小浪底土石坝心墙拱效应分析

喻和平　江雄　张聪　曹磊　曹婷

摘要：结合小浪底大坝监测资料，基于有效应力算法，采用一个能表征心墙拱效应强弱的评价指标，对大坝心墙拱效应进行计算。结果表明：施工期拱效应系数变化较稳定，竖向范围内坝体上部的拱效应比下部显著，同一高程拱效应系数中间部位最小，向上游和向下游逐渐增大，土压力呈马鞍形分布，心墙中部附近土压力最小；运行期同一高程拱效应从上游到下游依次减弱，拱效应系数主要受库水位和土体固结排水因素的影响，短期内受库水位影响大，长期则受土体固结排水的影响，拱效应系数的变化与库水位变化正相关，从总体趋势看，拱效应系数在缓慢减小；所有测点拱效应系数均大于零，说明坝体处于安全状态。

关键词：拱效应系数；土石坝心墙；填筑高程；库水位；小浪底大坝

水利工程中，土石坝心墙填筑料与坝壳料相比存在不同的压缩性，不同材料间沉降量和沉降時间的差异。使得心墙和坝壳交接处产生剪应力。而剪应力的存在会阻止心墙继续沉降，此时坝壳处类似于一个拱脚，因而产生心墙拱效应。产生拱效应时，坝壳处所受压应力增大，下部继续沉陷，心墙将产生拉应力区，若产生的拉应力超过心墙介质的抗拉强度时，就会产生裂缝，危及坝体安全。目前，随着国内越来越多土石坝尤其是高土石坝的建设，如何合理评估其心墙拱效应是十分重要且复杂的问题。小浪底大坝是国内已建成的斜心墙高堆石坝，对其拱效应进行分析研究具有重要意义。本文基于小浪底大坝施工、运行期的心墙应力监测资料。分别探讨大坝施工期和运行期心墙拱效应特征，以期对高土石坝心墙拱效应理论、高土石坝的运行及管理提供借鉴。

1工程概况

小浪底水库位于河南省洛阳市北40 km处的黄河干流上，水库最高运用水位275 m，设计总库容126.5亿m3，坝体总填筑量5 184.7万m3，坝基总开挖量770万m3。拦河大坝为壤土斜心墙堆石坝，坝体斜心墙防渗料主要由粉质黏土组成，防渗墙顶端设有高塑性土区，坝壳由堆石体构成。设计最大坝高154 m，右岸深槽实际施工最大坝高达160 m，坝顶长度为1 667 m，坝顶宽度15 m，坝底最大宽度864 m，上下游坝坡分别为1：2.6（下部1：3.5）和1：1.75，河床段坝基处于深厚砂砾石之上，砂砾覆盖层厚70-80 m。1991年9月，小浪底水利枢纽前期工程开工，1994年9月主体工程开工，1997年10月28日实现大河截流，1999年年底第一台机组发电，2001年12月31日全部竣工，总工期11 a。