高土石壩安全建設重大技術問題

2023年12月27日發(作者：長陽音樂節)

Engineering 2 (2016) xxx–xxxContents lists available at ScienceDirectEngineeringjournal homepage: /locate/engRearchHydro Projects—Article高土石壩安全建設重大技術問題馬洪琪，遲福東Huaneng Lancang River Hydropower Inc., Kunming 650214, Chinaa r t i c l e i n f oArticle history:Received 15 March 2016Revid 29 June 2016Accepted 24 August 2016Available online 14 October 2016摘要土石壩由于對地基具有良好的適應性、能就地取材及充分利用建筑物開挖渣料、造價較低、水泥用量較少等優點，是西部地區一批擬建高壩的重點比選壩型。糯扎渡高心墻堆石壩的成功建設，解決了250 m級土石壩重大關鍵技術難題。本文通過系統總結已建成的糯扎渡等高心墻堆石壩建設的經驗，凝練高土石壩建設面臨的變形控制、滲流控制、壩坡抗滑穩定、泄洪安全及控制、大壩安全建設與質量控制、安全評價及預警等關鍵科學技術問題，全面深入論述了已有的研究成果和基本結論，為未來300 m級高土石壩建設提供參考和重要的技術支撐。? 2016 THE AUTHORS. Published by Elvier LTD on behalf of Chine Academy of Engineering and

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(/licens/by-nc-nd/4.0/).關鍵詞高土石壩安全建設重大技術問題1. 引言中國西部地區水能資源豐富，但由于地處高山峽谷，地形地質條件復雜，交通不便，而土石壩因對地基基礎條件具有良好的適應性、能就地取材及充分利用建筑物開挖渣料、造價較低、水泥用量較少等優點，是壩工建設中非常有發展前景的壩型之一。中國土石壩建設起步較晚，但發展很快。2001年建成黃河小浪底黏土斜心墻堆石壩，最大壩高160 m。2009年建成大渡河瀑布溝礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m。2012年年底建成瀾滄江糯扎渡礫石土心墻堆石壩，最大壩高261.5 m，在同類壩型中居中國第一、世界第三；填筑方量為3.432×107 m3，電站裝機容量為5.85×106 kW，年平均發電量為2.39×1010 kW·h，總庫容為2.37×1010 m3，研究解決了多項重大技術問題，代表了近年來中國土石壩的最高建設水平。目前正在建設的大渡河長河壩礫石土心墻堆石壩最大壩高為240 m，總填筑量為3.457×107 m3，心墻部位壩基覆蓋層厚達50 m，是當前中國正在建設的較為復雜的土石壩工程之一，截至2016年4月，已完成總填筑量的92 %。隨著西部地區水能資源開發的深入，大渡河雙江口(壩高314 m)、雅礱江兩河口(壩高295 m)、西藏瀾滄江如美(壩高315 m)等高壩已逐漸提上建設日程，對300 m級超高土石壩的建設技術提出了挑戰。本文系統總結了糯扎渡等典型高土石壩的成功經驗，凝練出高土石壩建設面臨的變形控制、滲流控制、壩坡抗滑穩定、泄洪安全及控制、大壩安全建設與質量控制、安全評價及預警等重大技術問題，全面深入論述了已有研究成果和基本結論，為300 m級高土石壩建設提供了重要技術支撐。 * Corresponding author.

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elvier LTD on behalf of Chine Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(4): 498–509

引用本文: Hongqi Ma, Fudong Chi. Major Technologies for Safe Construction of High Earth-Rockfill Dams. Engineering, /10.1016/.2016.04.001

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx1552. 高土石壩變形穩定及控制技術變形穩定及控制是高土石壩建設的核心問題。從已建的幾座高土石壩的運行狀況看，變形問題及其導致的防滲體裂縫和大壩滲漏等是影響高土石壩安全運行的最重要因素。高土石壩的變形穩定控制涉及的關鍵技術包括：筑壩材料特性試驗技術、心墻土料改性、堆石料本構模型及大壩變形計算、壩體結構與分區、裂縫計算分析與控制等。2.1. 筑壩材料特性試驗技術通過糯扎渡水電工程筑壩材料的室內、現場及數值試驗研究，明確了高心墻堆石壩筑壩材料必須開展的試驗研究項目，并通過試驗組數與試驗結果誤差關系的研究，建議了各項試驗一般應完成的試驗組數(見圖1)。近年來，許多研究者利用顆粒體離散元等數值方法，從細觀層次上開展模擬堆石顆粒組構的數值試驗。數值試驗能夠方便快捷地進行大量的敏感性分析，觀測堆石料細觀組構的演化過程，為研究堆石料細觀力學行為及縮尺效應提供了有效手段。2.2. 心墻土料改性為滿足心墻防滲、變形和強度的要求，高土石壩一般都需要對天然防滲土料進行改性。主要有兩類改性方式：一類是針對顆粒偏細、黏粒含量偏高、力學性能低的情況，采用人工摻礫進行改性，如糯扎渡、雙江口、兩河口等工程；另一類是針對細粒少、礫石多、含水率偏低的情況，采用人工剔除超徑礫石并加水改性，如長河壩、瀑布溝、如美等工程。結合天然土料場的實際特性，還可通過不同土料之間摻配的方式進行改性，如長河壩將部分偏粗料(P5含量50 %~65 %的連續級配礫石土)與部分偏細料(P5含量<35 %的連續級配礫石土)按一定比例摻配改性，既充分利用了質量尚可的天然土料，又簡化了改性工藝。無論采取哪種改性方式，都應使心墻土料具有良好的級配關系曲線和合適的礫石含量。結合糯扎渡、長河壩等工程的大量試驗研究和工程實踐，建議對于200~300 m級高土石壩，心墻土料合適的P5含量宜為30 %~50 %[1]。糯扎渡心墻摻礫土料P5設計值為35 %，碾壓過程三階段現場檢測P5平均值分別為36.1 %、36.2 %和34.1 %。長河壩心墻土料現場檢測結果表明，P5平均值為44.4 %，最大值為56.1 %，最小值為32.2 %。2.3. 堆石料本構模型及大壩變形計算對鄧肯–張E–B、清華KG、沈珠江雙屈服面彈塑性模型等常用的本構模型進行分析對比，提出堆石體修正Rowe剪脹方程，改進了沈珠江雙屈服面模型，使計算結果更為可靠(見圖2)。采用直接定義塑性流動方向、加載方向和塑性模量的方法，構建了適用于靜動力分析的堆石料廣義塑性本構模型。結合國內多座高土石壩的實踐經驗，建議將鄧肯–張E–B模型作為大壩應力變形計算的基本模型，同時采用一兩個其他模型進行對比驗證，推薦改進的沈珠江雙屈服面彈塑性模型[1]。鑒于目前堆石料本構模型的局限和壩料參數的不準確，可通過反演分析修正計算模型及參數。依托糯扎渡工程，結合人工神經網絡模型及有限元方法建立了高土圖1.

高心墻堆石壩筑壩材料試驗項目及組數建議。

156Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx圖2.

修正的沈珠江雙屈服面彈塑性模型。(a) 對剪脹方程的修正；(b) 與糯扎渡主堆石料試驗結果對比；(c) 對復雜應力路徑的描述。石壩變形反演分析系統，可以反演壩料的鄧肯–張E–B模型參數、壩料流變參數和濕化變形參數等，并按反演參數進行大壩變形的計算分析及預測(見圖3)。建議根據地形地質條件，在條件許可時采用直心墻。因其施工方便且更經濟，抗震安全性更好。國外200 m2.2~12.6、下游為以上心墻壩壩坡坡度一般上游為1∶∶12.0~12.2。國內外200 m以上心墻壩，除糯扎渡外，∶∶上游壩殼內均不采用含軟巖的堆石料；除長河壩外，均修建在基巖上。糯扎渡心墻堆石壩最大壩高為261.5 m，壩頂寬度為18 m，經研究論證，大壩上游壩坡坡度為11.9、下游壩∶1.8，提高了經濟性。采用直心墻型式，心墻坡坡度為1∶0.2(見圖4)。糯扎頂寬為10 m，上、下游壩坡坡度均為1∶渡工程還論證了在大壩上游適當范圍內采用部分軟巖堆石料是可行的(實際填筑4.78×106 m3)，擴大了工程開挖料的利用率，顯著降低了工程投資，可供后續工程借鑒。長河壩心墻堆石壩最大壩高為240 m，壩頂寬度為圖3.

土石壩變形反演分析流程。16 m，上、下游壩坡坡度均為12.0。采用直心墻型式，∶0.25(見圖5)。心墻頂寬為6 m，上、下游壩坡坡度均為1∶長河壩建在深厚覆蓋層上，心墻部位開挖后尚有約50 m深的覆蓋層，因此大壩的結構分區充分考慮了壩基防滲的特殊要求，除心墻上、下游側設反濾層的常規措施外，心墻底部在壩基防滲墻下游設厚度各1 m的兩層水平反濾層，與心墻下游反濾層相接，心墻下游過渡區及堆石區與河床覆蓋層之間全部設置厚度為1 m的反濾層[2]。2.6. 裂縫計算分析與控制土石壩裂縫發生的力學機理及判別方法是土石壩設計科研中的一個難題。結合糯扎渡工程，發展了基于有限元變形計算的變形傾度有限元法，可采用變形傾度作為土石壩裂縫發生的判別依據。根據土工離心機模型試驗結果，證明土石壩工程中臨界傾度值約為1 % [1]。依托糯扎渡心墻壩，進行了系統的抗拉特性試驗，2.4. 高土石壩變形控制原則近年國內外高土石壩工程實踐表明，多數200 m級高土石壩的實測沉降變形超過了最大壩高的1 %。結合工程實際，心墻堆石壩變形控制應遵循總量控制及心墻與壩殼料變形協調相結合的原則，建議通過適當提高心墻土料的變形模量以控制心墻土料和壩體堆石體的模量差，降低壩殼堆石料對心墻的拱效應。結合糯扎渡等工程的實踐經驗，一般情況下應控制心墻土料鄧肯–張E–B

模型參數K的中值平均值大于350。2.5. 壩體結構國內外已建壩高200 m以上的心墻堆石壩中，有6座采用直心墻，5座(含因故未建成的羅貢)采用斜心墻[1]。斜心墻有利于降低心墻拱效應，但施工難度大、造價高。

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx157探討了心墻土料的抗拉斷裂特性和機理，提出了心墻黏土的拉壓聯合強度準則和本構模型；提出了心墻黏土基于無單元法的彌散裂縫模型，發展了基于無單元–有限元耦合方法的土石壩張拉裂縫三維仿真計算程序系統(見圖6) [1]。一體、有機結合、優化配置”的原則，做好各區域滲透指標的控制，對深厚覆蓋層上的高土石壩，還需對壩基防滲做專門研究和處理。3.1. 高土石壩滲流控制關鍵技術指標收集整理了國內外58座土石壩的滲流控制資料[1]，總結推薦各分區的滲流控制關鍵指標如下：心墻作為防滲主體，滲透系數宜控制在10–6 cm·s–1數量級，平均允許滲透比降宜控制在2.5左右。帷幕作為壩基與岸坡防滲關鍵，透水率宜≤3 Lu，灌漿巖體的抗滲強度建議在30左右。反濾層作為安全關鍵防3. 高土石壩滲流控制技術滲流穩定及控制是高土石壩安全建設和運行的核心問題之一。高土石壩滲流控制應在深入開展工程地質及水文地質勘察的基礎上，遵循防滲、反濾、排水“三位圖4.

糯扎渡心墻壩最大橫剖面。圖5.

長河壩心墻壩典型橫剖面。圖6.

土石壩裂縫計算分析及判別。(a) 變形傾度有限元法；(b) 三軸拉伸儀；(c) 斷裂機理；(d) 模擬計算系統。

158Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx線，須經過試驗驗證，一般應使心墻抗滲坡降提高至100以上，并能使心墻裂縫自愈。反濾對壩基覆蓋保護范圍宜為0.33H(水頭)，對斷層及軟弱巖帶地基保護范圍為0.5H~1.0H，對深厚覆蓋層地基的保護范圍還應進一步擴大。過渡區要求級配連續，最大粒徑不宜超過300 mm，頂部寬度不宜小于3 m，滲透系數一般應大于1×10–3 cm·s–1。堆石區滲透系數不宜小于最外一層反濾或過渡層的滲透系數，一般大于1×10–2 cm·s–1，以保證浸潤線快速下降。排水區宜用強度高、抗風化的中到大塊石為主的石料填筑，在各分區中滲透系數最大，要求在1 cm·s–1附近。上游護坡既要能防止庫水掏蝕，又要能快速排水；下游護坡要能防止雨水沖刷。糯扎渡心墻土料碾壓過程中進行現場原位滲透試驗，滲透系數處于2.02×10~8.47×10 cm·s之間，平均值為4.05×10–6 cm·s–1。長河壩心墻土料原位滲透試驗結果表明：心墻土料滲透系數平均值為2.07×10–6 cm·s–1，最小值為1.54×

10–7 cm·s–1，最大值為8.8×10–6 cm·s–1，破壞坡降平均值為7.22，最小值為2.71，最大值為9.90。3.2. 心墻水力劈裂機理及數值仿真方法針對心墻拱效應和水力劈裂機理認識不深入的問題，結合糯扎渡工程，研究提出了滲水弱面是心墻水力劈裂發生的主要條件，揭示了心墻水力劈裂機理。將彌散裂縫理論與比奧固結理論相結合，建立了心墻水力劈裂計算模型及擴展過程有限元算法(見圖7) [1]。3.3. 深厚覆蓋層區域壩基防滲技術長河壩工程研究了深厚覆蓋層上高土石壩壩基防滲技術。主要包括：心墻下壩基覆蓋層采用兩道全封閉混凝土防滲墻防滲，兩岸及防滲墻底強透水基巖采用灌漿帷幕防滲；心墻下游過渡區及堆石區與河床覆蓋層之間–7–6–1全部設置反濾層，以加強對覆蓋層滲透破壞的保護。長河壩防滲墻及防滲帷幕主要技術參數為：以大壩軸線及主防滲墻所在平面構成主防滲面，主防滲面上以基巖透水率≤3 Lu作為相對不透水層界限，灌漿帷幕深入相對不透水層5 m。主防滲帷幕采用兩排，孔距為2 m，主防滲墻下通過墻內埋管灌漿的排距為1 m，在兩岸排距 為1.5 m。副防滲墻位于主防滲墻前，兩墻凈距為14 m。為減小兩岸繞滲，提高副防滲墻承擔水頭的比例，對副防滲墻所在平面內強透水巖體進行了帷幕灌漿(深度約為30 m)，并且在兩道防滲墻之間設置連接帷幕(深度約為40 m)，帷幕灌漿為兩排，孔距為2 m。4. 高土石壩壩坡抗滑穩定及抗震技術土石壩由于采用散粒體材料，壩坡失穩在壩體失事中占有較大的比例，研究土石壩的壩坡穩定特別是地震作用下的壩坡穩定具有重要意義。高土石壩壩坡抗滑穩定及抗震的關鍵技術問題主要包括：壩坡穩定安全系數標準、堆石料非線性強度指標的合理性及適用性、壩坡穩定關鍵——動力抗滑穩定分析方法、地震永久變形安全控制標準、抗震加固措施等。4.1. 壩坡穩定安全系數標準中國現行的土石壩規范規定1級土石壩壩坡抗滑穩定安全系數為1.5，相應的目標可靠指標為4.2(失效概率為1.33×10–5)，但同時明確該標準適用于200 m以下的土石壩。文獻[3,4]通過對已建和規劃建設高度大于200 m

的工程進行分析論證，建議對于正常工況，200~250 m高土石壩壩坡目標可靠指標取4.45(相應失效概率為5×10–6)，250 m以上的高土石壩取4.7(相應失效概率為1×10–6)，可以與壩坡抗滑穩定最小安全系數1.6和1.7處于同一風險控制標準。圖7. 水力劈裂模型試驗及數值模擬。

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx1594.2. 堆石料非線性強度指標的合理性與適用性大量試驗表明，堆石等粗粒料隨著圍壓的升高會發生顆粒破碎現象，內摩擦角降低，摩爾強度包線向下彎曲(見圖8)。同時在壩坡穩定分析中，線性指標無法找到具有實際物理意義的臨界滑裂面，而非線性指標可更合理地反映壩坡的實際滑動和安全狀態。因此建議采用非線性強度指標進行土石壩的壩坡穩定分析。非線性指標應采用規定組數的小值平均值，在此情況下，現行土石壩規范中對壩坡穩定允許安全系數規定的標準可以直接使用，不需要調整。圖8.

實驗測定的堆石料摩爾強度包線。4.3. 壩坡穩定關鍵——動力抗滑穩定壩坡穩定關鍵是地震作用下動力抗滑穩定。4種常用的動力抗滑穩定分析方法中，擬靜力法應用范圍最廣，積累了豐富的工程經驗，是目前進行土石壩工程抗震穩定分析的主要算法；有限元法、強度折減法、Newmark滑體變形法概念較為先進，但目前尚缺少相應的安全控制標準。高土石壩壩坡動力穩定宜采用多種方法進行綜合分析。例如，糯扎渡高心墻壩分別采用了擬靜力法、考慮不同加速度分布系數的擬靜力法、可靠度方法、強度折減有限元法、有限元法、Newmark滑體變形法、基于變分原理的穩定分析法等多種方法進行了壩坡動力抗滑穩定分析。結果表明，靜力、設計地震工況滿足規范要求且具有較高的安全儲備。校核地震，安全系數接近規范允許值，安全性尚有保障。4.4. 地震永久變形安全控制標準土石壩震害的常見表現形式是壩體裂縫，壩體出現裂縫，若繼續加劇則會演化成滑坡。土石壩地震永久變形標準對應于避免土石壩地震過程中出現的潛在的可能發展為滑坡的裂縫。建議200 m級以上高土石壩的地震永久變形控制標準，以壩體上部的地震變形占該部分壩高的比值進行控制，即以上部1/2(或1/3)壩高的壩體為研究對象，若這部分壩體的震陷率小于1.5 %，則認為壩體可以承受。同時建議控制壩體不均勻震陷的傾度斜率在1.2 %以內。4.5. 抗震穩定工程加固措施壩體中上部位的加固是高土石壩抗震加固的重點。一般采用土工格柵、混凝土板梁、預制混凝土框格梁、抗震鋼筋等措施。土工格柵便于施工，可在一定程度上提高壩體整體性和壩頂抗震穩定性，在瀑布溝等工程中已采用。努列克工程采用的混凝土板梁抗震結構，施工很不方便，兩河口工程擬采用預制混凝土框格梁抗震結構。在綜合研究對比傳統抗震措施的基礎上，糯扎渡工程研發應用了適用于9度設防的高心墻堆石壩的抗震措施(見圖9)：壩體內部不銹鋼筋與壩體表面不銹扁鋼網格組合，壩頂上、下游壩面漿砌塊石護坡等。研究表明，上述措施可提高壩頂部位的整體性和抗震穩定性，減小壩坡面的淺層(表層)滑動破壞概率。圖9.

糯扎渡高心墻堆石壩新型抗震措施。對建在深厚覆蓋層上的高土石壩，還要考慮壩基抗震，如長河壩工程對下游壩基可能液化砂層以及上游壩基局部分布的砂層透鏡體予以挖除處理。5. 高土石壩泄洪安全及控制技術在眾多的土石壩事故原因中，由于泄水建筑物問題

160Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx特別是泄洪能力不足而造成的樞紐事故約占44 %，需要引起高度重視。高土石壩的泄洪安全涉及的關鍵技術問題包括：防洪標準、泄洪建筑物布置、消能防沖、摻氣減蝕、泄洪霧化等。5.1. 防洪標準針對高土石壩的洪水標準，在選擇時一般取規范上限值，采用可能最大洪水。建議以壩體超高和泄水建筑物超泄能力相結合的原則制定泄洪建筑物安全控制標準，將部分泄水建筑物的泄水能力作為安全儲備，確保各種工況下大壩不漫頂，同時應設置放空設施。5.2. 泄洪建筑物布置原則泄洪建筑物布置應結合地形地質條件、樞紐整體布置，綜合考慮合適的體型和下游水流銜接要求，并經過整體水工模型試驗驗證。建筑物軸線在平面上應盡量選擇直線，同時考慮泄洪霧化等因素。建議泄洪建筑物應以超泄能力強的溢洪道(洞)為主，泄洪隧洞為輔，盡量提高表孔的泄洪能力。糯扎渡泄洪設施由左岸開敞式溢洪道，左、右岸各一條泄洪洞(兼具放空功能)構成。長河壩工程在河道右岸布置了兩條溢洪道、一條深孔泄洪洞和一條放空洞(見圖10)。圖10.

糯扎渡水電站樞紐布置圖。5.3. 消能防沖高土石壩一般采用挑流消能，挑流鼻坎可采用大差動挑坎、窄縫式挑坎、挑流水股碰撞等型式，在橫向或縱向上分散入水水舌，分散入水能量。防沖設計根據基巖允許抗沖流速，通過開挖消力塘加大水墊深度，并增設河岸防護結構，提高河岸防沖刷的抗力。在適量深挖及拓寬消力塘尺寸的情況下，可采用護岸不護底的防護型式。5.4. 泄洪建筑物摻氣減蝕高壩泄洪建筑物由于流量大、流速高，摻氣減蝕非常重要。可在經驗設計體型基礎上，先采用數值模擬優化體型，得到合理的體型后，再進行物理模型試驗驗證。工程措施以流道體型控制為主，抗沖耐磨材料為輔。流速大于30 m·s–1時應布置摻氣減蝕設施；摻氣設施以底部強行摻氣為主，可采用挑坎式或槽式摻氣。為保證泄洪隧洞通氣充分，無壓隧洞洞頂余幅應不小于30 %，沿程洞頂需布置通氣井；有壓流、無壓流過渡段可采用突擴突跌型式布置，通過側空腔及底空腔同時摻氣。5.5. 泄洪霧化泄洪霧化是比較復雜的現象(見圖11)，目前尚無成熟的研究手段，只能通過原型觀測、數值模擬、理論分析等手段綜合分析評價。降低泄洪霧化危害的措施主要在建筑物布置及霧化區邊坡防護等方面，對霧化影響較敏感的建筑物盡量遠離霧化區，霧化區邊坡應同時從邊坡表面及內部加強排水，以保證邊坡穩定。6. 高土石壩安全建設及質量控制技術圖11.

糯扎渡水電站泄洪。有效控制壩體施工質量是保證高土石壩安全的關鍵問題。結合糯扎渡、瀑布溝、長河壩等工程，總結提出了高土石壩安全建設及質量控制關鍵技術，主要包括：心墻土料改性施工工藝、土石壩工程建設質量監控“數字大壩”技術、土料壓實填筑控制標準及填筑質量快速檢測方法等。

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx1616.1. 心墻土料改性施工工藝結合糯扎渡大壩人工摻礫改性的要求，提出人工碎石摻礫土料成套施工工藝(見圖12)：天然土料立采(高度為5~8 m)、自卸汽車運輸至摻合料場；天然土料與人工碎石水平互層鋪料，土料單層厚1.03 m，礫石單層厚0.5 m，推土機平料，如此相間鋪料3層，總高控制在5 m以內；以挖掘機立采方式使土料和碎石料得到混合，摻混3次后裝20 t自卸汽車運輸至壩面；在壩面采用后退法卸料，平路機平料，鋪層厚度為25~30 cm，20 t自行式振動凸塊碾(激振力大于400 kN)震壓8遍、行車速度≤3 km·h–1 [5]。瀑布溝工程結合心墻土料改性要求，提出二次篩分改性工藝，減少了篩分棄料。篩分流程為：自卸汽車運輸；條篩一次篩分剔除大于250 mm的礫石；方孔振動篩二次篩分剔除60~80 mm以上的礫石)；皮帶機運輸；堆料場堆料；自卸車運輸上壩[6]。長河壩工程采用了粗、細土料的摻配改性工藝措施：用平鋪立采方式進行，粗料攤鋪厚度為0.5 m，根據現場對每層土料松鋪干密度進行檢測確定細料攤鋪厚度；第一層鋪粗料，第二層鋪細料，第三層鋪粗料，第四層鋪細料，如此相間鋪料，使鋪料高度達到滿足摻配機械工作條件；由正鏟挖掘機立采，挖掘機斗舉空中將料自然拋落，重復3~6次，達到充分摻合的效果。6.2. 高土石壩建設質量監控“數字大壩”系統依托糯扎渡工程，開發了高土石壩建設質量監控“數字大壩”系統。該系統利用GPS、PDA和信息技術，對壩料的調運、筑壩參數、試驗結果和監測數據進行實時監控和信息反饋，為大壩建設過程的質量控制與壩體安全診斷提供信息應用和支撐平臺(見圖13)；對振動碾的行車速度、碾壓遍數、激振力和碾壓軌跡進行實時監控，確保碾壓填筑質量滿足要求(見圖14)；利用車載圖12.

糯扎渡心墻壩人工碎石摻礫土料施工工藝流程。

“數字大壩”填筑質量實時監控原理圖。圖13.

162Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxxGPS定位設備，實現上壩運輸車輛從料場到壩面填筑現場的全程監控，為確保壩料上壩卸料的準確性及運輸車輛優化調度提供了依據[7]。“數字大壩”系統有效提高了糯扎渡大壩施工質量監控的水平和效率，確保大壩施工質量始終處于受控狀態，為高土石壩施工質量的高標準控制開辟了一條新的途徑。2009—2011年，糯扎渡大壩年均填筑9.4×106 m3，提前一年建成，“數字大壩”系統發揮了重要的支撐作用。長河壩等后續多個高土石壩工程推廣應用了該系統。6.3. 土料壓實填筑控制標準及土料壓實度快速檢測方法建議采用較大擊實功能，提高填筑密實度、抗滲性和變形穩定性。糯扎渡工程土料最大粒徑為120 mm，為此專門研制出?600 mm超大型擊實儀，以研究摻礫土料的擊實特性。研究表明：摻礫量50 %以下時采用替代法大型擊實成果代替原級配超大型擊實成果對摻礫土全料進行質量控制是可行的[見圖15(a)]；全料2690 kJ·m–3功能、壓實度95 %時，可以達到全料595 kJ·m–3功能、壓實度100 %的要求[見圖15(b)]。在摻礫土料填筑質量快速檢測方法方面，對比分析了全料壓實度控制法、全料壓實度預控線法和細料壓實度控制法。全料壓實度現場檢測方法試驗工作量大、費時長，細料壓實度現場檢測方法擊實功能降低，工作量大幅減少，可以滿足施工進度要求，推薦采用細料

595 kJ·m–3擊實功能的三點快速擊實方法進行現場檢測控制，并采用一定比例大型擊實儀在試驗室進行全料壓圖14.

糯扎渡心墻壩填筑質量實時監控。圖15. 糯扎渡心墻堆石壩土料壓實填筑控制標準試驗研究。(a) 不同擊實功能及擊實儀直徑下最大干密度對比；(b) 不同擊實功能及壓實度下全料干密度對比。

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx163實度復核。依托糯扎渡工程還研發了填筑密實度檢測的“附加質量法”，該方法工作快速、無破壞性、可大幅加快檢測進度，建議在后續工程推廣應用。坡變形、壩頂裂縫等；大壩分項安全指標主要包括大壩順河向水平位移、壩體沉降、滲流量、滲壓、土壓力、裂縫等。7.3. 新型安全監測設備依托糯扎渡工程研發了新型分層式沉降儀、新型壓力式水管沉降儀、四管式水管式沉降儀、電測式橫梁式沉降儀和弦式沉降儀、剪變形計、500 mm超大量程電位器式位移計、六向土壓力計組等，可實現上游堆石體內部沉降、心墻內部沉降、心墻與反濾及混凝土墊層之間的相對變形、心墻的空間應力監測。系統集成了測量機器人、GNSS變形監測系統、內外觀自動化系統，實現了復雜條件下高精度監測與實時在線監測數據補償。長河壩大壩沉降監測采用了弦式沉降儀、智能沉降儀以及電位器式位移計三種新技術手段。就目前監測成果來看，以電位器式位移計最為成功。覆蓋層沉降監測采用最大量程達1200 mm的電位器式位移計，可滿足長河壩深厚覆蓋層沉降監測的需要。為滿足300 m級高土石壩安全監測的需要，最近還對InSAR變形監測技術、管道機器人、柔性測斜儀、土石壩監測廊道等最新技術的可行性進行了研究。7. 高土石壩安全評價及預警管理信息系統基于現場監測數據及先進的信息技術，建立土石壩工程安全評價及預警信息系統，對大壩安全建設、蓄水驗收及全生命周期安全運行具有重要意義。7.1. 大壩安全評價與預警管理信息系統結合糯扎渡工程下閘蓄水的實際需要，研發了基于Internet遠程監控的超高心墻堆石壩安全評價與預警管理信息系統(見圖16)。系統集監測數據采集與分析管理、大壩數值計算與反演分析、安全綜合評價指標體系及預警系統、巡視記錄與文檔管理于一體，對大壩的監測信息管理、性態分析、安全評價及預警發揮了重要作用。7.2. 安全評價指標體系糯扎渡工程結合大壩安全評價與預警管理信息系統的研發，針對庫水位、滲透穩定、結構穩定、壩坡穩定及壩體裂縫等問題，提出了高心墻堆石壩整體和分項兩級大壩安全監控指標，為大壩安全評估和預警提供了支撐。其中，大壩整體安全性的指標主要有大壩滲流量、壩體最大沉降、壩頂最大沉降、上游壩坡變形、下游壩8. 糯扎渡心墻堆石壩安全監測資料分析及工作性態評價糯扎渡水電站2011年11月下閘蓄水，2012年9月首圖16. 糯扎渡大壩安全評價與預警管理信息系統。

164Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx臺機組發電，2013年、2014年分別蓄水至正常水位，擋水水頭為252 m(圖17)。圖17. 建成投運的糯扎渡水電站。截至2015年年底，大壩變形分布符合高心墻堆石壩的一般規律。壩頂沉降最大實測值為790.67 mm，占最大壩高的0.30 %，小于竣工后壩頂沉降率0.5 %的參考指標。壩體最大累計沉降量為4305 mm，約為最大壩高的1.65 %，小于沉降率3 %的參考指標。壩體表面未發現明顯裂縫。心墻與反濾間的剪變形計絕大部分處于受壓狀態，實測最大相對變形為–103.82 mm，發生在心墻最大沉降帶，反濾部位沉降小于心墻沉降。壩基混凝土墊層測縫計實測位移為–19.7~2.74 mm，大部分斷面開合度不大。蓄水對上游堆石體產生一定的濕陷，但未對心墻變形產生顯著影響，心墻無明顯向下游水平位移的趨勢。上游堆石體內水位與庫水位基本一致，心墻內存在超孔隙水壓力，心墻后水位則比較低，表明心墻、墊層及防滲帷幕的防滲體效果較好。壩基廊道內測壓管實測水頭為–1.93~127.95 m。壩基廊道內大部分量水堰滲流量較穩定，總滲流量為4.14 L·s–1；壩后梯形量水堰滲流量為5.42 L·s–1；綜合壩基廊道內滲流量與壩后量水堰實測流量，得出目前大壩總滲流量為9.56 L·s–1。心墻和上、下游堆石體的應力分布符合高心墻堆石壩的一般規律，心墻孔隙水壓力正緩慢消散。以上安全監測資料表明，糯扎渡心墻堆石壩變形、滲流、滲壓、應力狀態穩定，變形和滲流關鍵指標遠小于國內外已建同類工程，大壩運行狀態良好(見圖17)。9. 結語糯扎渡等心墻堆石壩從變形穩定、滲流穩定和壩坡抗滑穩定三大穩定入手，系統研究了高土石壩安全建設中的重大技術問題。提出了以心墻變形控制為重點并與壩殼料變形相協調的原則，改進了計算模型參數。提出了防滲、反濾、排水“三位一體、有機結合、優化配置”的滲流控制原則和滲控標準。研究指出滲水弱面是心墻水力劈裂發生的主要條件，更新了對水力劈裂機理的認識。比較了壩坡動力抗滑穩定四種分析方法，得出宜采用多種方法進行綜合分析評價，提出了中國常用的抗震措施。糯扎渡大壩首次利用GPS、PDA信息技術，對壩料調運、筑壩參數、試驗成果和監測數據進行實時監控和信息反饋，是大壩施工質量控制的重大創新。以上重大技術的突破，為后續高土石壩安全建設提供了重要的參考和技術支撐。致謝本研究得到中國工程院咨詢研究項目(2013-xy-11)及國家科技支撐計劃(2013BAB06B01)資助，特此致謝！Compliance with ethics guidelinescon?ict of interest or ?nancial con?icts to Ma and Fudong Chi declare that they have no

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