復雜地形條件下土石壩心墻安全關鍵問題探討

韓朝軍，楊家修，湛正剛，慕洪友，程瑞林

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近20年來，隨著瀑布溝(186 m)、糯扎渡(261.5 m)、長河壩(240 m)、兩河口(295 m)、雙江口(314 m)等一批大型水電工程的開工建設，我國高心墻堆石壩筑壩技術邁入國際領先水平。總結這些高壩工程的建設條件，其突出特點是河谷狹窄、岸坡陡峻、“V”或“U”形河谷兩岸不對稱且多變坡，部分工程壩基為深厚覆蓋層。圖1統計了國內外壩高在150 m以上的高心墻堆石壩河谷寬高比情況，除了奧羅維爾、小浪底外，其他工程的河谷寬高比均在1.18～3.27。其中，奇科森壩(261 m)是目前世界上建在復雜河谷地形上最為典型的工程實例，其心墻兩岸幾乎接近垂直，左岸坡最陡處坡比為1∶0.1；中國在建世界最高的雙江口壩(314 m)，心墻基礎左岸開挖坡比為1∶1.25，右岸開挖坡比為1∶0.7，也屬于建設在不對稱河谷上的典型工程。

圖1 典型高心墻堆石壩河谷寬高比統計

河谷狹窄、不對稱岸坡及岸坡突變等復雜地形條件對堆石壩安全將產生不利影響，這是工程建設長期關注的核心關鍵問題。眾多學者開展了相關研究工作，朱晟、鄧剛等[1- 4]研究了河谷地形對面板堆石壩應力變形的不利影響，揭示了峽谷地區面板變形及擠壓破壞的內在機理；張澤禎[5]結合國外典型工程實例，對高土石壩與基礎接合面的若干問題作了詳細的闡述與分析；于玉貞[6]研究了不同河谷地形條件下三維效應對心墻堆石壩壩坡穩定的影響規律。但針對復雜河谷地形對土石壩安全影響研究，國內外可借鑒的成果仍然較少，尤其缺乏系統性的理論研究和認知。從工程建設角度考慮，由復雜地形帶來的不利安全問題仍是工程界重點關注的問題之一。因此，開展復雜地形條件下土石壩心墻安全關鍵問題研究，把握工程建設核心關鍵技術，對指導工程實踐、制定合理安全防控措施以及推動科學技術進步均具有重要意義。

鑒于此，本文結合國內外最新研究成果，在總結了復雜地形條件下土石壩心墻應力變形特性及心墻安全關鍵問題的基礎上，重點探討了心墻與陡峻岸坡之間的剪切滲流安全、岸坡突變引起的壩肩橫向張拉開裂、狹窄河谷心墻應力安全及變形穩定等問題，揭示了問題的形成原因及作用機理，并給出了工程安全防控的一般建議，研究結論可為類似工程建設提供借鑒。

1 問題的提出

1.1 復雜地形下堆石壩心墻應力變形特性

國家“十二五”期間，結合“高心墻堆石壩變形特性與控制技術研究”科研課題，筆者[7]研究了岸坡陡緩、不對稱性、岸坡突變等復雜地形條件對堆石壩心墻應力變形特性的影響，得出的主要結論為：

(1)岸坡越陡，心墻與岸坡之間的剪切作用越強；當岸坡坡度達到1∶0.5時，豎向剪切變形顯著增大；岸坡越緩、河谷越寬，心墻受力條件越好，也更利于心墻與岸坡之間的剪切變形控制；從經濟性角度考慮，岸坡開挖以優先適應原始地形條件為宜；狹窄河谷需重點關注心墻應力降低、后期變形收斂問題。

(2)岸坡是否存在不對稱性，對心墻總變形影響不大，但陡岸側心墻拱效應增強、心墻與岸坡接觸剪切變形進一步增大，緩岸側心墻頂部易因不均勻沉降出現橫向張拉裂縫問題。

(3)對于“內傾型”變坡(即下緩上陡)，需重點關注上部豎向剪切變形過大帶來的剪切滲流安全問題；對“外傾型”變坡(即上緩下陡)，需重點關注變坡附近的不均勻沉降問題，以及由此帶來的壩肩橫向張拉裂縫問題，如圖2所示。

圖2 外傾型變坡心墻頂部拉應力分布(單位：高程m，應力kPa)

1.2 問題分析

分析導致上述問題產生的原因，主要有以下3個方面：①河床中部沉降大于兩岸，若左右岸不對稱明顯，或岸坡突變過大，二者之間的變形梯度就會在緩岸坡或突變部位頂部增大，若拉應力超過心墻的抗拉強度時，就會發生裂縫。②狹窄河谷心墻拱效應增強，使心墻豎向應力降低，嚴重時就會導致心墻底部應力小于墻前水壓力，無法滿足防滲要求，誘發心墻發生水力破壞(水力劈裂或水力擊穿)。③若岸坡過于陡峻，心墻與岸坡之間將發生較大的非連續接觸變形且隨時間持續發展，應力條件也將發生改變，成為誘發接觸滲透破壞發生的薄弱部位。

1.3 奇科森壩的啟示

奇科森壩[8]位于墨西哥南部的格里哈爾瓦河上，工程于1974年開工，1980年建成，心墻堆石壩最大壩高261 m。壩址地形屬狹窄河谷，2/3壩高的下部心墻兩岸幾乎接近垂直，左岸坡最陡坡比為1∶0.1，右岸有一埡口，大壩心墻縱剖面如圖3所示，其中，T為Tejeria料，取最優含水量；C為La Costilla料，比最優含水量低0.8%；W為La Costilla料，比最優含水量高2%～3%。

圖3 奇科森壩縱剖面(上游立視)示意(單位:m)

為了適應上述特殊地形條件，大壩設計解決了3項關鍵技術問題：①心墻與壩肩接觸層的相互作用；②心墻與反濾接觸層的相互作用；③在左岸坡突變處有可能產生拉應力區。問題①、②均會使心墻底部應力降低。

該工程首先考慮了沿兩岸壩肩自200 m高程到壩頂鋪設寬4 m的軟弱土條帶，如圖4a所示。經三維有限元計算，心墻底部總垂直應力為3.0 MPa，達到了相應水壓力的1.5倍，但在220～300 m高程之間靠近壩肩處出現總垂直應力低于水壓力的情況，該區域有可能發生水力劈裂問題。為了改善奇科森壩的應力狀態，提出了6個比較方案，如圖4所示，最終從垂直應力對稱分布和應力強度角度考慮，確定了方案f為最終設計方案。同時，在橫剖面上在高程310 m到壩頂的心墻和反濾層之間鋪設一條軟粘土材料，以減小該區內的相互作用。

圖4 奇科森壩改善岸坡應力的6種接觸黏土鋪設方案

奇科森壩至今已安全運行39年，其成功經驗啟示，通過研究合理設計接觸粘土的部位、厚度、填筑壓實指標及含水率，可有效改善心墻應力條件，解決復雜地形條件下心墻與岸坡的變形不協調問題。

為了避免復雜地形對堆石壩心墻安全的不利影響，我國現行碾壓式土石壩設計規范規程對堆石壩心墻建基面開挖提出了明確要求，例如：①與土質防滲體連接的岸坡開挖，巖石岸坡不宜陡于1∶0.5；②岸坡上緩下陡時，變坡角應小于20°；③在鄰近心墻與岸坡1～3 m范圍內(高壩采用大值)的接觸面，應填筑黏粒含量高、塑性好的接觸粘土，其含水率略高于最優含水率(1%～4%)，且在填土前應用粘土漿抹面；④土質防滲體與岸坡連接處附近，宜擴大防滲體斷面并加強反濾層保護。

2 心墻與陡峻岸坡剪切滲流安全問題

1976年壩高92 m的美國Teton壩失事，工程界高度重視土石壩心墻與基礎連接的重要性，提出了在基巖與心墻之間設置墊層混凝土和接觸黏土的設計理念。但心墻與混凝土材料性質相差較大，二者之間存在典型的非連續接觸問題，在界面兩側常會出現較大的剪應力并發生位移不連續現象，從而導致十分復雜的應力變形性態[9]。因此，長期以來人們對土石壩心墻與岸坡之間的接觸滲透穩定心存擔憂，尤其是高壩，認為心墻與岸坡之間的大剪切變形有可能誘發接觸滲透破壞問題。基于最新研究成果，筆者認為工程實踐中需結合接觸面剪切滲流試驗、工程實際運行條件等，對上述問題作更深入客觀分析。

2.1 剪切滲流試驗成果分析

RM高心墻堆石壩河谷寬高比1∶2.1，是狹窄河谷上的典型工程。為研究大剪切變形條件下堆石壩心墻與岸坡之間的滲流安全問題，開展了直剪滲透試驗、三軸剪切滲流試驗和旋轉連續剪切滲透試驗。試驗結果表明，在常規圍壓條件下，接觸粘土的滲透系數隨軸變和剪應變的增大而減小，并最終趨于穩定，表現出對接觸滲透穩定有利的一面。當粘粒含量為15%、垂直應力為50 kPa時，直剪滲透試驗測得的接觸面臨界坡降最小為106.5，當垂直應力超過500 kPa時，臨界坡降超過240。三軸剪切滲流試樣的軸向應變達到18%時，接觸粘土的滲透系數降低1～2個數量級。當旋轉連續剪切滲透試驗的剪切變形最大達到3 m時，水力坡降最大達到300，試樣仍未發生滲透破壞。另外，雙江口[10]、兩河口[11]等工程接觸土料的大剪切變形滲流試驗均得到了上述類似的規律，其中長河壩[12]考慮在有反濾層保護下，高塑性粘土與混凝土面的接觸沖刷臨界坡降可達到82.2。由此可見，雖然心墻與岸坡之間的接觸粘土出現了較大的剪切變形，但接觸帶仍具有較高的防滲抗滲能力，不會產生接觸滲透穩定問題。

2.2 工程實際運行條件

糯扎渡工程最大壩高261.5 m，壩頂高程821.5 m，截至2014年8月底，心墻填筑至808.56 m，上游最高水位蓄至791.79 m。通過施工期埋設的8支剪變形計監測，心墻與岸坡之間的剪切變形值在16.99～72.50 mm，最大剪切變形發生于左岸817.53 m高程，剪切變形總體表現為上部陡峻岸坡大，下部緩坡小的特點。心墻與岸坡剪切變形監測布置如圖5所示。

圖5 糯扎渡壩心墻與岸坡剪切變形監測布置(單位：m)

在心墻距岸坡墊層混凝土面水平距離3 m處，表1給出了軸向變形監測點測得的累積軸向相對變形值。由表1可知，心墻與岸坡之間的最大相對軸向位移在181.77～326.63 mm，最大相對變形表現出頂部和底部小、中部高程大的規律。心墻與岸坡之間80%以上的剪切變形量主要在施工期完成，實際蓄水引起的剪切變形量并不大。

表1 糯扎渡壩心墻與岸坡間累積軸向相對變形實測值[13]

注：河床接觸粘土底高程571.2 m，心墻頂高程820.5 m。

為降低蓄水帶來的不利影響，工程建設可通過優化筑壩材料設計、合理設置接觸粘土厚度、預埋粘土灌漿管、加寬心墻延長滲徑、提高壓實標準及降低初期蓄水速率等工程措施加以解決。鑒于當前在模擬心墻與岸坡之間剪切變形方面，有限元計算結果與監測值存在較大差異，且現有高壩監測技術易發生儀器損壞、數據異常等現象，心墻與岸坡之間的剪切變形問題有待進一步深入研究。

3 岸坡突變引起壩肩橫向張拉開裂問題

3.1 壩肩橫向張拉問題發生機理

由于受地形條件的限制，土石壩的壩肩坡度往往會發生變化，形成壩肩變坡，或稱“岸壁突變”，主要表現為“內傾型”和“外傾型”兩種情況。根據一般工程經驗，存在外傾型壩肩變坡的土石壩心墻在固結過程中易產生不均勻沉降、橫向裂縫，嚴重時蓄水后會誘發水力破壞[14-16]。近些年相關研究[17-19]也驗證了上述現象。針對此問題，前蘇聯H.H.羅扎諾夫認為[20]，壩肩橫向裂縫是土石壩裂縫中最危險的情況。筆者通過研究認為，引起壩肩橫向張拉問題的根源可從以下3個方面解釋：

(1)基巖凸出變坡位置主應力偏轉。在基巖凸出存在變坡點的位置，若水庫蓄水速率過快，會在靠近上游的心墻水平面上出現一個有效小主應力小于零的區域，尤其在心墻與岸坡接觸面附近，受蓄水后主應力偏轉的影響，上下游水流方向與小主應力作用面方向正交，形成了容易發生水力破壞(滲透破壞)的薄弱面[19]。

(2)不均勻變形引起剪切、張拉開裂區。朱俊高等[21]研究了300 m級弧形直心墻超高堆石壩應力變形特性得出，堆石壩心墻內部的應力水平并不高，應力水平較高的區域主要出現在兩壩肩處，如圖6所示。努列克壩離心機模型試驗揭示[22]，在鄰近峽谷岸坡的心墻頂部出現了拉伸區，而在心墻中部(沿壩軸向)為壓縮區，如圖7所示；在沉降值按比例變化的情況下，拉伸區和壓縮區的位置不變，僅隨峽谷形狀的改變而變化；當拉伸應變達到7×10-5時，壩肩有裂縫出現，換算至原型壩的裂縫深度為9～10 m。筆者曾研究了Cougar壩、El Infiernillo壩、小浪底等多個工程壩頂裂縫產生的機理及成因[23]，并通過三維有限元數值分析方法加以驗證得出，土石壩壩頂裂縫產生的根本原因是土體承受的應力應變超過其抗拉強度或抗剪強度后發生的3種破壞，即張拉破壞、張拉-剪切復合破壞和剪切破壞；直接原因是壩頂不均勻沉降及其持續發展；蓄水作用、濕化和流變變形是壩頂不均勻沉降的關鍵影響因素；在蓄水及長期運行過程中，土石壩壩頂的應力變形將經歷一個復雜的變化過程，此過程蓄水速率和高水位對壩頂變位的影響最為敏感。因此，從剪切及張拉破壞機理角度分析，在心墻與岸坡接觸的壩肩部位，因變形的不協調性產生剪切破壞區、張拉開裂區或脫空區，形成了容易發生水力破壞(滲透破壞)薄弱帶。

圖6 雙江口壩心墻縱剖面剪應力水平分布[21]

圖7 努列克壩心墻縱剖面拉應力分布示意[22]

(3)低圍壓剪脹條件下，粘土滲透系數增大。RM、雙江口、兩河口等工程接觸剪切滲流試驗均沒考慮更低圍壓的情況。王剛[24]、雷紅軍[25]等通過試驗進一步揭示，在50～100 kPa以下的更低圍壓條件下，土料剪切變形的初期滲透系數會反向增大1～2個數量級，之后趨于穩定，其主要原因是土體在低圍壓剪切存在較強的剪脹性。在實際工程中，低圍壓區域主要分布在心墻頂部20～30 m范圍內的土體，該部位施工期變形并不大，但后期變形明顯，加之庫水位往復循環，防滲體應力變形條件將變得十分復雜，是較易誘發心墻水力破壞或發生接觸滲透破壞的薄弱環節，工程建設應引起重視。

值得說明的是，在Sherard[14]、Lo[15]等分析認為是心墻水力劈裂的工程實例中，水力破壞絕大多數發生在壩頂附近，并且均在很小水頭作用下出現。因此，上述對壩肩橫向張拉開裂機理的分析，一定程度上也進一步揭示了這一現象。

3.2 張拉裂縫發生條件的進一步驗證

為了進一步探討RM高土石壩壩肩橫向張拉裂縫的發生條件，采用高土石壩張拉裂縫三維有限元-無單元耦合方法開展了裂縫預測分析研究，結果如表2所示。計算結果表明，大壩竣工運行5年后，在右壩肩有橫向張拉區域出現，大致分布在距右壩端20 m范圍內，但無橫向裂縫出現。進一步的敏感性分析表明，不斷增大壩體后期流變效應的影響，當壩頂最大沉降1.25 m時(方案3)，右岸壩肩開始出現橫向張拉裂縫，最大裂縫寬度2 cm，裂縫深度3.0 m；當壩頂沉降3.32 m，超高最大壩高的1%時，最大裂縫寬度10 cm，裂縫深度6.0 m。

為了防止壩頂橫向裂縫發生，工程設計除了嚴格壩體變形控制外，建議在高土石壩左右壩肩易發生裂縫區域，采用接觸粘土代替礫石土料，在堆石區與岸坡接觸部位采用過渡料填筑；另外必要時還可采取預埋灌漿管、提高壩頂壓實標準、降低水庫初期蓄水速率等工程措施，進一步降低高壩大庫蓄水運行風險。

表2 RM高土石壩竣工后壩頂后期變形敏感性分析

4 狹窄河谷心墻應力安全及變形穩定問題

4.1 狹窄河谷對心墻水力破壞影響分析

通常認為，土石壩心墻拱效應除了受心墻與壩殼堆石區模量差影響外，還與河谷地形的強約束作用密切有關，尤其以狹窄河谷最為明顯，當心墻承受的實際豎向應力降低至理論土壓力的40%～50%以下(約墻前水壓力值)，有可能使心墻內部出現水平裂縫，誘發水力劈裂，從而危害大壩安全。

圖8給出了考慮和不考慮岸坡約束條件下，某高土石壩心墻拱效應系數沿高程的分布。由圖8可知，在沒有岸坡約束時，心墻拱效應系數最小值為0.464，有岸坡約束時最小值為0.416，二者最大相差僅10%，由此說明狹窄河谷帶來岸坡強約束作用，對心墻應力的影響并不顯著。

圖8 受岸坡約束影響的心墻拱效應系數對比

長期以來，對心墻發生水力劈裂可能性的判別，通常采用總應力法或有效應力法準則。圖9為奇科森壩心墻縱剖面豎向應力分布。根據總應力判別準則，奇科森壩有限元計算的心墻底部應力為2.5 MPa，略小于墻前水壓力2.57 MPa，底部有發生水力破壞的風險，但實踐證明奇科森壩運行安全。

圖9 奇科森壩心墻縱剖面豎向應力[8](單位：高程m，應力MPa)

對于RM高土石壩而言，基于土石壩流固耦合計算方法，計算得到的心墻拱效應系數最小值為0.416，按照總應力法判別結果，在心墻距壩底3/4高部位有發生水力破壞的風險；按有效應力法判別，計算得到的心墻有效小主應力均大于0，不會發生心墻水力破壞問題。針對此問題，國內學者[26-28]作了大量研究，近來研究指出[29]，心墻固結過程中由于滲透系數減小引起的高孔隙水壓力問題，對心墻應力將產生顯著影響。

針對上述問題，采用多場耦合分析方法[7]，考慮心墻滲透系數的非線性變化特性(取k0=1.2×10-7cm/s，α=0.925)，定義拱效應系數為豎向總應力(σ′y+u)與理論土壓力γwH的比值，計算得到壩軸線上心墻拱效應系數沿高程分布如圖10所示。由圖10可知，考慮心墻滲透系數變化后，心墻拱效減弱。其要原因是實際工程土體受剪切固結的影響，心墻料滲透性降低，超靜孔壓明顯提高，導致心墻總應力增加。因此，在工程建設中，建議數值模擬應綜合考慮上述多因素作用，客觀評價狹窄河谷對心墻安全帶來的不利影響。

圖10 考慮滲透系數變化的心墻拱效應系數分布

4.2 狹窄河谷對心墻后期變形影響分析

圖11為奇科森壩后期變形增量實測值[30]。由圖11可知，自1981年至2010年，奇科森壩后期變形最大值約50 cm，發生在心墻頂部；竣工后心墻與岸坡之間最大剪切變形在5～10 cm，且自心墻底部至頂部呈增大趨勢，這與壩體后期變形特性有關；心墻變形梯度最大的區域主要發生在心墻與岸坡臨近部位，且岸坡越陡，變形梯度越大。

圖11 奇科森壩竣工后心墻變形增量[30]

根據周偉等[31]研究結論，由于拱效應的存在，狹窄河谷中的堆石壩初期變形速率會受到一定程度的抑制，壩體達到變形穩定的時間較長。因此，工程建設中對于狹窄河谷的心墻堆石壩，一方面可適當提高心墻頂部的填筑標準，可在心墻中部填筑模量相對較高的礫石土，以減小后期變形量，加速壩體盡早達到變形穩定狀態；另一方面在心墻兩壩肩附近采用高塑性接觸黏土填筑，減小壩肩發生橫向裂縫的可能性。

5 結 論

本文基于國內外最新研究成果，探討了復雜地形條件下土石壩心墻安全關鍵問題的形成原因及作用機理，揭示了工程建設需進一步深入研究的方向，得到的主要研究結果如下：

(1)受岸坡陡緩、不對稱性、岸坡突變等復雜地形條件的不利影響，工程建設需重點關注心墻與陡峻岸坡剪切滲流安全問題、岸坡突變引起壩肩橫向張拉開裂問題，以及狹窄河谷心墻應力安全及變形穩定問題。

(2)對于陡峻河谷地形條件，雖然心墻與岸坡之間的接觸粘土出現了較大的剪切變形，但接觸帶仍具有較高的防滲抗滲能力，不會產生接觸滲透穩定問題。考慮到心墻與岸坡之間80%以上的剪切變形量主要在施工期完成，實際蓄水后對結構安全影響的有害變形量并不大。

(3)受主應力偏轉、不均勻變形以及低圍壓土體剪脹性的影響，在心墻頂部20～30 m范圍內的土體，蓄水后應力變形條件將變得十分復雜，是較易誘發心墻發生水力破壞或接觸滲透破壞的薄弱環節，工程建設應引起重視。

(4)在工程建設中，數值模擬宜綜合考慮心墻滲透系數變化對心墻應力的影響，客觀評價狹窄河谷對心墻安全帶來的不利影響。

(5)復雜地形修建心墻堆石壩，除了嚴格壩體變形控制措施外，建議在高土石壩左右壩肩易發生裂縫區域，采用接觸粘土代替礫石土料，在堆石區與岸坡接觸部位采用過渡料填筑；適當提高心墻頂部的填筑標準，可在心墻中部填筑模量相對較高的礫石土，以減小后期變形量，加速壩體盡早達到變形穩定狀態；采取預埋灌漿管、降低水庫初期蓄水速率等工程措施，可進一步降低高壩大庫蓄水運行風險。