基于离心模型试验的前坪水库坝体变形研究

历从实 钱亚俊 葛爽

摘 要：根据前坪水库工程砂砾石黏土心墙坝的设计分区、陡峻岸坡等不利地形条件以及覆盖层的土层分布，采用离心模型试验对主坝不同特征时段的变形特性及黏土心墙内土压力分布特性和孔压分布特性等进行了研究，并对大坝的填筑及蓄水过程进行模拟计算，研究竣工期、满蓄期大坝的应力、变形特性。结果表明：坝体沉降变形主要发生在施工期，蓄水引起的坝体沉降不大。坝体在满蓄状态下，运行管理期存在一定的长期变形。离心模型试验结果显示，在试验条件下，坝体运行管理期沉降增量较竣工期增长10.9 cm，该变形可能会导致坝顶公路、防浪墙等附属结构发生差异变形而出现局部开裂，应引起管理方重视。同时揭示，在长期水荷载作用下，心墙未出现裂缝，在模拟历时3 000 d过程中，坝体上游水位未发生变化，下游区域未见明显渗水，表明黏土心墙有很好的防渗性能，心墙未发生渗流破坏。

关键词：黏土心墙;砂砾石坝;协调变形;前坪水库

中图分类号：TV62;TV882.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.017

Abstract：Based on the unfavorable terrain conditions and soil layer distribution of overburden of the designed zoning of sand-gravel clay core wall and steep slope of Qianping Reservoir， by using the centrifugal model test， the deformation characteristics of unsteadying infiltration characteristics of different time periods and distribution features of the clay core wall in earth pressure and pore pressure distribution characteristics were studied. It also simulated and calculated the filling and storage process of the dam and studied the time of completion and the characteristics of stress and deformation of the dam in the full storage period. The results show that the main subsidence deformation of the dam occurs during the construction period and the subsidence caused by water storage is not large. Under the condition of full storage， the dam body has long-term deformation in operation and management. The centrifugal model test results show that under the test conditions， the settlement increment during the operation management period of the dam body increases by 10.9 cm comparing with that during the completion period， and the deformation may lead to the differential deformation of the auxiliary structures such as the highway at the top of the dam and the wave wall， resulting in local cracking， which should be paid attention to by the management. At the same time， it is revealed that under the action of long-term water load， there is no crack in the core wall. During the simulation lasting for 30 00 days， the upstream water level of the dam body does not change and there is no obvious water seepage in the downstream area， indicating that the clay core wall has good impermeability and the core wall has no seepage failure.

Key words： clay core wall; gravel dam; coordinated deformation; Qianping Reservoir

土工離心模型试验方法、设备日益完善和成熟[1-2]，能满足模型与原型应力水平相同的要求，被国内外专家公认为是目前研究岩土工程问题最为有效、最为先进的研究方法和试验技术，得到广泛应用。金大龙等[3]通过离心模型试验对高水压条件下的海底隧道盾构开挖面稳定性进行了研究，孙静等[4]通过离心模型试验方法对土石混合填料的高填方路基沉降变形进行了分析，张崇磊等[5]通过离心模型试验对高铁强夯地基沉降进行了研究，谷定宇等[6]通过离心模型试验对深大基坑支护方案进行了研究。在水利工程方面，赵天龙等[7]通过离心模型试验对堰塞坝漫顶溃坝机理进行了研究，李从安等[8]对面板堆石新型结构进行了离心模型试验研究，王年香等[9]对高堆石坝心墙渗流特性进行了离心模型试验研究，汤明高等[10]通过离心模型试验对三峡库区库岸滑坡变形特征进行了研究，都取得了一定成果。但通过离心模型试验对不良级配砂砾石黏土心墙坝变形研究的文献不多。前坪水库筑坝砂砾石料因建坝前当地群众长期无序开采，故导致河床表面3～5 m以下范围内5～20 mm级配料缺失，局部大粒径料集中，针对这种不利情况，通过离心模型试验对前坪水库主坝（黏土心墙砂砾石坝，坝顶长818 m）不同特征时段的变形特性及黏土心墙内土压力分布特性和孔压分布特性等进行了研究。

1 试验内容与设备

1.1 试验内容

通过试验分析284 d施工期、蓄水期、近9 a运行期（设计水位标高，下同）坝顶沉降及坝体剖面变形特性，黏土心墙内土压力及孔压分布特性。

1.2 试验设备

（1）400gt离心机。离心模型试验在南京水利科学研究院400gt土工离心机上进行，该机的最大半径（吊篮平台至旋转中心）为5.5 m，最大加速度为200g，最大负荷为2 000 kg，吊篮平台尺寸为1 100 mm×1 100 mm。该机装有100通道的银质信号环，其中10路电力环、70路应变测量信号、20路位移测量信号，还配备1路气压环（压力20 MPa）、2路液压环（压力20 MPa，供水速率30 L/min）。转臂采用先进的双铰支跷跷板结构，有一定自调平衡能力，另外该机还配有一套动态调平系统。

（2）测试仪器。坝体沉降采用进口激光位移传感器（Wenglor-YP05MGVL80型激光位移计）测量，其特点是精度高、抗干扰能力强。孔隙水压力采用微型孔隙水压力传感器测量，此传感器的特点是灵敏度高、信号强、干扰小。

（3）数据采集系统。该系统由前置数据采集装置、集流环及微机组成，配备90路测量通道，其中70路用于应变测量、20路用于位移测量，数据采集频率为1次/s。前置数据采集装置安装在离心机转臂端部靠近挂斗处，直接与测量传感器连接，微机放在控制室中，便于试验过程中随时获取试验数据。试验时，模型中埋设的传感器输出的信号由前置数据采集装置实时采集，采集的信号经集流环上传至主机，由主机显示、存储测量结果并进行处理。

（4）闭路电视系统。该系统由高分辨率CCD摄像机、监视器、录像机组成。试验时将高分辨率CCD摄像机安装在离心机转臂端部挂斗上，其镜头对准模型箱有机玻璃面，该面为模型侧断面，制模时在模型表面做好测量标志。标志网格点的坐标由摄像机摄入后经集流环上传至监视器中显示，这样在试验过程中可监视模型在任一时期的变形情况，必要时可用录像机录制整个试验过程，以便于试验后处理。

2 试验方法

2.1 建立试验模型

前坪水库最大坝高90.4 m，坝基覆盖层厚约8.5 m，取大坝最大断面，按平面问题进行试验。综合考虑试验要求及试验条件等因素，确定本次离心模型试验的模型比尺为1∶160。模型及传感器布置见图1。

2.2 模型制备

模型制备程序：加工堆石料和心墻料→根据含水率配制心墙料→根据密度要求填筑心墙（期间在相应的位置埋设孔隙水压力传感器）→按填筑密度填筑堆石料→安装坝顶位移传感器。

试验模拟了心墙和堆石两种筑坝材料。离心机模型心墙料的限制粒径取40 mm，按等量替代法确定模型心墙料的颗粒级配。堆石料的限制粒径取60 mm，先按相似级配法进行缩尺，再按等量替代法确定模型堆石料的颗粒级配。

试验模型坝体的填筑方法：根据颗粒级配要求加工心墙料和堆石料，按含水率和干密度（ρd=1.72 g/cm3）要求配制心墙料和堆石料，采用分层方法首先填筑心墙料，根据填筑密度和体积称取每层所需心墙料的质量，重型击实到层厚5 cm，用刮刀刮去多余部分，然后按相同的方法填筑堆石料（压实后每层层厚均为5 cm）。

试验模型布置了位移传感器和孔隙水压力传感器。在坝顶中心处安装位移传感器，测定施工期、蓄水期和运行期坝体的沉降。试验模型中初始无水，通过在离心机上安装水箱和电磁阀模拟蓄水过程。在离心机加速度达160g后开通电磁阀向上游放水模拟蓄水期，蓄水位为418 m。

2.3 试验过程

（1）将模型放入离心机吊篮中→传感器接线，进行试验全程测试→将离心机加速度提高到设计加速度，模拟坝体施工到坝顶设计高程423.5 m→不停机向上游加水至418 m高程，模拟蓄水期→保持蓄水水位，离心机继续运行，模拟运行期。

（2）停机→将模型箱吊出→放空蓄水→观察模型有无异常情况→拆卸模型→数据处理。

3 大坝施工期及运行期变形特性研究

对坝顶沉降变形采用激光位移传感器进行直接测量，对坝体内部变形采用图像处理PIV技术处理试验过程中采集的照片信息，对比标定点的位置相对变动，换算出坝体内部变形。

坝体内部孔压分布采用微孔压计直接测得。试验测得的坝顶沉降过程线如图2所示。

由图2可知，离心加速度由0增大到160g，模拟坝体施工过程，施工历时约300 d，此时坝顶最大沉降为152.3 cm。之后保持离心加速度不变，打开电磁控制阀，向模型上游侧注水，模拟坝体蓄水过程，模型蓄水历时100 d左右。蓄水期坝体沉降继续增加，但增加量不明显。蓄水结束后，坝顶最大沉降为156.7 cm，比竣工期增加了4.4 cm。蓄水至设计水位后，关闭注水阀门，模拟水库满蓄状态下坝体的运行期变形过程，模拟历时约2 600 d。保持满蓄状态，坝体运行期变形继续增大，运行期最大沉降达163.2 cm，较竣工期增加了10.9 cm。沉降在蓄水结束2 100 d后，基本保持不变直至试验结束。试验测得的孔压过程线如图3所示。

由图3可知，在离心加速度由0增大到160g模拟坝体施工过程中，黏土心墙内部孔压传感器有较小的量值，表明在施工过程中，心墙渗透系数较小，坝体受自重影响发生变形，导致坝体内部出现一定的超孔压。蓄水开始后，随着水位不断升高，埋设在心墙迎水面附近的孔压传感器量值迅速增大，蓄水结束时孔压达到最大值，并在之后的运行期基本保持不变。而埋设在下游面对应314 m高程的孔压传感器的反应明显滞后于其他传感器，原因是蓄水过程中心墙内部尚未形成稳定渗流场，渗流水体通过坝体到达心墙下游面位置，受渗透路径影响，表现出明显的滞后特性。

采用图像处理PIV技术分析心墙变形过程中，因受到干扰，部分图片中标记点位置不清晰，故作为无效点处理，目前识别的有效点为25个，蓄水后由于受水的浸泡，多数标记点失效，因此目前只针对竣工期进行整理。竣工期离心模型试验测得的心墙变形等值线见图4。

由图4可知，竣工期心墙最大沉降为175 cm，发生在距坝底65 m处坝轴线附近，较坝顶沉降大22.7 cm。

需要进一步说明的是，由于坝体水平位移远小于竖向位移，因此在离心模型试验中测得的水平位移量值非常小，已经超出了PIV技术的识别精度，由此绘制的图形规律性不好。从图形上看，水平位移基本呈左右对称分布。

4 离心模型试验的数值反馈

受离心模型试验技术的限制，试验过程中测得的数据非常有限，且受传感器性能限制以及其他干扰因素影响，导致采集的许多数据无效。采用数值模拟手段对离心模型试验的完整过程进行数值模拟，作为试验的补充。数值模拟计算模型尺寸与离心模型试验保持一致，计算参数采用土工试验中获取的参数，模拟加载过程与离心试验保持一致。

4.1 建立三维有限元模型

结合离心模型箱尺寸，建立与离心模型试验同尺寸的三维有限元模型，如图5所示，模型共12 960个节点、10 920个单元。模型底部施加三向约束，模型四周施加法向约束。

4.2 计算结果

将计算得到的坝顶沉降与离心模型试验测得的沉降进行比较，见图6。

将计算得到的竣工期心墙沉降和水平位移与试验测得的坝顶沉降与水平位移进行比较，见图7。

由计算结果与试验结果对比可以看出，心墙沉降值与计算结果比较吻合，试验沉降值与计算值比较接近，分布规律基本一致，最大沉降发生的位置也较为吻合。水平位移的试验值与计算值有出入，但量值整体差别不大。

5 结 论

采用离心模型试验手段，对前坪水库工程黏土心墙砂砾石坝坝体的协调变形特性和渗流稳定特性开展模型试验研究，得出如下结论：

（1）物理模型试验直观体现了黏土心墙在施工期、蓄水期和運行期变形发生发展的过程，揭示了黏土心墙中超孔压的累计消散对坝体变形特性的影响。

（2）试验结果表明，坝体沉降主要发生在施工期，蓄水引起的坝体沉降量不大。离心模型试验结果显示，在试验条件下，坝体运行期沉降增量较竣工期增长10.9 cm，该变形可能导致坝顶公路、防浪墙等附属结构发生差异变形而出现局部开裂，应引起管理方重视。

（3）在试验条件下，坝体运行期沉降发展缓慢，沉降达到稳定状态需要约7 a时间。

（4）试验结果同时揭示，在长期水荷载作用下，心墙不会出现裂缝，在模拟历时3 000 d过程中，坝体上游水位未发生变化，下游区域未见明显渗水，表明黏土心墙有很好的防渗性能，心墙未发生渗流破坏。

（5）采用数值模拟的手段反馈离心模型试验过程，对比计算结果和试验结果，两者吻合度较高，也印证了本研究所采用的计算模型、计算方法和计算参数的合理性。

参考文献：

[1] 梁波，厉彦君，凌学鹏，等.离心模型试验中微型土压力盒土压力测定[J].岩土力学，2019，40（2）：818-826.

[2] 贾程宏，侯瑜京，魏迎奇，等.三维摄影测量技术在土工离心模型试验中的应用[J].中国水利水电科学研究院学报，2019，17（3）：188-196.

[3] 金大龙，袁大军，郑浩田，等.高水压条件下泥水盾构开挖面稳定离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2019，41（9）：1653-1660.

[4] 孙静，孙琳.土工离心模型试验研究土石混合填料的沉降变形特性[J].中外公路，2019，39（2）：14-18.

[5] 张崇磊，刘琪，李丞，等.高速铁路强夯地基沉降的离心模型试验研究[J].铁道标准设计，2019，63（2）：19-25.

[6] 谷定宇，丁怀民，彭涛.深大基坑支护方案的土工离心模型试验研究[J].结构工程师，2016，32（2）：152-158.

[7] 赵天龙，陈生水，付长静，等.堰塞坝泄流槽断面型式离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2017，39（10）：1943-1948.

[8] 李从安，文松霖，李波，等.面板堆石坝新型结构离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2017，39（增刊1）：214-218.

[9] 王年香，施练东，应立锋，等.面板堆石坝加高离心模型试验研究[J].水利与建筑工程学报，2016，14（5）：13-19.

[10] 汤明高，李松林，许强，等.基于离心模型试验的库岸滑坡变形特征研究[J].岩土力学，2020，41（3）：755-764.

【责任编辑 张华岩】