漢江新集水電站土石壩水下拋填離心模型試驗研究

李銳 張方濤 李波 張著彬 余偉 黃繼平

摘要：由于壓實度的不可控性，水下拋填一直較少作為土石壩等永久建筑物的施工方案，而采取水下拋填可大大提高工程經濟性，研究土石壩水下拋填施工技術具有重要意義。以漢江新集水電站主河床土石壩水下拋填施工為例，引入離心模型試驗對其進行了前期論證，并在壩體填筑完成后通過超重型動力觸探試驗對水下拋填密度進行檢測。結果表明：水下拋填密度與拋填料顆粒級配、上覆堆載、水深等因素密切相關，且經強夯處理后拋填體的有效加固深度在6.0 m范圍內；離心模型試驗和超重型動力觸探檢測成果相關性較好，可作為研究土石壩水下拋填密度的有效手段。研究成果給后續壩體設計、安全監測方案優化提供了數據支撐，對同類工程設計施工也具有重要參考價值。

摘要：土石壩; 水下拋填; 離心模型試驗; 超重型動力觸探試驗； 新集水電站

中圖法分類號： TV541.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.021

0 引 言

水下拋填如砂、砂礫石及石渣等散粒料是水利工程圍堰施工的常用方式，這些散粒料在水的動阻力、黏滯力等作用下靠自重堆積在一起，是一個非常復雜的“水下堆?！边^程。對于堰體防滲設計和穩定性評價來講，水下拋填料密實度是極為關鍵的指標，其受填料、級配、拋填水深及施工工藝等因素的綜合影響，現場直接測定難度高、成本大［1-2］，早期一直是困擾著科研工作者和工程設計人員的難題。1959 年，三峽大壩二期圍堰論證時，曾考慮采用風化砂作為圍堰堰體中部的拋填料，進行了6.0 m水深下人工挑土的現場拋填試驗，干密度僅為1.40～1.45 g/cm3，分析得知防滲墻頂部的水平位移達1.2 m，墻體應力應變狀況很差［3］。20 世紀 80 年代，隨著中國離心模型試驗技術逐漸成熟，李玫等首次提出采用離心模型試驗方法對水下堰體的密實度開展研究，試驗得出風化砂的干密度為 1.65～1.86 g/cm3，相關成果大大簡化了圍堰斷面的結構設計，其可靠性也已為后期的堰體開挖所證實［4］。近些年，離心模型試驗技術已成為研究堰體水下拋填密實度的有效技術手段，先后在三峽二期圍堰、白鶴灘及大藤峽等水利樞紐深水圍堰中發揮了重要作用，研究成果廣泛應用于工程設計和施工中［5-8］。

由于密實度無法人為控制，故水下拋填一直較少作為土石壩等永久建筑物的施工手段。直崗拉卡水電站土石壩在黃河截流后雖直接采用水下拋填進行壩體填筑，但拋填深度較淺，僅為2.1 m，而且僅采用取樣干密度測試對拋填質量進行檢查，誤差較大，很難為類似工程所借鑒［9-10］。土石壩采用水下拋填可大大縮短工期，降低成本，因此運用離心模型試驗技術指導土石壩壩體水下拋填具有良好的應用前景和理論價值。

基于上述考慮，筆者在新集水電站主河床土石壩水下拋填施工前，模擬相同工況和設計方案，采用離心模型試驗技術對水下拋填密實度變化規律進行前期分析論證，并在壩體填筑完成后結合超重型動力觸探試驗對水下拋填密實度進行原位檢測。

1 工程概況

湖北漢江新集水電站位于漢江中游河段湖北省襄陽市境內，壩址位于白馬洞，上距已建成的王甫洲樞紐47.5 km，下距崔家營樞紐63.5 km。新集水電站正常蓄水位76.23 m，總庫容4.37億m3，是一座以發電、航運為主，兼具灌溉、旅游等功能的Ⅱ等大（二）型水電站。

新集水電站右岸主河床土石壩（壩軸線樁號1+693.0～2+202.4）壩長 509.4 m，最大壩高27.28 m，土石壩上、下游邊坡均為 1∶3，上、下游壩面在高程71.00 m處分別設置 4.0 m及2.0 m寬的馬道（見圖1）。作為壩體一部分的截流戧堤位于壩體上游，戧堤頂寬15.0 m、高程71.00 m，高程71.00 m以上采用黏土心墻防滲，高程71.00 m 以下壩體及基礎采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻底線伸入基巖1.0 m，防滲墻向山體延伸封閉。下游壩坡71.00 m 高程以下拋石并采用格賓墊護砌。土石壩為心墻壩，大壩上下游壩殼填筑料主要為砂礫石，土石壩段原河床標高55.0～63.0 m，土石壩65.0 m以下采用水下直接拋填，填筑至67.4 m，對混凝土心墻部位15.0 m寬范圍進行強夯處理。

2 試驗

2.1 離心模型試驗

2.1.1 試驗目的和主要內容

本次試驗使用長江科學院 CKY-200 型巖土離心機（見圖2），模擬現場實際工況和設計方案，主要試驗內容如下：

（1） 主河床范圍最大水深12.0 m，壩頂高程為79.3 m，考慮高程65.0 m以下為水下拋填，則上覆堆載為14.3 m，因此研究了在12.0 m水深、12.0 m水深+上覆堆載 14.3 m兩種條件下，水下拋填密度和坡角的變化情況，并進一步分析在不同水深（5.0～20.0 m）下的水下拋填密度變化規律。

（2） 由于壩體設計方案為拋填至高程67.4 m后對拋填部分進行強夯處理，模擬了在同樣強夯能量作用下拋填部分的有效加固深度。

2.1.2 試驗材料制備

由于拋填料均為就近取料，結合前期地質勘察試驗成果選取了現場2種典型砂礫石顆粒級配料SJY-1和SJY-2（見圖3），與現場篩分結果相似，級配曲線相對平滑，中間粒徑缺少不是特別嚴重，不均勻系數Cu分別為169和57，曲率系數Cc分別為1.14和4.63，SJY-1級配良好，SJY-2級配不良。由于原型填料的粒徑尺寸較大，離心試驗中模型材料的粒徑與原型粒徑之間應該滿足一定的相似準則，具體來說就是模型各部分粒徑應為原型的1/n，需要進行部分縮尺。參考DL/T 5102-2013《土工離心模型試驗規程》，在離心模型試驗中進行了縮尺模擬，本次試驗中考慮以模型箱最小尺寸的1/20即2 cm，作為離心模型試驗中砂礫石料的最大限制粒徑。

為了配合最大限制粒徑，工程上一般根據研究目的的不同而采用一些特殊的方法進行縮尺處理，如等量替代法、梯形分布相似法等。本次離心試驗根據現場砂礫石料級配情況采用等量代替法模擬原型材料，即用2～20 mm之間的各級土料等量代替原型料中20 mm以上的填料，2 mm 以下用原型料（見圖4）。

2.1.3 試驗裝置與步驟

圖5和圖6分別為水下拋填離心模型試驗示意和裝置圖。當離心加速度逐級增大至設計加速度時（本次試驗設定最大離心加速度為50g），啟動電動提升裝置，通過鋼絲繩和滑輪連接，將模型箱中部隔板拉出，隔板上部填料拋填至模型箱下部的水中。

模型試驗模型箱尺寸 1.0 m×0.4 m×0.8 m（長×寬×高），當拋填模擬開始時，拋填料沉降迅速增大且超過位移場傳感器的量程，與監控錄像共同證實試驗裝置可模擬拋填過程。拋填料體積和密度需離心機停機后量測計算得到，試驗步驟如下：

① 風干、晾曬不同粒徑組填筑材料，并按模型設計級配進行配制；② 將拋填料逐層填筑至儲料箱中；③ 吊裝儲料箱至模型箱內，并安裝拋填模擬裝置；④ 將模型箱吊裝至機室內，安裝拋填牽引裝置和傳感器等；⑤ 吊裝配重，進行安全檢查，無誤后可運行離心機；⑥ 逐級提升加速度至設定加速度，穩定后進行拋填模擬，再穩定運行 30～40 min 后停機；⑦ 停機后，詳細觀察模型各部位的變化情況，并做好記錄分析；⑧ 拆除模型，進行試驗后填料相關測量，試驗結束。

采用能量等效方法模擬原型強夯能量，進而研究強夯處理后拋填料的密度。擬采用夯錘重16.0 t，落距為 10.0 m，20 m×20 m范圍共夯擊210次，總能量為3.36×108 N·m；將重錘做功用重力勢能等效，相當于該范圍內堆載高度約42.0 m（堆載料的密度假定2 g/cm3）。以 SJY-1級配為例開展離心模型試驗，試驗中采用鐵砂模擬堆載，密度為3.9 g/cm3，加速度采用50g，填筑高度22.0 cm。水下拋填高度為24.0 cm，模擬水深為12.0 m。

2.2 原位超重型動力觸探試驗

為檢測在強夯、碾壓等工程措施和上部荷載、施工期自然沉降等影響下土石壩的密實度變化，并與離心模型試驗結果進行對比，在土石壩壩體填筑至高程77.80 m之后，在樁號 Yz1+940.00、Yz2+027.40、Yz2+077.40處共布置6個超重型動力觸探試驗孔（見圖7）。土石壩高程67.40 m以上分層碾壓填筑，相對密度經檢測均不低于設計要求的0.75。試驗過程中采用了鉆進和觸探相結合的方式，試驗成果均按照GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》中的相關要求進行桿長修正。

3 試驗成果及分析

3.1 離心模型試驗

3.1.1 直接拋填密度及坡角

水下拋填密度和拋填坡角試驗結果見表1～3。由表可知，存在上覆堆載的條件下，試樣的干密度和相對密度均明顯提高，SJY1-D1的相對密度由0.36增至0.68，SJY1-D2的相對密度由0.34增至0.64。在不同水深條件下，隨著水深逐漸增大（5.0～20.0 m），水下拋填砂礫石的干密度和相對密度均逐漸增大。相對密度SJY1-D1由0.32增至0.56，SJY1-D2由 0.25 增至0.53；SJY1-D1和SJY1-D2水下拋填坡角較為接近，在12.0 m水深條件下分別為32.6°和32.5°。

分析可知，水下拋填密度與拋填料級配、水深及上覆堆載均密切相關，SJY-1曲率系數Cc為 1.14，SJY-2級配曲線整體比較平滑，曲率系數Cc為4.63，SJY-1的級配相較于SJY-2更加優良，在相同試驗條件下SJY-1的水下拋填密度均大于SJY-2 。

3.1.2 強夯處理后拋填料密度

選取試驗效果更好的SJY-1級配，采用能量等效方法模擬原型強夯能量，研究了強夯處理后拋填料的密度，試驗成果見表4。分析可知，經強夯處理后水下拋填砂礫石的干密度和相對密度均有所提高。在不同水深條件下（2.0～12.0 m），直接水下拋填的砂礫石層相對密度平均為0.34，基本呈松散-稍密狀，經強夯處理后相對密度為0.50～0.78，平均值約為 0.64，基本為中密-密實狀態；在水深0～8.0 m 范圍內，強夯處理后相對密度較處理前增加50%，尤其是在0～6.0 m水深范圍內，相對密度增加90%～37%，隨著水深增大（大于8.0 m），強夯處理的影響效果逐漸減小。由上述成果可知，在12.0 m 水深條件下，強夯處理影響較為顯著的水深范圍約為0～6.0 m。

3.2 超重型動力觸探試驗

3.2.1 強夯區

由強夯區3個試驗孔成果可知（見圖8，括號內數據為水下深度）：① 層為強夯影響范圍（在此認為強夯處理后上部影響區砂礫石層為次固結狀態，忽略短期之內上覆堆載的影響），強夯處理影響深度范圍約為4.9～5.6 m，影響下限的底高程為61.80～62.50 m，該層原位超重型動力觸探試驗擊數修正值不小于7.0擊，為中密-密實狀，承載力特征值為350～450 kPa，變形模量為22.5～28.0 MPa；

② 層為強夯處理影響范圍以外至天然河床面，該層原位超重型動力觸探試驗擊數修正值約為2.3～3.6擊，以松散狀為主，局部稍密狀，承載力特征值為140～180 kPa，變形模量為12.0～16.0 MPa。該層是土石壩壩體的軟弱層，在上覆堆載、水庫蓄水等因素長期作用下后期次固結沉降較強夯影響區更大，可能會出現沉降變形、黏土心墻開裂等問題，對壩體穩定極為不利。針對上述軟弱層，在壩頂預留了足夠沉降值，并擬采用回填灌漿進行處理。

在12.0 m水深條件下，離心模型試驗成果中強夯處理后的影響深度在6.0 m范圍以內，現場原位超重型動力觸探試驗檢測的最大影響深度為5.6 m，兩者基本吻合。

對強夯面以上高程碾壓區土石壩超重型動力觸探試驗錘擊數（見表5）與實際檢測的相對密度值進行線性擬合，得出相對密度與超重型動力觸探試驗錘擊數線性方程：

Dr=0.0985N120+0.2622（1）

由于強夯影響區至天然河床面之間原位超重型動力觸探擊數修正值為2.3～3.6擊，結合上述公式，可計算出該區域相對密度范圍值為0.49～0.62，這與離心模型試驗模擬強夯影響區以外（深度大于6.0 m）的相對密度范圍值（0.50～0.63）基本一致，再次驗證了離心模型試驗強夯模擬的可靠性。

3.2.2 壩體下游平臺

主河床土石壩下游平臺高程71.00 m，高程67.40 m以下為直接拋填，上部為分層碾壓填筑而成。由圖9 可知：① 層屬于上部荷載、碾壓影響區，底高程為65.50～66.20 m，影響深度為1.30～1.90 m，該層超重型動力觸探試驗擊數修正值平均大于7.0擊，基本為中密-密實狀；② 層屬于影響范圍區外至天然河床面，該層超重型動力觸探試驗擊數修正值一般為2.0～3.0擊，以松散狀為主，局部稍密狀。

對比離心模型試驗成果，直接水下拋填砂礫石層相對密度平均為0.35，呈松散-稍密狀，與原位超重型重力觸探試驗成果基本一致。

4 結論與建議

本文將離心模型試驗技術應用到新集水電站主河床土石壩水下拋填密度研究中，并在壩體填筑、強夯處理完成后，采用超重型動力觸探試驗對水下拋填體密實度進行原位檢測，主要結論如下：

（1） 水下拋填密度與拋填料顆粒級配、拋填深度及上覆堆載等因素密切相關。在同等條件下，級配更好的散粒料水下拋填干密度和相對密度更大；隨著拋填深度增大或存在上部堆載時，水下拋填干密度和相對密度也明顯增大。強夯處理可對水下拋填壩體一定深度范圍（6.0 m以內）進行加固，隨著深度增加，影響效果不明顯。

（2） 原位超重型動力觸探檢測發現水下直接拋填密度較差，一般為松散-稍密狀；經強夯處理后加固深度約4.9～5.6 m，與離心模型試驗成果基本吻合，離心模型試驗可作為研究土石壩水下拋填密度的有效手段。

參考文獻：

［1］ 程永輝，饒錫保，周小文，等.散粒料水下拋填堰體密度的離心模型試驗研究［J］.長江科學院院報，2013，30（10）：42-47.

［2］ 鄭守仁，楊文俊.河道截流及在流水中筑壩技術［M］.武漢：湖北科學技術出版社，2009.

［3］ 包承綱.三峽工程二期深水圍堰的建設和研究［J］.水利水電科技進展，2001，21（4）：21-25.

［4］ 李玫，龔壁衛.三峽深水圍堰風化砂料水下拋填密度和坡角的離心模型試驗研究報告［R］.武漢：長江科學院，1989.

［5］ 楊光煦.三峽二期圍堰深水拋投風化砂施工期穩定及拋投技術［J］.人民長江，1997，28（1）：1-5.

［6］ 饒錫保，胡勝剛，程永輝.深厚覆蓋層及圍堰堰體材料工程特性試驗技術研究［J］.長江科學院院報，2011，28（10）：118-121.

［7］ 程永輝，李青云，饒錫保，等.長江科學院土工離心機的應用與發展［J］.長江科學院院報，2011，28（10）：125-131.

［8］ 向家菠，郝文忠，翁金望，等.烏東德壩址河床深厚覆蓋層研究報告［R］.武漢：長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院，2007.

［9］ 王為華，任世德.淺議直崗拉卡水電站土石壩水下拋填施工［J］.水電站機電技術，2015，38（12）：66-68.

［10］ 馬現軍，楊歲明，李威威.夾巖水利樞紐工程大江截流方案設計與施工［J］.水利水電快報，2020，41（9）：21-24.

（編輯：胡旭東）

Centrifugal model test study on underwater dumping-filling of earth-rock dam of Xinji Hydropower Station on Hanjiang River

LI Rui1，ZHANG Fangtao1，LI Bo2，ZHANG Zhubin1，YU Wei1，HUANG Jiping1

（1.Hubei Provincial Water Conservancy and Hydropower Planning，Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430064，China； 2.Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Due to the uncontrollability of compactness，underwater dumping-filling has been less used as a construction scheme for permanent buildings such as earth-rock dams.However，underwater dumping-filling can greatly improve the engineering economy，so it is of great significance to study the underwater dumping-filling construction technology of earth-rock dams.Taking the underwater dumping-filling construction of the earth-rock dam on main riverbed of Xinji Hydropower Station on Hanjiang River as an example，a centrifugal model test was introduced for preliminary reasoning，and the underwater dumping-filling density was tested by super-heavy dynamic penetration test after the completion of the dam filling.The results showed that the underwater dumping-filling density was closely related to the particle gradation，overlying surcharge，water depth and other factors，and the effective reinforcement depth of the dumping-filling body after dynamic compaction was within the range of 6.0 m.The results of centrifugal model test and super-heavy dynamic penetration test have good correlation，which can be used as an effective means to study the underwater dumping-filling density of earth-rock dams.The research results can provide data support for the subsequent dam design and safety monitoring scheme optimization，and also have important reference value for the design and construction of similar projects.

Key words：

earth-rock dam；underwater dumping-filling；centrifugal model test；super-heavy dynamic penetration test；Xinji Hydropower Station