段 斌

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,成都 610041)

0 前 言

心墻堆石壩由于其對(duì)基礎(chǔ)條件具有良好的適用性、能就地取材和充分利用建筑物開挖料、造價(jià)較低及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在世界水電工程建設(shè)過程中占有重要的地位，是各國廣泛采用的壩型。通過可行性研究階段壩型、壩線及樞紐布置格局比選和研究，雙江口水電站采用碎石土心墻堆石壩，最大壩高314 m，是中國西南高山峽谷地區(qū)河道上修建的超級(jí)高壩工程。由于雙江口大壩壩高已超過世界已建最高的大壩——塔吉克斯坦的努列克心墻堆石壩(壩高300 m)，以及中國已建的最高心墻堆石壩——糯扎渡大壩(壩高261.5 m)，且國內(nèi)外缺乏300 m級(jí)心墻堆石壩的工程經(jīng)驗(yàn)，雙江口大壩工程建設(shè)已超出了現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定和已有經(jīng)驗(yàn)的范疇[1]。因此，必須高度重視300 m級(jí)心墻堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)難題，開展深入研究和技術(shù)攻關(guān)，不僅為雙江口工程建設(shè)提供必要的技術(shù)支持，同時(shí)也為今后中國乃至世界300 m級(jí)心墻堆石壩筑壩技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。為此，可研階段開展300 m級(jí)土質(zhì)心墻堆石壩的筑壩關(guān)鍵技術(shù)研究是十分必要的[2-5]。

1 工程概況及基本條件

1.1 工程概況

雙江口水電站是大渡河干流上游的控制性水庫，具有年調(diào)節(jié)能力[6]。電站裝機(jī)容量2 000 MW，多年平均年發(fā)電量77.07億kWh。工程樞紐由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河大壩采用土質(zhì)心墻堆石壩，壩頂高程2 510.00 m，最大壩高314 m，是目前世界在建的第一高壩，壩體填筑總量約4 400萬m3。雙江口水電站效果圖見圖1。

圖1 雙江口水電站效果圖

1.2 壩址地質(zhì)條件

雙江口水電站壩址地形為兩岸較陡的“V”形河谷，河床覆蓋層深厚，大壩設(shè)防烈度為8度。壩址區(qū)出露地層巖性主要為可爾因花崗巖雜巖體。壩址區(qū)無區(qū)域性斷裂切割。除F1斷層規(guī)模相對(duì)較大外，主要由一系列低序次、低級(jí)別的小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面組成；同時(shí)，兩岸巖體發(fā)育條數(shù)眾多、隨機(jī)分布的巖脈。壩址區(qū)河床覆蓋層一般厚48～57 m，最大厚度達(dá)67.8 m。

1.3 大壩方案擬定

在可研設(shè)計(jì)中，雙江口水電站碎石心墻堆石壩壩頂高程2 510.00 m，將心墻處覆蓋層挖除，心墻底部混凝土基座基礎(chǔ)高程2 196.00 m，混凝土基座橫河向?qū)?5.28 m，順河向?qū)?28.80 m?；鶅?nèi)設(shè)置基巖帷幕灌漿廊道(3 m×3.5 m)，最大壩高314 m，壩頂寬度16.00 m。上游壩坡為1∶2.0，高程2 430.00 m處設(shè)5 m寬的馬道；下游壩坡1∶1.90[6]。壩體典型設(shè)計(jì)見圖2、3。

2 面臨的筑壩技術(shù)難題

結(jié)合雙江口水電站工程特點(diǎn)，300 m級(jí)心墻堆石壩可研階段筑壩關(guān)鍵技術(shù)難題主要包括[7]：

(1) 近壩區(qū)筑壩材料特性及其對(duì)300 m級(jí)心墻堆石壩的適用性研究；

(2) 300 m級(jí)心墻堆石壩的壩體及壩基在各種工況下應(yīng)力與應(yīng)變分析；

(3) 300 m級(jí)心墻堆石壩壩殼對(duì)防滲心墻的“拱效應(yīng)”作用及水力劈裂問題研究；

(4) 300 m級(jí)心墻堆石壩壩基防滲結(jié)構(gòu)型式的選擇和安全可靠性分析；

(5) 300 m級(jí)心墻堆石壩壩基防滲體與壩體土質(zhì)防滲心墻的連接型式選擇及接頭構(gòu)造設(shè)計(jì)；

(6) 適應(yīng)高應(yīng)力、高水頭、大變形條件下300 m級(jí)心墻堆石壩的壩基防滲墻墻體材料研究；

(7) 壩體堆石料在高應(yīng)力作用下的變形特性對(duì)壩體沉降及防滲結(jié)構(gòu)的影響研究；

(8) 300 m級(jí)心墻堆石壩壩區(qū)滲流分析及控制方案研究；

(9) 300 m級(jí)心墻堆石壩在高地震烈度下的動(dòng)力反應(yīng)分析及抗震措施研究。

圖2 雙江口大壩壩體典型斷面圖 單位：m

圖3 雙江口大壩壩體軸線剖面圖 單位：m

3 主要研究內(nèi)容及成果

3.1 筑壩材料特性研究

3.1.1 防滲土料改性試驗(yàn)研究

(1) 經(jīng)過對(duì)心墻防滲料的摻和方案及摻和料特性試驗(yàn)研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)對(duì)摻和工藝、摻和參數(shù)以及摻和料特性的分析，雙江口水電站工程當(dāng)卡料場(chǎng)土料推薦摻和比例(干重量比)為黏土∶花崗巖破碎料=50%∶50%。

(2) 室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究成果表明，當(dāng)卡料場(chǎng)上部黏土與花崗巖破碎料摻和后具有較好的力學(xué)性質(zhì)，摻礫對(duì)強(qiáng)度的提高非常明顯。這表明，在摻礫料中，雖然礫石未能形成骨架，但已占有一定的體積，對(duì)摻礫料產(chǎn)生明顯的影響，摻礫料抵抗變形的能力比黏土大大提高。摻礫料工程特性能滿足雙江口300 m級(jí)心墻堆石壩對(duì)防滲土料的設(shè)計(jì)要求。

(3) 摻礫料壓實(shí)最優(yōu)含水率在14.5%～5.4%(摻和比例100%∶0～30%∶70%)，經(jīng)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)摻和工藝研究，礫料應(yīng)飽水后與土料進(jìn)行摻和。以花崗巖破碎料浸潤狀態(tài)含水率為1%計(jì)算，不同摻和比例時(shí)摻礫料加權(quán)含水率為15.1%～5.2%，略高于最優(yōu)含水率。50%∶50%摻比下，填筑最優(yōu)含水率約為7.7%左右，而按土料場(chǎng)平均天然含水率15.1%及礫石料面干含水率1.0%進(jìn)行加權(quán)，摻礫料的含水率約為8.8%，與最優(yōu)含水率較為接近，有利于施工填筑。

3.1.2 防滲土料材料特性及試驗(yàn)方法研究

(1) 提出了摻礫料固結(jié)排水剪切快速試驗(yàn)方法，并進(jìn)行了驗(yàn)證，解決了大型三軸試驗(yàn)進(jìn)行心墻料固結(jié)排水剪切試驗(yàn)時(shí)間太長的問題；進(jìn)行了摻礫料等應(yīng)力比應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，揭示等應(yīng)力比路徑下心墻料的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)蓄水階段，心墻剪應(yīng)變處于顯著回彈狀態(tài)；進(jìn)行了摻礫料真三軸試驗(yàn)，揭示心墻料的各向異性等應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，表明對(duì)不同的應(yīng)力狀態(tài)，心墻料可能呈現(xiàn)出較為顯著的各向異性特征。

(2) 進(jìn)行了非飽和心墻料的土水特征曲線試驗(yàn)，確定相關(guān)模型參數(shù)；進(jìn)行了接觸面應(yīng)力變形特性試驗(yàn)，揭示了接觸面等應(yīng)力比路徑下變形、強(qiáng)度特性。

(3) 利用位移控制式單軸拉伸儀和土梁彎曲儀，對(duì)雙江口水電站心墻土料進(jìn)行了系列的單軸拉伸、斷裂韌度和土梁彎曲試驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了壓實(shí)黏土拉伸應(yīng)力應(yīng)變特性及斷裂機(jī)理，建立了拉伸條件下壓實(shí)黏土的應(yīng)力應(yīng)變模型，揭示出斷裂區(qū)的大小和斷裂韌度可作為描述其裂縫擴(kuò)展行為的重要指標(biāo)。

3.1.3 堆石料材料特性及試驗(yàn)方法研究

(1) 對(duì)堆石料進(jìn)行了圍壓σ3不變的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，結(jié)果顯示，破壞時(shí)的偏應(yīng)力要比常規(guī)三軸試驗(yàn)大，且有更加明顯的軟化現(xiàn)象。

(2) 針對(duì)6種不同的初始應(yīng)力狀態(tài)，分別進(jìn)行堆石料3個(gè)主應(yīng)力方向上的單向加荷試驗(yàn)，結(jié)果表明堆石料應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性顯著，要準(zhǔn)確反映堆石料的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，應(yīng)采用能反映各向異性的本構(gòu)模型。

(3) 堆石料高應(yīng)力下顆粒破碎特性研究表明，顆粒相對(duì)破碎率與塑性功基本符合雙曲線的關(guān)系；顆粒破碎的增加將導(dǎo)致堆石料的抗剪強(qiáng)度降低，峰值內(nèi)摩擦角與顆粒破碎率之間近似呈線性關(guān)系，應(yīng)力路徑對(duì)其影響較小。

3.1.4 堆石料濕化特性試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/p>

(1) 堆石料的“單線法”試驗(yàn)和“雙線法”試驗(yàn)得到的濕化變形量差別較大；由于“雙線法”沒有反映濕化過程，“單線法”得到的濕化變形量更為合理，在對(duì)堆石料的濕化變形進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)以“單線法”為主。

(2) 堆石料的濕化軸向變形隨濕化應(yīng)力水平的增大而增大，并在濕化應(yīng)力水平0.6～0.8附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，在濕化應(yīng)力水平0.6～0.8之后，濕化軸向變形隨濕化應(yīng)力水平的增加而急速增大，而濕化軸向應(yīng)變與圍壓的相關(guān)性不大；堆石料濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平和圍壓相關(guān)，這與細(xì)粒料的濕化變形是不同的，濕化體積應(yīng)變隨濕化應(yīng)力水平和圍壓的增加而增加。

(3) 提出了堆石料濕化變形的經(jīng)驗(yàn)公式，濕化軸向變形與濕化應(yīng)力水平的關(guān)系可以用指數(shù)型函數(shù)擬合；濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平的關(guān)系可以用線性函數(shù)擬合，擬合曲線基本能反映堆石料的濕化變形特性。

(4) 堆石料的巖性對(duì)其濕化量的大小有重要影響，巖性越硬，其濕化應(yīng)變量越小，巖性越軟，其濕化應(yīng)變量越大。

3.1.5 堆石料流變特性試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/p>

(1) 三軸剪切流變?cè)囼?yàn)和K0狀態(tài)壓縮流變?cè)囼?yàn)成果具可比性，壓縮流變?cè)囼?yàn)可以視為單一應(yīng)力水平的三軸流變?cè)囼?yàn)，它不能反映應(yīng)力水平對(duì)堆石料流變的影響，進(jìn)行堆石料的流變研究，宜采用三軸流變?cè)囼?yàn)。

(2) 雙江口水電站堆石料的流變量與時(shí)間關(guān)系仍可采用冪函數(shù)表達(dá)，其流變規(guī)律符合九參數(shù)模型。

(3) 從靜力試驗(yàn)成果看，在試驗(yàn)制樣干密度下上、下游壩殼料的強(qiáng)度指標(biāo)差別不大，但從流變?cè)囼?yàn)成果看，由于上游壩殼料巖性較差，在長期荷載作用下，其顆粒破碎較大，較之下游壩殼料表現(xiàn)出較大的流變變形。

3.2 壩體及壩基變形與穩(wěn)定分析理論和方法研究

3.2.1 考慮接觸特性的大壩數(shù)值分析

考慮接觸特性進(jìn)行大壩數(shù)值分析時(shí)，在設(shè)置接觸面單元的局部部位會(huì)發(fā)生位移及應(yīng)力的不連續(xù)現(xiàn)象，但這種差別的影響范圍僅發(fā)生在接觸界面附近一定范圍之內(nèi)，對(duì)壩體總體的位移和應(yīng)力分布影響不大。采用不同的接觸面模型，其計(jì)算結(jié)果均符合一般規(guī)律，且結(jié)果差別較小。

3.2.2 黏性土抗裂機(jī)理及計(jì)算理論研究

(1) 提出了壓實(shí)黏土拉伸狀態(tài)下的脆性斷裂模型和鈍性斷裂帶模型，通過將土體裂縫彌散于實(shí)體單元，考慮壓實(shí)黏土達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度發(fā)生開裂后土體的各向異性，構(gòu)造了平面應(yīng)變條件下考慮壓實(shí)黏土脆性開裂過程的有限元算法。

(2) 提出了基于無單元法的壓實(shí)黏土彌散裂縫模型。通過將裂縫彌散到無單元法結(jié)點(diǎn)影響域中，并考慮壓實(shí)黏土張拉斷裂過程中的各向異性，構(gòu)建了基于無單元法的裂縫彌散理論的計(jì)算模式和點(diǎn)插值無單元法與有限元法的耦合方法。

(3) 考慮黏性土抗裂機(jī)理的大壩數(shù)值分析表明，在壩體岸坡頂部發(fā)生的壩體橫向張拉裂縫主要由壩體后期變形所致的壩頂不均勻沉降所致，盡量減小壩體的后期變形是預(yù)防壩頂發(fā)生橫向張拉裂縫的主要措施。雙江口水電站心墻堆石壩設(shè)計(jì)方案壩肩不會(huì)發(fā)生橫河向張拉裂縫。

3.2.3 考慮濕化和流變效應(yīng)的大壩數(shù)值分析

(1) 大壩濕化分析表明，濕化引起的上游壩殼的沉降要普遍比不考慮濕化時(shí)上游壩殼的沉降大?？紤]濕化變形后引起指向上游的變形增加。由于濕化變形主要發(fā)生在上游壩殼內(nèi)，對(duì)心墻的影響較小，故而對(duì)沉降最大值影響甚微。考慮上游壩體濕化后心墻各主應(yīng)力極值均有所增加，主要原因是上游壩體的濕化下沉效應(yīng)相當(dāng)于在心墻與上游壩體接觸部位增加一定的壓力而引起主應(yīng)力增大，故可減小心墻的拱效應(yīng)。

(2) 當(dāng)考慮壩體(包括心墻)的流變后，壩體豎向位移比不考慮流變時(shí)大壩的最大豎向位移增大，大壩的水平位移比不考慮流變時(shí)稍有增加，流變效應(yīng)主要導(dǎo)致大壩產(chǎn)生沉降；流變對(duì)壩體的應(yīng)力狀態(tài)影響很小[8]。

(3) 壩體濕化和流變綜合分析表明，壩軸向位移增量總體表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央變形；上下游壩坡附近順河向位移增量總體表現(xiàn)為向上游側(cè)變形；上游壩殼料沉降大于下游壩殼料變形，最大沉降值也略微偏向上游。

3.2.4 考慮流固耦合的大壩數(shù)值分析

(1) 采用基于擬飽和土固結(jié)理論的流固耦合有限元計(jì)算方法，全面研究了心墻堆石壩在各種工況下的應(yīng)力變形和滲流特性，對(duì)比分析了常用的鄧肯張E-B非線性模型和沈珠江雙屈服面彈塑性模型的表現(xiàn)，研究了大壩三維效應(yīng)，考察了水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)，提出了以有效小主應(yīng)力為判斷指標(biāo)，全面考慮壩殼和心墻的拱效應(yīng)、壩體與岸坡的拱效應(yīng)的水力劈裂判定方法。

(2) 因壩體填筑期歷時(shí)較長，故心墻料排水固結(jié)性能較好，壩體填筑期間已基本完成固結(jié)，僅心墻中部有少量超靜孔隙壓力。滿蓄期，庫水位上升至正常蓄水位后，心墻上下游之間的穩(wěn)定滲流很快建立，心墻內(nèi)的滲透力沒有導(dǎo)致心墻發(fā)生大的變形，滲透穩(wěn)定性可滿足要求。考慮裂縫愈合效應(yīng)，壩體黏性土料壩軸線上的垂直向應(yīng)力及孔隙水壓力基本上都呈線性分布，且孔隙水壓力的量值絕大部分小于垂直向應(yīng)力。分析結(jié)果表明，心墻的滲透穩(wěn)定性可以得到保障，心墻、帷幕等滲控體系起到了很好的防滲作用。

3.2.5 心墻水力劈裂數(shù)值分析

(1) 總結(jié)了在土石壩水力劈裂發(fā)生機(jī)理方面的研究成果。除了堆石料對(duì)心墻拱效應(yīng)之外，在土石壩心墻中可能存在的滲水弱面以及在水庫快速蓄水過程中所產(chǎn)生的弱面水壓楔劈效應(yīng)是心墻發(fā)生水力劈裂的另一個(gè)重要條件。

(2) 將彌散裂縫理論和所建立的壓實(shí)黏土脆性斷裂模型引入水力劈裂問題的研究中，擴(kuò)展了彌散裂縫的概念并與比奧固結(jié)理論相結(jié)合，推導(dǎo)和建立了用于描述水力劈裂發(fā)生和擴(kuò)展過程的有限元-無單元數(shù)值仿真模型。

(3) 心墻水力劈裂數(shù)值分析表明，按照設(shè)計(jì)的蓄水方案和速度，大壩具有較大的抗水力劈裂安全度，心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂破壞。

3.2.6 非線性指標(biāo)壩坡穩(wěn)定分析及可靠度研究

(1) 隨壩高的加高，相同坡比的壩坡對(duì)應(yīng)的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變小；隨壩坡的放緩，相同壩高的壩坡對(duì)應(yīng)的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變大。為保證高壩的壩坡穩(wěn)定可靠性水平，對(duì)于壩料基本為堆石料的面板堆石壩，可以采用放緩壩坡的方式加以解決；對(duì)于壩料組成較為復(fù)雜的土心墻堆石壩，尤其是建基于覆蓋層上的土心墻壩，尚需進(jìn)一步研究，并采取綜合措施加以解決。要保證不同高度大壩之間具有一致的壩坡穩(wěn)定可靠性水平，高堆石壩壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)可考慮按壩高分級(jí)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 研究的出的各工況下壩坡穩(wěn)定最小可靠指標(biāo)βmin和相應(yīng)滑弧規(guī)律與安全系數(shù)分析結(jié)果基本一致，βmin均滿足水工統(tǒng)標(biāo)要求。通過有限元強(qiáng)度折減法揭示了雙江口水電站堆石壩壩坡漸進(jìn)破壞過程及其3個(gè)主要失效模式，獲得其壩坡穩(wěn)定體系可靠指標(biāo)βs=6.81(SELM)和βs=6.70(RSISM)，壩坡整體可靠水平較高。根據(jù)“建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行可靠度評(píng)價(jià)，地震工況下，考慮大壩8度地震100年2%的條件概率下的大壩失效概率，壩坡穩(wěn)定最小可靠指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.3 心墻堆石壩結(jié)構(gòu)及分區(qū)設(shè)計(jì)

3.3.1 雙江口水電站心墻堆石壩布置型式比較

對(duì)比研究直心墻、斜心墻和弧形心墻3種方案，3種方案在地形地質(zhì)條件的適宜性、樞紐建筑物布置條件、施工特性和施工條件等方面基本沒有大的差異[9-11]。通過滲流控制、壩坡穩(wěn)定、壩體壩基的靜力與動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明，3種方案均符合心墻堆石壩的一般規(guī)律，各量值相差不大，防滲心墻仍有較大的安全裕度。由于3種方案的基礎(chǔ)處理范圍、壩體填筑工程量等方面的差異，導(dǎo)致投資略有差異，直心墻方案投資最省。

3.3.2 深厚覆蓋層壩基防滲處理方案研究

對(duì)比直心墻壩方案心墻底部設(shè)置防滲墻和心墻底部全部挖除覆蓋層2種方案，從壩坡穩(wěn)定性、滲流特性、應(yīng)力變形特性及施工組織等方面綜合比較，經(jīng)計(jì)算分析，宜將心墻底部覆蓋層全部挖除。

3.3.3 壩體填筑技術(shù)指標(biāo)對(duì)壩體應(yīng)力和變形特性的影響

采用5套計(jì)算參數(shù)，就不同的壩體填筑技術(shù)指標(biāo)對(duì)壩體應(yīng)力和變形特性的影響開展了研究。壩體三維靜力有限元應(yīng)力變形分析表明，大壩直心墻方案的壩體材料和分區(qū)設(shè)計(jì)從應(yīng)力和位移的角度看是合理的。此外，大壩上游堆石區(qū)在上部是否采用花崗巖料對(duì)大壩的應(yīng)力及變形影響極小。

3.4 心墻堆石壩壩體動(dòng)力反應(yīng)分析及抗震措施研究

3.4.1 壩體材料及覆蓋層壩基動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

在克服覆蓋層各砂礫石和透鏡體砂層的密度和級(jí)配確定、試驗(yàn)合理模擬、橡皮膜嵌入影響、橡皮膜刺破，試驗(yàn)成功率低等困難的情況下，首次成功進(jìn)行了最高圍壓力3 000 kPa的大型高壓力和復(fù)雜應(yīng)力條件下的粗粒土動(dòng)力特性試驗(yàn)。對(duì)大壩的反濾料Ⅰ、心墻摻礫料混合料、壩基砂、壩基砂礫料、主堆石料及過渡料等進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，研究壩體和壩基材料的動(dòng)力變形、動(dòng)力殘余變形及孔壓、動(dòng)強(qiáng)度等動(dòng)力特性性質(zhì)，提出相應(yīng)的本構(gòu)計(jì)算模型參數(shù)指標(biāo)，為壩體抗震設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析工作提供依據(jù)。

3.4.2 壩體及覆蓋層地基動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系及計(jì)算方法研究

(1) 對(duì)Hardin模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了振動(dòng)硬化模型及相應(yīng)的永久變形模型，提出了改進(jìn)的沈珠江永久變形模型。

(2) 基于廣義塑性力學(xué)，提出了PZ模型和改進(jìn)的臨界PZ模型，驗(yàn)證了模型的合理性，將模型應(yīng)用到了粗粒料和300 m級(jí)的土石壩動(dòng)力反應(yīng)分析中。

(3) 找出了多種模型之間參數(shù)存在的本質(zhì)聯(lián)系，如傳統(tǒng)Hardin模型和改進(jìn)的Hardin模型，以及Hardin模型與PZ模型之間參數(shù)的聯(lián)系，分析了計(jì)算參數(shù)的合理性，提出了由Hardin模型推導(dǎo)PZ參數(shù)的方法。

3.4.3 高壩抗震安全評(píng)價(jià)方法研究

(1) 在動(dòng)力計(jì)算方法中，對(duì)計(jì)入地基、考慮邊界為黏彈性、輸入地震動(dòng)波、采用基頻與地震波主頻確定阻尼系數(shù)等問題作了深入研究，前三者計(jì)算出動(dòng)力反應(yīng)均較傳統(tǒng)的方法要小。因此，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)一般是偏安全的。

(2) 應(yīng)用傳統(tǒng)和新的模型及計(jì)算方法，進(jìn)行了大壩加速度反應(yīng)分析、永久變形分析、抗液化分析、壩坡抗滑穩(wěn)定分析，判斷大壩的抗震安全性，分析大壩的抗震薄弱部位，為抗震措施設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。計(jì)算成果表明，大壩在設(shè)計(jì)和校核地震情況下，抗震能力是有保障的，且大壩還具有一定的承受超標(biāo)準(zhǔn)地震動(dòng)荷載的能力。

3.4.4 壩體與壩基振動(dòng)臺(tái)地震動(dòng)力模型試驗(yàn)研究

開展了一般重力場(chǎng)下高土質(zhì)心墻堆石壩大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，定性研究模型壩的動(dòng)力特性、地震動(dòng)力反應(yīng)性狀和破壞機(jī)理，并探討土石壩抗震工程措施。探討通過相似率，研究土石壩的動(dòng)力特性、地震反應(yīng)性狀和抗震性能。試驗(yàn)得到不同幅值輸入下的動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng)性狀等成果，可以作為驗(yàn)證和改進(jìn)土石壩地震動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算模式、分析方法和計(jì)算程序的基本資料。

3.4.5 壩體與壩基三維動(dòng)力響應(yīng)分析及抗震措施研究

(1) 大壩頻譜分析結(jié)果表明，建造在基巖上的土石壩主要振型的自振周期較長，300 m級(jí)高土石壩在地震強(qiáng)度高時(shí)，其基本自振周期一般為1.85 s，而壩址基巖地基的場(chǎng)地特征周期一般為0.1～0.2 s。從頻譜分析來看，高土石壩具有良好的抗震能力。

(2) 以震后永久位移突變作為壩坡失穩(wěn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，特征點(diǎn)位移突變時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)，以基于廣義塑性力學(xué)理論的PZ模型分析應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)，進(jìn)行了強(qiáng)度折減法壩坡動(dòng)力穩(wěn)定分析，結(jié)果表明，雙江口大壩壩坡是穩(wěn)定的。

(3) 首次采用基于已建土石壩實(shí)際震害的ANN模型對(duì)大壩震害進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)分析表明，大壩在設(shè)計(jì)地震情況下，震害等級(jí)為4級(jí)，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的震害現(xiàn)象。

(4) 在計(jì)算分析、模型試驗(yàn)、大壩震害及常用抗震措施調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出大壩抗震措施。主要包括：在壩頂壩高1/5范圍采用加筋處理；壩頂預(yù)留較大超高裕度；對(duì)可能液化砂層大部分挖除或壓重處理；提高壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)；上、下游壩面設(shè)置干砌石及大塊石護(hù)坡；分層分散設(shè)置樞紐泄水建筑物等。對(duì)土工格柵和鋼筋抗震措施進(jìn)行了試驗(yàn)和計(jì)算分析，對(duì)其抗震有效性進(jìn)行研究。無論是土工格柵或是鋼筋，在設(shè)計(jì)地震情況下加筋后壩坡動(dòng)力安全系數(shù)至少提高15%，在校核地震情況下動(dòng)力安全系數(shù)提高得更多。

3.5 心墻堆石壩滲流分析及滲控措施研究

3.5.1 心墻堆石壩壩料滲透特性研究

(1) 對(duì)不同摻和比和控制干密度心墻摻礫土料進(jìn)行了滲透特性試驗(yàn)，得出心墻土料的防滲性能與土的細(xì)粒含量有關(guān)，當(dāng)土料與摻礫料摻和比為50∶50～100∶0時(shí)，由于細(xì)粒土填充作用土樣的滲透性變化不敏感，滲透系數(shù)為10-6或10-7量級(jí)，具微透水性，當(dāng)摻和比為40∶60時(shí)，細(xì)粒含量少，導(dǎo)致滲透系數(shù)增大到10-5量級(jí)。

(2) 通過完整試樣的反濾試驗(yàn)、裂縫自愈試驗(yàn)和松填細(xì)顆粒土的反濾試驗(yàn)3種方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)反濾Ⅰ料級(jí)配的合理性。

(3) 上游側(cè)有保護(hù)黏土的心墻墊板開裂接觸滲流特性實(shí)驗(yàn)研究表明，在心墻墊板上游黏土包裹層和下游反濾層的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)墊板裂縫接觸滲流的“上堵”、“下排”的滲控功能；如果混凝土墊板未形成上下游貫通性裂縫，在下游反濾層的保護(hù)下，心墻黏土仍具有較高接觸沖刷抗?jié)B強(qiáng)度。

3.5.2 樞紐區(qū)滲流分析及滲控措施優(yōu)化研究

(1) 通過對(duì)樞紐區(qū)防滲系統(tǒng)的分析，壩體壩基的防滲系統(tǒng)(心墻+防滲帷幕)能夠有效控制地下水的分布和滲壓。

(2) 地下廠房區(qū)排水設(shè)計(jì)合理，廠房和主變洞室頂部的地下水基本被疏干，考慮一定的安全儲(chǔ)備，宜保留廠房和主變洞頂部的“人字頂”排水孔幕，廠房與主變洞之間設(shè)置排水廊道。同時(shí)，由于廠房上游側(cè)和右側(cè)臨近庫水，應(yīng)加密廠房上游側(cè)和右側(cè)的上、中、下層排水廊道的排水孔幕孔間距。

(3) F1斷層自身滲透系數(shù)的大小以及其延伸深度對(duì)右岸滲流場(chǎng)以及其中的帷幕滲透梯度有較大的影響，F(xiàn)1斷層附近的帷幕應(yīng)局部適當(dāng)加厚。

3.5.3 心墻堆石壩非穩(wěn)定滲流研究

(1) 水庫初次蓄水時(shí)，心墻內(nèi)的等勢(shì)線集中分布在心墻的上游側(cè)，使得心墻上游側(cè)出現(xiàn)較大的滲透力，對(duì)心墻防止水力劈裂較為不利。在河谷中央，心墻與混凝土基座之間不會(huì)發(fā)生接觸滲透破壞，而河谷兩岸心墻與混凝土基座之間發(fā)生接觸滲透破壞的可能性較大。

(2) 由于心墻的滲透系數(shù)很小，即使水庫初次蓄水速度較低時(shí)，心墻上游側(cè)的滲透坡降仍然較大，因此，應(yīng)針對(duì)水庫初次蓄水非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的心墻土料最大滲透坡降與允許滲透坡降之間關(guān)系開展進(jìn)一步研究。

(3) 水庫放空時(shí)，兩岸壩肩和岸坡的自由面降落較慢，高出庫水位較多，滯后現(xiàn)象明顯，且出現(xiàn)滲流逸出，這對(duì)上游庫區(qū)岸坡穩(wěn)定不利，應(yīng)予以重視。

3.5.4 壩體壩基防滲系統(tǒng)隨機(jī)缺陷對(duì)壩區(qū)滲流場(chǎng)影響研究

(1) 在給定的缺損比例條件下，不同的帷幕缺損隨機(jī)分布形式對(duì)壩基滲流場(chǎng)分布影響不大，帷幕下游側(cè)地下水位抬高有限，壩基滲流量增加不多。但是隨著上部帷幕缺損比例的提高，壩基下游側(cè)地下水位也有所升高，壩基滲流量也越大，說明上部帷幕對(duì)滲流場(chǎng)的影響較大，施工過程中應(yīng)該重視上部帷幕的施工質(zhì)量。

(2) 心墻開裂對(duì)壩區(qū)滲流場(chǎng)的影響巨大，心墻下游側(cè)地下水位有大幅升高，壩體滲流量也隨著縫寬的增大而急劇增加；心墻混凝土墊板產(chǎn)生上下游貫通的裂縫對(duì)壩區(qū)的滲流量影響較大。

(3) 在心墻摻礫料施工缺陷率(5%左右)較低的情況下，施工缺陷對(duì)壩體心墻的整體滲流場(chǎng)以及滲流量影響不大，但對(duì)心墻局部的滲透梯度的影響較大，特別是若心墻某個(gè)高程上的局部施工缺陷所占比例過大，會(huì)使該高程其他部位的滲透梯度值增大很多，甚至?xí)^其允許梯度值，影響心墻的整體滲透穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

(1) 在可研階段，針對(duì)雙江口水電站大壩開展了上述5項(xiàng)專題、23個(gè)子題的研究，取得了大量創(chuàng)新性研究成果，并將其運(yùn)用到雙江口水電站可研設(shè)計(jì)方案中，破解了300 m級(jí)心墻堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)難題，為保證雙江口水電站通過項(xiàng)目前期論證評(píng)估和實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

(2) 由于當(dāng)前國內(nèi)外300 m級(jí)心墻堆石壩可供借鑒的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)極少，研究成果和手段還需進(jìn)一步提升，本研究以壩高314 m的雙江口水電站工程為依托，實(shí)現(xiàn)了300 m級(jí)心墻堆石壩筑壩技術(shù)的突破，提升了中國水電工程設(shè)計(jì)和建設(shè)能力和水平，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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