第五节 用土工离心模型试验预测高混凝土面板堆石坝性状
一、土工离心模拟试验技术和土工离心机［4，28，29］
混凝土面板堆石坝的筑坝材料的强度和应力应变关系具有非线性特征，面板堆石坝坝体和面板的变形都取决于其应力状态，因此，用物理模型试验来研究面板堆石坝的稳定、渗流和应力变形性状，简单地将几何尺寸缩小，用模型试验来推断原型面板堆石坝的性状显然是不合适的。
土工离心模拟试验技术是利用离心机产生离心惯性力场来模拟地球引力场，在离心机的离心力场中，提高模型的自重体积力，使模型的应力状态与原型相等，模型的变形、渗流和稳定等力学性状就可以反映原型的力学性状。于是从20世纪30年代开始利用土工离心模型试验来研究土坡稳定以来，土工离心模型试验技术发展较快，成为预测土工建筑物性状的一种重要手段。
国内从事面板堆石坝等水工建筑物研究的大型土工离心主要有两台，主要技术性能如表2-55所示。
两台大型土工离心机总体结构图分别如图2-163和图2-164所示。
表2-55 大型土工离心机主要技术性能
① 试验吊篮平台至旋转中心。
② 100通道银质集流信号环，包括10路电力环，1路气压环（20MPa，供水速率20L/min），64路高精度快速数据采集系统。
图2-163 南京水利科学研究院400g·t土工离心机总体布置图
1—主轴；2—摄像机；3—活动吊篮；4—转臂；5—不平衡应变计；6—不平衡配重；7—观察摄像机；
8—观察监视器；9—主处理计算机；10—图像处理器；11—绘图仪；
12—打印机；13—滑环；14—控制计算机
南京水利科学研究院在国内率先在大型土工离心机设置了振动台，进行了吉林台一级砂砾石堆石坝的土工离心机动力模型试验。该振动台由振动台面、作动器、伺服阀、压力源等部分组成，其主要技术性能如表2-56所示，主要尺寸如表2-57所示。台体结构采用新型的高精密线性滑条，它具有较高的支承能力，摩擦系数极小，设计值为0.01。电液伺服阀是振动台的核心部件，其型号为FF106喷水挡板式两极伺服阀，流量为100L/min。用25L的高压蓄能器作为动力源。信号控制回路由计算机、控制柜和安装在伺服油缸上的电液伺服阀、加速度传感器、位移传感器组成。采用位移、速度和加速度三参数闭环控制方式，通过计算机发出指定的振动信号，伺服阀动作，同时依据安装在振动台上的位移和加速度传感器所测得的信号反馈，对振动状态进行调整，从而实现设定的振动。振动的方式可以是规则波也可以是不规则随机波。
图2-164 中国水利水电科学研究院450g·t土工离心机总体结构图
1—配重吊篮；2—转臂；3—转台；4—通电装置；5—管道Ⅰ、Ⅱ；6—试验吊篮；
7—长传动轴；8—减速机；9—水旋转接头；10—油气旋转接头；11—吊车
表2-56 离心机振动台主要技术性能
表2-57 振动台面及台体构件
南京水利科学研究院大型土工离心机上设置了填料装置、断层发生装置和水位骤降装置。
填料装置是在高重力场（离心机运转时离心力场）模拟土石坝分层填筑过程的特殊装置，可以做到填筑过程连续、分层多次填筑并且填筑断面几何形状相似。填料装置的机械部分由框架、传动齿轮、转筒料斗、出料口及盖板组成，控制部分由步进电机、步进伺服系统和单片机组成。填料装置可以在最大加速度50g的情况下进行土石坝分层填筑仿真模拟，在离心机运转情况下，可以动点填料20～30kg，可逆向移动，水平移动速度10～100cm/min，调速精度2×10-3；最大移动行程40cm，定位精度2×10-3。
正断层发生装置由步进电机、微机控制系统、传动机构和升降活动板组成，在离心加速度150g的情况下正常工作，可模拟断层错动0～4.5m，错动速度可调。逆断层发生装置可在离心加速度20～50g情况下工作，可模拟断层逆向错动1m。
断层发生装置已成功应用于克孜尔水库土坝离心模型试验。
水位骤降装置是在高重力场模拟水库水位骤降的装置，有两种型式，分别为气压式和切断器式，已成功应用于瀑布沟心墙堆石坝离心模型试验。
南京水利科学研究院大型土工离心机设置了数据采集系统和闭路电视系统，静力离心模型试验采用普通数据采集系统，动力离心模型试验采用高速数据采集系统。
（1）普通数据采集系统。该系统由前置调理放大器、前级机及微机组成，前置调理放大器安装在离心机转臂端部靠近试验吊篮处，便于微弱信号的就近放大，前级机安装在离心机靠近中轴的地方，为了减小该设备承受的离心力，使其在高重力场中能正常工作。微机则放在控制室中，试验过程中可随时得到试验数据。试验时模型中埋设的传感器输出的信号由前置调理放大器放大后送入前级机，由前级机进行A/D转换实时采集，采集的信号经集流环上传至主机，由主机显示、存储测量结果并进行处理。
（2）高速数据采集系统。地震往往只持续几秒或几十秒，用土工离心机振动台模拟，历时不到1～2s，要在1～2s的时间，迅速地把大量的试验数据记录下来，这就要求数据采集系统有较高的数据采集速度。数据采集系统包括信号调理放大系统、AD转换与采集系统、上下位计算机的数据交换、控制系统、试验数据处理显示系统。信号调理放大系统选用了美国Qtech公司的5B系列模块技术，该模块的技术特点是抗干扰能力强、稳定性好，适合复杂恶劣的试验条件，有较强的抗冲击能力，耐高温。而且每一通道单独放大调理，避免了各通道之间的相互干扰。AD转换与数据采集系统选用了美国Qtech公司的daq-1201高速数据采集卡，该数据采集卡的采样率为40万次/s，16个采集通道，可以扩充。用网络将上位机与下位机连接起来，通过上位机对下位机的所有控制进行操作。
（3）闭路电视系统。该系统由高分辨率CCD摄像机、监视器、录像机组成。试验时将高分辨率CCD摄像机安装在离心机转臂端部试验吊篮上，其镜头对模型箱有机玻璃面，该面为模型侧断面，制模时在模型表面做好测量标志，其标志网格点的坐标由摄像机摄入后经集流环上传至监视器中显示，这样在试验过程中可监视模型在任一时期的变形情况，必要时可用录像机录制整个试验过程，以便于试验后处理。
南京水利科学研究院采用土工离心模型试验进行了西北口、小干沟、梅溪、吉林台一级和宜兴抽水蓄能等面板堆石坝工程试验研究，中国水利水电科学研究院采用土工离心模型试验进行了天生桥一级、黑泉、乌鲁瓦提、龙首二级（西流水）、洪家渡、察汗乌苏和九甸峡等面板堆石坝工程试验研究，本书只阐述几个典型的面板堆石坝离心模型试验研究结果。
二、宜兴抽水蓄能混凝土面板堆石坝土工离心模型试验［4，30，31］
宜兴抽水蓄能电站位于距离江苏省宜兴市约7km的西南郊，装机容量4×250MW，电站工程由上水库、下水库、地下输水系统和厂房、地面开关站等组成。
上水库位于由铜官山东南、西南及北峰三座山峰间的沟源谷地。主坝建于向东发育的沟谷，沟谷中地形为W形，两沟夹一梁，沟平均纵坡30°～40°，局部超过45°，主坝就建在沟内陡坡上，地形条件极为不利。
坝址区为泥盆纪茅山组岩屑石英砂岩和五通组石英岩状砂岩地层，层面缓倾下游，沿层面发育有软弱岩层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和泥化夹层，分布有多条燕山晚期侵入的花岗斑岩，宽度最大处达30m，岩体大部已呈全风化状态。坝址区断裂构造发育，有主要断层7条以NWW～EW向陡倾角为主，工程地质条件较差。
上水库库容主要靠开挖形成，原设计为长贴坡的混凝土面板堆石坝，坝高285m，坝体工程量大。为节省大坝工程量、充分利用库盆开挖料，特别是保证在陡峻地形上的大坝稳定安全，采用土工离心模型试验与数值分析相结合的方法，为采用新坝型——坝趾带挡墙的混凝土面板堆石混合坝提供技术依据。
土工离心模型试验进行了13个方案（表2-58）的试验，比较了下列影响因素：
（1）竣工期和蓄水期两种工况。
（2）地下水位沿建基面分布和沿平行建基面以下30m分布两种情况。
（3）重力挡墙后水位分别为1/3墙高和墙基两种情况。
（4）重力挡墙有位移和无位移两种情况。
（5）3个重力挡墙剖面，分别为4—4剖面（偏左沟）、5—5剖面（山脊）和8—8剖面（右沟）。
（6）基岩整体和基岩中有断层与软弱夹层的两种情况。
（7）5种不同的堆石料与建基面之间摩擦阻力的情况。
宜兴面板堆石混合坝离心模型试验测试下列结果：
（1）坝体沉降，表面沉降用进口LVDT位移计测定，内部位移用标记测定。
（2）面板应力应变，用基底3mm×10mm的电阻应变片测定。
（3）挡墙土压力，用微型土压力计测定。
（4）孔隙水压力，用美国Druck公司微型孔隙水压力传感器测定。
（5）坝体沿建基面稳定性。
表2-58 试验方案
续表
注 坝型A为混凝土面板堆石坝混合坝，坝型B为沥青混凝土面板混合坝；堆石料与基岩抗剪强度正常为堆石料，提高为粗堆石料，降低1为少掺土料（2：1），降低2为多掺土料（1：1），降低3为土料；地下水位条件1为沿建基面分布，至重力挡墙后水位为1/3挡墙高；条件2为地下水位沿平行建基面以下30m分布。
典型的模型试验布置如图2-165所示。
土工离心模型试验得出坝体和面板的变形、挡墙位移和挡墙土压力及其分布规律，试验结果表明：
坝体变形取决于坝体断面。地下水位在建基面以下30m时，坝体沉降和水平位移、挡墙水平位移和土压力都略有增加，蓄水引起的坝顶沉降增量和面板挠度增量有所减小。
建基面倾角增加10°时，竣工时和蓄水期坝体和面板的变形都有相当程度增加（约70%～120%），考虑基岩断层和软弱夹层存在时坝体变形和面板挠度也有所增加。
图2-165 方案5模型试验布置图（单位：mm）
随着坝体与建基面的摩擦系数的增大，坝体沉降、水平位移、面板的挠度、挡墙水平位移和土压力都随之有所减小，反之亦然。
典型试验方案1挡墙土压力分布如图2-166所示，从图可知，挡墙土压力大于按库仑（Coulomb）理论计算的土压力值，土压力计算应考虑墙后坝体堆石与挡墙的相互作用。原型观测资料表明挡墙土压力离心模型试验值与实测值基本一致。
三、吉林台一级面板砂砾堆石坝土工离心模型试验［4，32］
吉林台一级混凝土面板砂砾石坝坝高157m，上游坝坡1：1.7，下游坝坡1：1.9，最大剖面坝基宽541m，世界上任何一台大型土工离心机都无法进行该坝整体模型试验，因此采用不等应力状态的一系列试验、包括：低应力的整体模型试验、较低应力的1/2局部模型试验和等应力的小局部模型试验，在边界条件相容的条件下，推断出等应力状态整体模型的性状，试验分组如表2-59所示。
图2-166 方案1挡墙上土压力分布图
表2-59 吉林台一级面板坝静力土工离心模型试验分组
典型模型试验布置如图2-167所示。
图2-167 M110模型试验布置图（单位：mm）
吉林台一级面板砂砾堆石坝土工离心模型试验面板坝坝体材料的最大粒径为5mm，将原型坝的砂砾石料和爆破堆石料先用相似级配法再用等量替代法（即混合法）缩制成模型试验坝料，在模型箱分层填筑，层厚5cm，干密度2.24g/cm3。同样用抗弯刚度相似条件得到离心模型试验的面板材料与尺寸，模型试验面板采用与混凝土容重相近的铝板，对于模型几何比尺170、300和600的试验面板厚度分别是2.0mm、1.2mm和0.5mm。
吉林台一级面板砂砾堆石坝的动力土工离心模型试验包括两部分试验，一是拟静力离心模型试验，二是离心机上振动台模型试验。
根据DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》，地震时土石坝（包括面板堆石坝）的抗震稳定性计算采用拟静力法，并规定了土石坝坝体动态分布系数，吉林台一级坝坝高157m，水平加速度分布系数αhj＝1.55，垂直加速度分布系数αvj＝1.75，对应地震烈度8度和9度时βh＝0.0775和βh＝0.155，βv＝0.02917和βv＝0.05833，垂直地震惯性力只有水平地震惯性力的1/3，于是将模型坝体倾斜4.4°和8.8°就可以分别模拟8度和9度地震烈度时坝体的拟静力法抗震稳定性。模型几何比尺300，离心加速度180g，模型试验编号分别为M211、M213、M221和M223。
在土工离心机振动台模型试验分别进行了整体模型和局部模型的试验，模型几何比尺分别为1400和700，土工离心机离心加速度50g，振动台振动加速度15g，输入正弦波，振动持续时间0.2s，振动频率100Hz，在模型几何比尺1400和700时，相当于原型振动持续时间121.72s和72.38s，振动频率0.164Hz和0.276Hz，一定程度上模拟了9度地震0.472g的情况，模型试验编号分别为M310和M321。
动力土工离心模型试验筑坝材料也是分层填筑，层厚3cm，干密度2.24g/cm3，面板采用0.5mm厚铝板。
吉林台一级面板砂砾堆石坝土工离心机振动台动力模型试验布置如图2-168所示。
图2-168 M310模型试验布置图（单位：mm）
吉林台一级面板砂砾堆石坝离心模型试验结果如下述：
面板顺坡向应力基本上为压应力，坝顶附近最小，随高程降低而逐渐增大，在高程1320.00m处最大，达到7.90MPa。9度地震引起坝顶沉降7.6cm，使面板挠度增加15.2～33.6cm，在坝轴线处不同高程坝体地震反应动力放大系数分别是：高程1305.00m处放大系数0.82～0.89，高程1340.00m处放大系数0.82～0.96，高程1382.00m处放大系数1.34～1.76，高程1399.50m处放大系数1.83～2.43。可以看出吉林台一级面板砂砾堆石坝土工离心模型试验结果与上述的数值分析预测结果基本一致。
四、察汗乌苏面板砂砾堆石坝土工离心模型试验［4，33］
察汗乌苏面板砂砾堆石坝位于新疆巴音郭楞自治州和静县开都河上，河床及左岸高漫滩覆盖层厚35～46m，坝址附近砂砾石料储量丰富，察汗乌苏面板坝最大坝高110m，坝顶长度352m，上游坝坡1：1.5，下游综合坝坡1：1.8，河床段趾板建在覆盖层上，覆盖层防渗措施采用混凝土防渗墙，最大深度46.8m，坝体分区是垫层区、过渡区、主砂砾石区、排水区和下游堆石区，垫层料采用C3料场天然砂砾石区、机械轧制小石和粗砂按级配要求配置，排水体料采用破碎筛后的砂砾石，主砂砾石区采用C1料场、筛除大于800mm的天然砂砾石，过渡料采用洞渣料与砂砾石料按6：4配置，下游堆石区料采用主体建筑物开挖料。
察汗乌苏面板砂砾堆石坝离心模型试验由中国水利水电科学研究院完成，该离心模型几何比尺200，最大离心机速度200g，模型试验坝体材料也用混合法缩制，覆盖层、过渡料和主砂砾石料的最大粒径20mm，下游堆石料最大粒径40mm，也基于抗弯刚度相似条件，面板采用2mm厚铝板、混凝土防渗墙采用5mm铝板模拟。坝体和覆盖层表面沉降也用LVDT位移传感器量测，面板和防渗墙应力应变也用电阻应变片量测，坝体内部变形也采用标志法，防渗墙顶部和面板顶部水平位移用激光位移传感器量测。
该坝离心模型试验布置如图2-169所示。
图2-169 离心模型试验布置（单位：m）
注：图中标注尺寸为原型尺寸，除以n＝200即为模型尺寸。
察汗乌苏面板砂砾堆石坝离心模型试验结果如下：
用内部标志，数字摄像机拍摄、Arcview GIS图像处理软件得出的坝体内部沉降是：在高程1524.00m、高程1544.00m和高程1595.00m的竣工时最大沉降分别是0.53m、 0.85m和0.98m，蓄水期最大沉降分别是0.58m、0.93m和1.14m，估算竣工时坝体沉降1.20m。
蓄水期面板顶面和底面的顺坡向应力分布如图2-170所示，面板顺坡向压应力最大值5.2MPa，发生在面板底面，拉应力最大值-2.3MPa，发生在面板顶面。竣工时和蓄水期防渗墙水平位移如图2-171所示，竣工时防渗墙顶部向上游位移11cm，蓄水期在水压力作用下，防渗墙向下游位移，防渗墙水平位移沿墙高度的分布符合一般规律。
图2-170 蓄水期面板顶面、底面的顺坡向应力图
图2-171 竣工期、蓄水期防渗墙沿高度方向水平位移分布图
五、土工离心模型试验预测结果的验证［4，28，29，30，34］
1.小干沟面板砂砾石坝上游挡墙离心模型试验的验证
小干沟面板砂砾石坝位于青海省格尔木河上，最大坝高55m，坝顶长104m，上游坝坡1：1.55，下游坝坡1：1.66，该坝是我国最早建成的混凝土面板砂砾石坝，坝体标准剖面见图2-172所示。垫层料采用3号料场砂砾石填筑，最大粒径150mm，小于5mm颗粒含量30%～50%，渗透系数10-2～10-3cm/s，设计干密度2.24g/cm3，冬季干碾时2.18g/cm3。坝体主堆石区采用5号料场天然砂砾石填筑，最大粒径350mm，小于5mm颗粒含量15%～35%，小于0.1mm颗粒含量5%～10%，孔隙率17%～19%，设计干密度2.20g/cm3，冬季干碾时2.16g/cm3。坝体中设置L形排水体，排水体料为天然砂砾石和人工轧制碎石配制，最大粒径150mm，最小粒径5mm，渗透系数大于10-1cm/s，设计干密度2.00g/cm3。
该坝座落在近于90°的河流弯道上，右岸陡壁，为改造不利地形条件，节省投资，在上游及两坝肩设置了三道混凝土挡墙，分别高25.2m、6.2m和4.2m，小干沟面板坝平面布置如图2-173所示。在施工期和水位骤降时挡墙承受坝体砂砾石压力，蓄水期又承受上游水压力，为论证上游混凝土挡墙的可行性，进行了土工离心模型试验。
图2-172 小干沟面板砂砾石坝标准剖面图（单位：cm）
图2-173 小干沟混凝土面板堆石坝平面布置图（单位：cm）
挡墙三维土工离心模型试验的模型几何比尺120，离心加速度120g，进行了两种型式挡墙的离心模型试验，型式Ⅰ是原设计重力式挡墙，上游面直立1：0，下游面1：0.25，型式Ⅱ是平面上成拱形（R＝57m）的重力式挡墙，上游面1：0.2，下游面1：0.3。后者的离心模型布置如图2-174所示。两种挡墙的变形性状如表2-60所示。
图2-174 小干沟面板坝挡墙离心模型试验布置图（单位：mm）
表2-60 两种挡墙的变形性状单位：mm
注 向上游位移为负，向下游位移为正。
两种型式重力挡墙的土压力分布如图2-175所示。
土工离心模型试验验证了重力挡墙是稳定的，根据试验结果实际工程选用了后一型式的重力挡墙（上游面1：0.2，下游面1：0.3），重力挡墙位移较小，在当时止水结构的允许变形范围之内。该工程1991年7月蓄水运行，至今已15年，渗漏量小于3L/s，验证了土工离心模型试验与工程设计的合理性。
2.宜兴面板堆石坝离心模型试验的验证
宜兴抽水蓄能电站上水库面板堆石坝工程设置了周全的安全监测设施，在施工期得到了大量的监测资料，现将与该坝土工离心模型试验有关的安全监测情况介绍如下：
图2-175 小干沟面板坝挡墙土压力图
在重力挡墙墙顶设置了14个测点，测点水平位移用视准线法观测，测点垂直位移（沉降）用水准仪观测，各测点于2005年5月6日开始施侧，每周观测一次，测点沉降最大值9.9mm，发生在第15墙段TR12测点，测点水平位移最大值9.6mm，发生在第16墙段TR13测点。
重力挡墙的土压力监测分为7个剖面，监测布置如表2-61所示。
表2-61 挡墙土压力监测布置单位：m
土压力计测值均随着墙前坝体填筑高程增加而增大，第15墙段0＋294.58m剖面土压力观测结果如图2-176所示，第15墙段的土压力分布如图2-177所示。
图2-176 挡墙第15墙段0＋294.58m剖面土压力过程线图
将上述观测结果与在该工程土工离心模型试验结果绘制在同一图中，如图2-166所示，可以发现，宜兴抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝混合坝的离心模型试验土压力分布基本与上实测结果一致，说明可以用土工离心模型试验来预测结构较为复杂的面板堆石坝工程的性状，进行方案比较和优化。
3.天生桥一级面板堆石坝离心模型试验的验证
图2-177 填筑至高程450.00m挡墙第15墙段土压力沿高程分布图
中国水利水电科学研究院进行了天生桥一级面板堆石坝离心模型试验，该模型几何比尺200，离心加速度200g，模型尺寸（长×高×宽）1.35m×0.9m×0.395m，可以模拟天生桥一级面板堆石坝上游部分，试验模型为二维平面应变状态。坝体材料用混合法缩制，最大粒径35mm，小于5mm颗粒含量不大于15%，面板采用等厚钢丝网混凝土板，按抗弯刚度相似条件确定其厚度为5mm。
该坝离心模型试验结果是：坝体分两次填筑时，坝体最大沉降2.474m，若一期面板浇筑时坝体填筑至高程725.00m，面板浇筑后，坝体继续填筑依次到高程745.00m、高程765.00m和高程791.00m时，一期面板顶部分别脱空13.4cm、20.0cm和34.6cm。若一期面板浇筑时坝体已填筑到高程745.00m或高程735.00m时，当坝体继续填筑到高程791.00m时，一期面板顶部脱空25.2cm或10.8cm，即坝体已填筑的高程高出一期面板顶部高10m或20m时可以减小一期面板顶部的脱空。这一关于面板脱空的试验结论被天生桥一级面板堆石坝工程实践所证实，并为其后的高混凝土面板堆石坝工程设计与施工所采纳。