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某水電站礫石土心墻堆石壩心墻拱效應監測分析

文檔作者：王開明．王海軍文檔來源：中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年08月29日
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第53卷第5期
2017年5月
甘肅水利水電技術
GANSU WATERRESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY
V01．53．No．5
May，2017
·設計與研究·
某水電站礫石土心墻堆石壩心墻拱效應監測分析
王開明．王海軍
(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)
摘要：心墻拱效應會顯著降低大壩心墻豎向應力，在土石壩蓄水后，水壓力超過土中應力時容易誘發水力劈裂，破壞大
壩結構安全。該文以某水電站礫石土心墻堆石壩施工期心墻土壓力監測資料為基礎，對心墻土壓力的時間及空間變化
特征進行了分析，認為心墻在1 520～1 620 m高程段拱效應明顯，土壓力等值線基本呈“v”字形，即壩軸線處拱效應最
強，向壩殼方向遞減。
關鍵詞：心墻；拱效應；監測；堆石壩
中圖分類號：TV641．4；TV698．1 文獻標志碼：B 文章編號：2095—0144(2017)05—0023—03
1 前言
近年來，中國高土石壩迅速發展，200 Ill甚至
300 m級的高壩已經建成或正在建設中。土石壩設
計施工過程中，心墻拱效應一直是工程界普遍關注
的問題。心墻拱效應會顯著降低大壩心墻豎向應
力，在土石壩蓄水后，水壓力超過土中應力時容易
誘發水力劈裂，嚴重時會形成集中滲漏，破壞大壩
結構安全[1-2】。因此，合理評估心墻拱效應顯得十分
必要。
早在1884年，英國科學家Roberst首次發現了
“糧倉效應”：糧倉底面所承受的力在糧食堆積高到
一定程度后達到最大值并保持不變，這就是通常所
說的土拱效應。1943年，Terzaghi通過著名的活動門
試驗證實了土力學領域土拱效應的存在，并得出其
存在條件：土體之間產生不均勻位移或相對位移；作
為支撐拱腳的存在[31。
該文以某水電站礫石土心墻堆石壩施工期心墻
土壓力監測資料為基礎，從時間及空間變化特征對
心墻土壓力進行闡述，并對心墻拱效應狀況予以分
析，以期更深入地了解高心墻堆石壩拱效應。
2工程概況及監測布置
某水電站攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，防滲
體采用礫石土直心墻形式，壩殼采用堆石填筑，心墻
與h、下游壩殼堆石之間設有反濾層、過渡層。壩體
建基面最低高程1 457．00 m，最大壩高240 In，壩頂
長度502．85 rfl，礫石土直心墻頂高程1 696．4 m，
頂寬6 ITI，上、下游坡均為1：0．25，心墻底高程
1 457．00 m，最大底寬125．7 ITI。由于壩線兩岸岸坡陡
峻，心墻與岸坡接觸部位填筑高塑性黏土以協調二
者之間的變形，高塑性黏土水平厚度3。4 m。大壩
于2016年9月完成填筑。
該水電站大壩心墻應力的監測主要采用土壓力
計，分別布置于(縱)0+137．00、(縱)0+193．00、(縱)
0+253．72、(縱)0+330．00和(縱)0+394．00斷面，典型
監測斷面儀器埋設情況如圖1所示，圖中“E”代表
土壓力，數字代表儀器編號。攫1◆善藩懺砸短。齡=l。
1。48。0J一}iIiji：li；；2l!{；i；!：；lil；li壘：
收稿日期：2017—05一01
作者簡介：王開1弭(1985一)，男(苗族)，貴州都勻人，工程師，碩士，主要從事大壩安全監測、施工組織與管理，E—mail：276107530@qq．com。
·23·
萬方數據
2017年第5期甘肅水利水電技術第53卷
3心墻拱效應特征分析
3．1 時間及空間特征分析
大壩填筑過程中，壩殼料沉降速度快，大部分沉
降在短時間內完成；而心墻排水固結會持續較長時
間，即在填筑完成后，仍有一定量值的后續沉降。由
于心墻沉降相對壩殼沉降滯后，使得壩殼料類似一
個拱腳，這種變形不協調會引起心墻應力的重新分
配，部分心墻應力傳遞到兩側壩殼，從而使壩殼應力
增加，心墻尤其是壩軸線處應力減小，形成心墻拱效
應。
由土壓力監測結果圖2可知，1 460 m高程心墻
土壓力與填筑高度即上覆土柱自重具有良好正相關
性，隨填筑高程增加而增加，在初始填筑過程中心墻
土壓力增幅與理論土壓力基本一致；但在填筑高程
升高至1 620 m高程后，心墻土壓力增幅明顯減小，
表明心墻各高程拱效應逐漸顯現，約束了上部土體
應力向下傳遞。
l·l J?l I{I J1-【-1’r
一
【tl”J—l
I州『?Ⅱ時／(年一H一}|)
圖2 1 460 m高程心墻土壓力過程線
由土壓力監測結果圖3可知，1 580 m高程靠近
壩殼料的心墻土壓力接近或略大于理論土壓力，而
壩軸線處明顯小于理論土壓力，心墻拱效應明顯，壩
殼作為拱座承擔拱應力。
lr0}06 t)¨H【： 1) 7■ jb u卜zn h【j，一·n
㈨?圳．j“年』] ¨1
圖3 1 580 m高程心墻土壓力過程線
由心墻土壓力等值線(圖4)可知，在順河向，同
高程靠近壩殼料的心墻土壓力相對較大，壩軸線處
·24．
心墻土壓力相對較小，該規律在1 520～1 620 m高
程(1／3。2／3壩高)表現尤為顯著，土壓力等值線基
本呈“v”字形，表明該高程段心墻拱效應較強，建基
面附近心墻拱效應表現不明顯。基于前述土拱效應
存在的條件即土體之間產生不均勻位移或相對位
移，結合心墻沉降資料，最大沉降量出現1／3～1／2
壩高之間，建基面附近沉降變形相對較小，所產生的
不均勻位移也較小，因此，拱效應不明顯。
壩樁號／m
圖4(縱)0+253．72斷面心墻土壓力等值線圖
圖5為壩軸線剖面心墻土壓力等值線，在壩軸
向，1 520～1 580m高程河床段心墻，也存在一定的
拱效應現象，但相較于順河向，其拱效應明顯弱得
多；1 580 m高程以上則無明顯拱效應，表明心墻與
岸坡接觸部位的高塑性黏土起到了協調變形作用，
使得心墻沿壩軸向的沉降較為均勻，有效降低了拱
效應。
1
蠢，
樞
1
1
o 50 lOO 150 200 250 300 350 400 450 500
縱樁號／m
圖5沿壩軸線剖面，厶墻土壓力等值線圖
萬方數據
第5期王開明，等：某水電站礫石土心墻堆石壩心墻拱效應監測分析第53卷
3．2拱效應系數分析
為定量分析心墻拱效應強弱，文獻[4]定義單元
豎向應力與單元上方土條的自重的比值參數為心墻
應力拱效應系數，簡稱拱效應系數，即
R=o',／(yh)
式中：R——拱效應系數(拱效應系數R越小，表示
拱效應越強)； 盯-實測豎向土壓力；
伽——理論土壓力；
廣土體重度；
^——上覆土體厚度。
采用該方法計算了較為明顯的1 513 m、1 580 m
高程各土壓力測點處的心墻拱效應系數(表1)。兩
個高程拱效應表現出相似的規律，即拱效應最強部
位是壩軸線處，拱效應系數在0．2左右，實測土壓力
明顯小于理論土壓力；靠近壩殼料拱效應系數最大
為1．25，即實測土壓力大于理論土壓力，表明壩殼料
承擔了心墻傳遞過來的部分應力。
表1(縱)0+253．72斷面心墻拱效應系數
4結論0．2左右，靠近壩殼料拱效應系數最大為1．25，壩殼
通過對某水電站礫石土心墻堆石壩心墻土壓力料承擔了心墻傳遞過來的部分應力。
監測資料的分析，認為大壩在填筑至1 620 m高程參考文獻：
后，建基面附近心墻土壓力增幅明顯減小，心墻各高[1 3殷宗澤，朱俊高，袁俊平，等·心墻堆石壩的水力劈裂分析
程拱效應逐漸顯現。順河向，心墻在l 520～1 620 m
陰冰利學報,2006，37(11)：1348—1353·
高程(1，3～2／3壩高)拱效應明顯，土壓力等值線陘1要曩囂i淼超高9)：1心38-墻堆145．石衄拱效應分徹冰
基本呈“V”字形，即壩軸線處拱效應最強，向壩
[3]宮必寧，童蕾，牛志國．土石壩工程的拱效應分析叨．東北
殼方向遞減。壩軸向，拱效應明顯較弱，1 580 in 水利水電，2004，22(12)：14—15．
高程以上貝Ⅱ無明顯拱效應。(縱)0+253．72斷面[4]張繼寶，陳五一，李永紅，等．雙江口土石壩心墻拱效應分
1 513 m、l 580 In高程壩軸線處心墻拱效應系數在析陰巖土力學，2008，29(11)：185—188．
甘肅省抗旱防汛指揮部召開全省安全度汛視頻會議
為深入貫徹落實近期李克強總理和林鐸書記、唐仁健省長關于防汛抗旱減災工作的重要批示精神及2017年全國水庫安全度汛視頻會議、
黃河防總防汛抗旱會議精神，5月25日，甘肅省抗旱防汛指揮部召開全省安全度汛視頻會議，對今年抗旱防汛工作進行再安排、再部署。甘肅
省水利廳副廳長、甘肅省抗旱防汛指揮部秘書長張天革出席會議并講話，張世華副巡視員主持會議。會議通報了甘肅省抗旱防汛指揮部、甘肅
省水利廳工作組赴各地督查檢查情況，分析了當前防汛工作中存在的問題、隱患和薄弱環節，對全省安全度汛工作進行了安排部署。
(來源：甘肅省水利網2017—05—25)

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