坝体安全渡汛，水位骤降对垫层将产生拖拽力作用，影响到垫层的稳定性。本文通过面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验，对不同渗透性垫层安全渡汛进行了试验研究，试验研究成果被西北口面板堆石坝工程施工期安全渡汛设计采纳，为面板坝工程建设特别是施工期安全渡汛提供了技术支撑。

土工离心模型试验；模型坝；垫层安全渡汛；水位骤降速度；垫层渗透性

1 研究背景

西北口水库工程位于湖北宜昌上游长江支流黄柏河东支中游，距葛洲坝三江船闸46 km，控制流域面积862 km2，回水变动区区域长约25 km，总库容2.1亿m3。西北口水库以农业灌溉为主，兼有发电、防洪等综合效益。按西北口水库大坝百年一遇洪水标准，相应最大洪峰流量3 520 m3/s，3 d入库洪水总量达2.61×108m3。由于库区属山区性河流，洪水猛涨陡落，按施工调洪演算表明：从百年一遇洪水渡汛最高水位295.43 m下降至273.8 m，水位降落幅度计21.63 m，水位下降平均速度1.2 m/h，水位骤降最大速度可达3.65 m/h。

大坝上、下游坝坡坡度均为1∶1.4，坝顶宽8 m，最大坝高95 m，坝顶长216 m，坝体堆石填筑方量1.62×106m3，面板混凝土方量1.27×104m3、防渗覆盖面积2.84×104m2。坝体填筑分三区，即坝体堆石区、过渡层及垫层区。面板堆石坝工程施工期间，尤其是面板尚未浇筑时的堆石坝体需临时拦洪渡汛，坝体垫层既要起永久的面板垫层作用，还要起施工期临时防渗渡汛作用。水位骤降对垫层将产生拖拽力作用，严重时可危及垫层安全，进而影响大坝工程施工。为此，本文进行了不同水位骤降速度下不同渗透性垫层的离心模型试验，研究水位骤降时垫层的稳定性及可能发生的渗流冲刷破坏。

渗透系数k值较大的砂石垫层料具有良好的抵抗渗流冲蚀能力［1-2］，水位骤降会对垫层产生拖拽力作用。对于渗透系数较小的垫层，滞留于孔隙中的水不能及时排出而形成较高的孔隙水压力，可能降低其抗冲蚀能力并可导致坍坡。但只要垫层渗流保护措施适当，在垫层料渗流系数为1.3×10-3～1.4×10-2cm/s的条件下，垫层可以承受较高渗透坡降而不被破坏。

2 离心模型试验设计

2.1相似基本原理根据离心机容许的模型径向尺寸Lm和原型尺寸Lp确定模型率n（n=Lp/Lm），根据模型率n确定模型试验加速度am。原型面板堆石坝的坝料重度γp=ρpg，模型坝的坝料重度γm=ρmam，保证模型坝点位应力σm与原型坝相应点位应力σp相似，即σm=σp。由于有σm=ρmamLm, σp=ρpgLp，则可得：

式中：am为试验加速度；g为重力加速度；ρm、ρp分别为模型坝料和原型坝料的密度。

本文离心模型试验的模型坝试验材料采用与原型坝相同质量密度的坝料，即：ρm=ρp。当am=nap=ng时，即有σm=σp成立。

模型几何尺寸为原型的1/n，作用在模型上的体积力增加n倍，这样在相同的原型坝与模型坝材料及边界应力条件下，模型坝与原型坝在各相应点位上的应力应变相同，模型坝反映原型坝应力变形性状。这为土工离心模型试验的基本原理。

2.2水位骤降试验相似比尺本文垫层渡汛离心模拟试验几何比尺Cl=n（模型率）及时间比尺Ct（水位骤降历时），从量纲分析［3-4］并根据相似准则有：

按相似准则

即得时间比尺

式中：V为蓄水容积；H为水深；A为排水孔面积；g为重力加速度；t为骤降历时。

根据时间比尺和水位骤降速度，就可计算出模型从渡汛最高水位下降至低水位所需的控制时间［5］。

2.3模型坝面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验，模拟了大坝渡汛断面的上游2/3部分坝体（见图1所示的80 m×45 m的上游部分坝体），模型坝设计断面见图2所示，试验模型率n取160，试验离心加速度160 g。模型坝堆石和垫层料采用原型坝白云质灰岩与炭质灰岩粗、细石料，经粉碎、过筛并按图3级配曲线掺和配制，模型坝堆石料抗剪强度φ=40°、c=25 kPa，垫层料抗剪强度φ=43.5°、c=0。

垫层渡汛离心模型试验比较了垫层料渗透系数对垫层安全性的影响，试验中建置了3组模型坝，分别采用3种渗透系数的垫层料，模型设计参数见表1。

图1 西北口面板堆石坝渡汛断面（单位：m）

图2 垫层渡汛离心模型试验坝断面（单位：cm）

3 模型试验及成果分析

3.1模型试验将3组模型试验坝分别置于土工离心机模型箱进行水位骤降垫层渡汛离心模型试验。3种不同渗透系数的垫层渡汛离心模型试验坝前水位骤降速度分别是极速骤降（16.2 m/h）、百年一遇洪水快速骤降（3.65 m/h）及匀速骤降（1.2 m/h），旨在了解水位骤降速度、垫层渗透系数与垫层破坏的关系及机理。

表1 模型设计制作参数

图3 原型坝及模型坝材料颗粒级配曲线

水位骤降垫层渡汛离心试验模型置于离心力场后的试验过程可分为3个阶段：（1）水位骤降前将离心加速度提高到160 g，观测模型坝坝体和坝前水位稳定状况，在模型坝前水位达到渡汛水位稳定后进行下一步试验；（2）在160 g离心加速度下坝前渡汛水位稳定后，由计算机指令开启阀门水位下降并以每秒一次的速率记录传感器测定的水位变化过程，试验过程中由高速摄影系统跟踪拍摄观测坝体及其垫层的变化过程。其中模型坝前水位极速骤降（16.2 m/h）过程线见图4；（3）水位骤降中后期，水位骤降完成后15 min内继续高速摄影系统拍摄记录坝体及垫层的稳定情况，停机后吊出模型坝，实测并拍摄垫层稳定及破坏情况。

图4 极速水位骤降过程线

图5 模型坝垫层面冲刷和堆积（单位：×10cm）

3.2试验结果

（1）极速骤降模型试验。水位骤降前离心加速度达到160 g时，模型坝及垫层稳定完好。坝前水位骤降速度达16.2 m/h，即在80 min内骤降21.63 m，极速骤降试验目的旨在更多、更全面了解坝体垫层冲刷破坏与水位骤降速度的数量级关系。

在水位极速骤降的中后期结束时，垫层Ⅰ和垫层Ⅱ两组模型坝的垫层发生渗透冲刷破坏，垫层Ⅰ模型坝垫层坡面中部发生严重冲刷坍塌破坏。垫层Ⅱ模型坝骤降后期的垫层也发生明显冲刷变形，垫层下半部位发生大面积渗流冲刷破坏，局部垫层冲刷破坏深度1.0～3.0 m，垫层底部形成坍方堆积区的最大堆高达3.0 m，垫层坡面大面积渗流冲刷破坏情况见图5。垫层Ⅲ模型坝垫层料渗透系数k=1.4× 10-2cm/s，即垫层透水性好，在水位极速骤降试验后，模型坝垫层未产生明显变形也无破坏征兆。

（2）百年一遇洪水快速骤降模型试验。西北口面板堆石坝百年一遇洪水施工调洪演算水位降落幅度可达21.63 m，水位快速骤降可达3.65 m/h。在水位快速骤降（3.65 m/h）后期和结束时发生模型坝垫层的渗透冲刷破坏，垫层Ⅰ模型坝垫层料透水性较差，垫层坡面中部发生冲刷坍塌破坏，垫层坡面渗流冲刷情况与图5类似。在水位快速骤降试验完成后的垫层Ⅱ模型坝和垫层Ⅲ模型坝的垫层未产生明显变形也没有破坏征兆。

（3）百年一遇洪水匀速骤降模型试验。西北口面板堆石坝百年一遇洪水施工调洪演算得到水位匀速骤降速度是1.2 m/h，在此水位骤降速度情况下的垫层Ⅰ、垫层Ⅱ和垫层Ⅲ3组模型坝垫层均没有明显变形也没有渗流冲刷破坏。

试验研究表明：坝前水位骤降速度及其垫层渗透性是影响面板坝垫层安全渡汛的重要因素，垫层Ⅰ、垫层Ⅱ和垫层Ⅲ的3组模型坝在试验设定的3种水位骤降速度下的垫层变形和破坏情况汇总于表2。

3.3试验成果分析不同渗透系数（1.0×10-4cm/s、1.3×10-3cm/s、1.4×10-2cm/s）的砂石垫层（垫层Ⅰ、垫层Ⅱ、垫层Ⅲ）在3种坝前水位骤降速度下的垫层渡汛离心模型试验结果表明，仅有渗透性好（i× 10-2cm/s）的砂石垫层在坝前水位极速骤降（16.2 m/h）时方可安全渡汛；中等渗透性（i×10-3cm/s）的砂石垫层在百年一遇洪水快速骤降（3.65 m/h）也无破坏性影响；透水性欠佳即渗透系数较小（i×10-4cm/s）的砂石垫层在百年一遇洪水匀速骤降（1.2 m/h）也可安全渡汛。试验结果分析得到的垫层安全渡汛等级如表3所示。

表2 垫层渡汛水位骤降试验结果

表3 垫层安全渡汛等级

4 结论

为了探索面板堆石坝直接挡水安全渡汛的可行性，以西北口面板堆石坝为依托工程进行了垫层渡汛水位骤降离心模型试验研究，得到以下结论：（1）模型试验研究结果表明，渗透系数i×10-3cm/s级的砂石垫层在百年一遇洪水最大速度水位骤降时可以安全渡汛，试验结果被西北口面板堆石坝工程设计采纳。设计认同在垫层渗流系数为1.3×10-3～1.4×10-2cm/s条件下，垫层料可以承受较高的渗透坡降即水位快速骤降而不会被破坏。（2）通过面板堆石坝垫层渡汛离心模型试验研究，取得了不同类别渗透性的面板坝垫层的渡汛安全等级，离心模型试验可以节省昂贵的现场试验费用，而且得到了西北口面板堆石坝工程的验证，本文试验成果可供工程设计和施工人员在面板堆石坝工程垫层设计及施工中参考。

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Centrifugal model tests on the flood retaining scheme using cushion layer of a slab faced rockfill dam

YI Jindong，XU Guangming，ZHU Dazheng
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Xibeikou concrete faced rockfill dam is the first case of such a type of dam with a height of 100 meters.The drawdown of reservoir level prior to a flood with a reoccurrence of 100 years reaches a magnitude of 21.63 m，and the maximum rate of drawdown is about 3.65 m/h.Before casting the concrete slabs，the flood should be retained by the filled dam.The cushion material，which serves as a foundation of concrete slabs and is responsible for the safety during flood season，is subject to the drag of seepage force during drawdown of the reservoir level，and its stability needs careful verification.In this study，cen⁃trifugal model tests were conducted on flood retaining schemes using cushion materials with different permea⁃bility.These experimental results have been adopted in controlling the flood during construction of the dam，and have provided technical support for the safety of dam during flood seasons.

geotechnical centrifugal model tests；model dam；flood retaining using cushion materials；draw⁃down of reservoir level；permeability of cushion materials

TU411

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.010

1672-3031（2017）01-0065-05

（责任编辑：韩 昆）

2016-04-20

国家“七五”科技攻关项目（75-17-1-3-2）；南京水利科学研究院中央级公益性科研基金项目（Y315011）

易进栋（1958-），男，江苏南通人，学士，高级工程师，主要从事土工离心模型试验研究、水库防水堵漏及防冷凝水等研究。E-mail：jdyii2008@163.com