1 概述

　　長江科學院對水布埡水利樞紐的土工問題進行了10余年的研究，在壩型比選、設計和施工階段全過程中進行了一系列研究工作，有效地解決了相關的工程技術問題。研究工作包括心墻防滲料的級配特征［1］、反濾設計標準及現場碾壓參數［2～4］ 、堆石體流變特性［5，6］ 、堆石體分區優化及軟巖利用、河床覆蓋層利用、大壩填料本構關系［7］ 、200m級面板堆石壩應力應變分析和防滲系統等關鍵技術問題［9，10］ .這些研究成果不僅對水布埡大壩順利建成蓄水和可靠運行十分重要，對其它類似工程也有一定的參考價值。

　　2 壩型比選階段的土工試驗研究

　　水布埡工程預可研報告確定了高土石壩方案，鑒于水布埡壩址地形、地質和建材等條件，認為適合興建心墻堆石壩或面板堆石壩，要求將混凝土面板堆石壩與心墻堆石壩進行比選。其中，面板壩方案壩高為233m，是世界上最高的面板壩；心墻壩高為227m，為當時亞洲之最。

　　在壩型比較階段，心墻堆石壩曾是代表性壩型之一，心墻防滲料擬采用壩下游的廟王溝碎石土和龍王沖風化頁巖。為論證這種材料能否作為心墻防滲料，曾進行了專門的室內試驗和現場碾壓試驗。

　　2.1 心墻堆石壩寬級配防滲料室內試驗研究

　　水布埡心墻堆石壩約需填筑350萬m3 防滲料，由于壩址附近缺乏防滲性能較好的粘性土料，經勘察分析研究后，擬用龍王沖風化頁巖料和廟王溝碎石土料作防滲料。與國內外同類工程相比，龍王沖頁巖風化料和廟王溝碎石土料顆粒偏粗、級配寬、不均勻系數大，頁巖風化料中細料偏少。

　　對頁巖風化料及碎石土料開展了大量系統的室內試驗研究工作，得出的主要結論為：廟王溝碎石土料及龍王沖頁巖全風化料均屬良好防滲料；龍王沖頁巖強風化（上帶）料不宜單獨作防滲料使用，與全風化料摻合后方可用于防滲體。為保證心墻的滲透穩定，在心墻兩側應設置反濾層。

　　當時對于寬級配土料的反濾設計尚無公認的可靠方法。針對水布埡寬級配防滲料，通過分析心墻料的防滲特性，選取碎石土、頁巖全風化帶、強風化帶上帶和混合料作為代表性心墻料，初擬心墻反濾料級配，進行反濾料滲透試驗、心墻料與反濾料接觸試驗、反濾保護下心墻裂縫自愈試驗、反濾保土試驗及沖刷自愈試驗，給出了適合水布埡大壩寬級配防滲料的反濾設計標準，并研究了反濾設計方法。

　　水布埡大壩心墻防滲料不僅級配寬而且變化大，包容了可作防滲料的各種寬級配料。為此，研究成果D15 =0.5～1mm（平均0.6mm）可作為一般寬級配防滲料的反濾設計準則。在反濾保土試驗中，提出了平拋風干細料的試驗方法，較之謝納德的濃泥漿試驗更為方便快捷。在此基礎上選定適合水布埡大壩心墻防滲料的反濾層。

　　2.2 心墻堆石壩防滲料現場碾壓試驗研究

　　由于風化料級配不穩定及室內試驗級配模擬上的不足，室內試驗成果在反映風化料力學性質時有一定局限性。為深入了解風化料和碎石土作為心墻防滲料的可靠性，又專門開展了現場碾壓試驗研究。

　　現場碾壓試驗研究的目的是了解并驗證擬選材料作為心墻防滲料的適用條件及可靠性，同時為設計選定壓實標準及初步確定碾壓參數提供依據。

　　現場碾壓試驗主要研究內容包括，以龍王沖料場強風化上帶料、全風化與強風化上帶混合料（考慮了1～2種混合比）以及廟王溝料場碎石土料為對象，考慮了2～3種含水量和2～3種鋪層厚度，用選定的碾壓機具進行碾壓，研究了材料的級配、壓實和滲透等特性。

　　根據現場碾壓試驗結果，認為風化料和碎石土用作水布埡大壩的心墻防滲料是可行的，但就當時的條件，強風化上帶料不宜單獨使用，必須摻入20%以上全風化料。水布埡心墻防滲料的最大粒徑為150mm，碾壓前后粒徑小于5mm的防滲料含量不得低于30%和35%；填筑含水量應控制在最優含水量或略偏濕狀態下；建議滲透系數取值不大于###5×10-5 cm/s，臨界比降設計值取4.為了保證心墻料滿足使用要求，填筑施工時應采用18t以上凸塊振動碾，每層鋪土厚度小于40cm，并碾壓8遍以上。另外在設計施工中必須采取充分措施防止風化料不均勻性可能造成的不利影響。

　　綜合研究結果表明：頁巖風化料作為心墻防滲料是可行的，特別是全、強上混合料，防滲性能更可靠；但應注意強風化上帶料的不均勻性，控制好全風化料的摻入量、級配、含水量，并充分壓實以保證其滿足防滲要求。廟王溝碎石土料具有良好的壓實性，是一種理想的心墻防滲料。

　　此外，還針對心墻堆石壩壩型進行了大量滲控研究，曾為壩型比選提供了科學依據。

　　3 河床覆蓋層利用問題研究來源:考試大網

　　根據水布埡水利樞紐工程總體設計，壩址上、下游100～150m的河床近覆蓋層將挖除，其余河床覆蓋層保留，經強夯處理后作為壩基。由于受自然條件限制，前期對河床覆蓋層的勘探精度不高。為掌握河床覆蓋層分布特點，經業主、設計、監理、施工等單位共同研究決定利用強夯試驗加大對河床覆蓋層勘探力度。為確定強夯施工參數和質量控制標準，根據現場實際情況，先在強夯區下游（縱0+160～縱0+190）進行強夯試驗，然后根據試驗結果對強夯施工區采用合理參數進行處理。

　　強夯試驗及施工檢測自2002年12月10日進場至2003年3月退場，共計完成干密度及顆粒分析29組，原位滲透試驗10組，超重動力觸探27孔，進尺201.3m，旁壓試驗23孔，旁壓測試點91個，面波測試測點33個。

　　根據強夯試驗及施工檢測成果，河床砂卵石層經強夯處理后，在夯擊面以下4m深度內土層密度、承載力有了較大幅度的提高，滲透系數減小了一個數量級以上，土層性質有了較好的改善，工后沉降量大大減小。研究結論是河床砂卵石層的加固處理施工滿足設計要求，可起到加固效果，為此保留了10萬m3 河床天然砂卵石，大大節約了工程成本，縮短了工期，為大壩安全度汛贏得了時間。

　　4 面板堆石壩的填料特性試驗研究

　　水布埡面板堆石壩的填料包括堆石料、過渡料及墊層料。堆石料為茅口組、棲霞組、龍潭組灰巖，過渡料和墊層料采用茅口組灰巖制備。主堆石料的最大粒徑為600～800mm，墊層料的最大粒徑為40～60mm.試驗用料的模擬方法為混合法。

　　對水布埡面板堆石壩的填料進行了一系列常規和非常規的土工試驗，重點研究了填料的密度、填筑標準、填料壓縮變形特性、填料的強度及應力應變關系、墊層料的滲透及滲透變形特性，獲得了一批重要成果，如初步確定了除龍潭組上段外其余均可作為大壩填料，提出了堆石壩各區填料施工控制密度、各種填料的設計指標（包括壓縮性、強度、本構模型參數、抗滲性等），抗滲結構形式等等。

　　4.1 填料的密度試驗及填筑標準的確定

　　室內壓實試驗采用了兩種方法：重型擊實法和表面振動法。根據擊實成果，研究了振動法控制標準、加水量對填料壓實性的影響、不同填料（巖性、級配）的壓實性。最后得出了水布埡面板堆石壩堆石料、過渡料和墊層料的壓實控制標準分別為：2.16、2.18t/m3 和2.20t/m3 .

　　4.2 填料壓縮變形特性來源:考試大網

　　重點研究了填料壓縮性以及堆石料壓縮波動性原因，探討了壓縮試驗的合適的徑徑比。試驗表明：豎向應力加大，壓縮模量呈增高的趨勢。但在所研究的應力范圍內（最大應力為6.4MPa）豎向壓縮變形會出現波動，這與壓縮過程中顆粒的破碎有關。

　　根據試驗結果得出了填料的壓縮模量建議值為：主堆石120MPa，次堆石90MPa，過渡料130MPa，墊層料140MPa.

　　4.3 堆石料蠕變特性研究

　　有些面板堆石壩建成后，后期變形明顯，常引起混凝土面板的開裂。因此，對于高堆石壩，堆石料的蠕變性愈來愈引起壩工界的重視。我們重點探討了3個問題：①堆石料的蠕變量與時間、蠕變總量與應力狀態的關系函數；②蠕變量與應力歷史、應力路徑的關系；③堆石料蠕變機理。

　　利用新研制的大型高壓應力式三軸儀，針對水布埡面板堆石壩主次堆石料研究了堆石料蠕變變形與時間、應力狀態、應力增量及增量過程的關系。試驗模擬蠕變過程之長（69d）、應力之高（最大圍壓2.7MPa）、試驗規模之大（試樣直徑30cm，高60cm）在國內目前尚不多見。

　　在大量試驗資料的基礎上，首次提出了水布埡主次堆石料的“九參數”蠕變模型及模型參數，并將這一研究成果應用于水布埡面板堆石壩三維數值分析中。

　　4.4 填料本構關系參數確定來源:考試大網

　　針對各種填料，進行了不同密度、不同級配料的常規三軸剪切試驗、等比例加載試驗。試驗儀器為中型高壓三軸儀，最大試驗圍壓為3.5MPa，試樣尺寸為300mm×655mm（直徑×高度），試樣干密度為1.96～2.30t/m3 .

　　另外，對于堆石壩的碾壓堆石料，剪脹性是其固有特性，我們通過試驗著重分析了粗粒料的剪脹性。在試驗基礎上，給出了水布埡堆石壩填料不同本構模型的模型參數。

　　4.5 過渡料和墊層料滲透變形試驗和滲透穩定性

　　大壩施工階段通過檢測發現墊層和過渡區實際填筑料由于料源、爆破等因素的影響，其級配、巖性等與設計要求有一定的差距。為此，基于一期填筑實際用料，開展了墊層和過渡區滲透變形特性及反濾保護作用試驗研究，并針對壩體可能出現的不利條件進行了滲透穩定性評價。

　　針對一期填筑料的級配范圍，結合各階段研究成果和后期的補充試驗，分析研究了大壩各分區材料的滲透性；針對實際施工的最大斷面，通過二維滲流場計算，分析了在面板破損最不利工況下墊層和過渡區中可能出現的最大滲透比降。在分區材料滲流特性比較理想的條件下，即墊層區滲透系數在###10-4 ～10-3 cm/s，過渡區滲透系數在10-2 cm/s以上時，墊層區承擔的滲透比降約為105～116，過渡區承擔的滲透比降約為0.03～3.36；如果分區材料滲流特性不理想，墊層區滲透系數在10-4 ～10-3 cm/s，但過渡區滲透系數為1×10-3 量級時，墊層區承擔的滲透比降在64左右，過渡區承擔的滲透比降在21左右；兩區滲透性越相近，滲流場的分布越均勻，越不利于壩體的滲透穩定。這些分布規律不僅為壩體滲透穩定評價提供了基礎，而且是墊層和過渡料滲透變形及反濾試驗設計確定比降試驗范圍的重要依據。

　　對實際填筑的墊層料和過渡料的滲透穩定性進行了試驗研究。為了試驗滿足233m高壩運行條件下的比降要求和適應粗粒料滲流試驗流量大的特點，研制了高壓力、大流量的滲透變形試驗裝置，對墊層料滲透變形特性進行了補充試驗，首次對過渡料的滲透變形特性進行了試驗研究。結果表明兩者的內部結構欠穩定。因此，過渡料對墊層料的反濾試驗不能遵循現有反濾試驗規程，而應該直至達到和超過壩體中實際可能出現的最大比降條件后才能說明反濾保護作用是否滿足要求。為此，開展了高比降條件下的墊層料和過渡料反濾試驗。

　　綜合滲流場分析和試驗成果進行了壩體滲透穩定性評價，得出了墊層料和過渡料滿足滲透穩定性要求的重要結論，并對填筑用料和密度控制提出了建議，成果為完善和變更設計提供了重要依據。

　　5 面板堆石壩應力應變分析

　　壩體變形是高土石壩設計中的關鍵技術問題之一。有限元應力應變計算是了解各種設計方案下壩體應力和變形的主要手段，因而也成為論證設計方案的合理性和可行性的重要手段之一。采用了二維平面和三維空間的分析方法，分別用非線性和彈塑性模型對大壩的工作狀態進行了詳細的計算分析。

　　重點對國際通用軟件MARC進行了二次開發，加載了Dan-can-chang E-B模型、“南水”雙屈服面廣義塑性本構模型，發展了三維“子模型法”分析面板的應力與變形，使面板的應力與變形計算結果更加符合工程實際。