汉江新集水电站土石坝水下抛填离心模型试验研究

李锐 张方涛 李波 张著彬 余伟 黄继平

摘要：由于压实度的不可控性，水下抛填一直较少作为土石坝等永久建筑物的施工方案，而采取水下抛填可大大提高工程经济性，研究土石坝水下抛填施工技术具有重要意义。以汉江新集水电站主河床土石坝水下抛填施工为例，引入离心模型试验对其进行了前期论证，并在坝体填筑完成后通过超重型动力触探试验对水下抛填密度进行检测。结果表明：水下抛填密度与抛填料颗粒级配、上覆堆载、水深等因素密切相关，且经强夯处理后抛填体的有效加固深度在6.0 m范围内；离心模型试验和超重型动力触探检测成果相关性较好，可作为研究土石坝水下抛填密度的有效手段。研究成果给后续坝体设计、安全监测方案优化提供了数据支撑，对同类工程设计施工也具有重要参考价值。

摘要：土石坝; 水下抛填; 离心模型试验; 超重型动力触探试验； 新集水电站

中图法分类号： TV541.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.021

0 引 言

水下抛填如砂、砂砾石及石渣等散粒料是水利工程围堰施工的常用方式，这些散粒料在水的动阻力、黏滞力等作用下靠自重堆积在一起，是一个非常复杂的“水下堆栈”过程。对于堰体防渗设计和稳定性评价来讲，水下抛填料密实度是极为关键的指标，其受填料、级配、抛填水深及施工工艺等因素的综合影响，现场直接测定难度高、成本大［1-2］，早期一直是困扰着科研工作者和工程设计人员的难题。1959 年，三峡大坝二期围堰论证时，曾考虑采用风化砂作为围堰堰体中部的抛填料，进行了6.0 m水深下人工挑土的现场抛填试验，干密度仅为1.40～1.45 g/cm3，分析得知防渗墙顶部的水平位移达1.2 m，墙体应力应变状况很差［3］。20 世纪 80 年代，随着中国离心模型试验技术逐渐成熟，李玫等首次提出采用离心模型试验方法对水下堰体的密实度开展研究，试验得出风化砂的干密度为 1.65～1.86 g/cm3，相关成果大大简化了围堰断面的结构设计，其可靠性也已为后期的堰体开挖所证实［4］。近些年，离心模型试验技术已成为研究堰体水下抛填密实度的有效技术手段，先后在三峡二期围堰、白鹤滩及大藤峡等水利枢纽深水围堰中发挥了重要作用，研究成果广泛应用于工程设计和施工中［5-8］。

由于密实度无法人为控制，故水下抛填一直较少作为土石坝等永久建筑物的施工手段。直岗拉卡水电站土石坝在黄河截流后虽直接采用水下抛填进行坝体填筑，但抛填深度较浅，仅为2.1 m，而且仅采用取样干密度测试对抛填质量进行检查，误差较大，很难为类似工程所借鉴［9-10］。土石坝采用水下抛填可大大缩短工期，降低成本，因此运用离心模型试验技术指导土石坝坝体水下抛填具有良好的应用前景和理论价值。

基于上述考虑，笔者在新集水电站主河床土石坝水下抛填施工前，模拟相同工况和设计方案，采用离心模型试验技术对水下抛填密实度变化规律进行前期分析论证，并在坝体填筑完成后结合超重型动力触探试验对水下抛填密实度进行原位检测。

1 工程概况

湖北汉江新集水电站位于汉江中游河段湖北省襄阳市境内，坝址位于白马洞，上距已建成的王甫洲枢纽47.5 km，下距崔家营枢纽63.5 km。新集水电站正常蓄水位76.23 m，总库容4.37亿m3，是一座以发电、航运为主，兼具灌溉、旅游等功能的Ⅱ等大（二）型水电站。

新集水电站右岸主河床土石坝（坝轴线桩号1+693.0～2+202.4）坝长 509.4 m，最大坝高27.28 m，土石坝上、下游边坡均为 1∶3，上、下游坝面在高程71.00 m处分别设置 4.0 m及2.0 m宽的马道（见图1）。作为坝体一部分的截流戗堤位于坝体上游，戗堤顶宽15.0 m、高程71.00 m，高程71.00 m以上采用黏土心墙防渗，高程71.00 m 以下坝体及基础采用混凝土防渗墙防渗，防渗墙底线伸入基岩1.0 m，防渗墙向山体延伸封闭。下游坝坡71.00 m 高程以下抛石并采用格宾垫护砌。土石坝为心墙坝，大坝上下游坝壳填筑料主要为砂砾石，土石坝段原河床标高55.0～63.0 m，土石坝65.0 m以下采用水下直接抛填，填筑至67.4 m，对混凝土心墙部位15.0 m宽范围进行强夯处理。

2 试验

2.1 离心模型试验

2.1.1 试验目的和主要内容

本次试验使用长江科学院 CKY-200 型岩土离心机（见图2），模拟现场实际工况和设计方案，主要试验内容如下：

（1） 主河床范围最大水深12.0 m，坝顶高程为79.3 m，考虑高程65.0 m以下为水下抛填，则上覆堆载为14.3 m，因此研究了在12.0 m水深、12.0 m水深+上覆堆载 14.3 m两种条件下，水下抛填密度和坡角的变化情况，并进一步分析在不同水深（5.0～20.0 m）下的水下抛填密度变化规律。

（2） 由于壩体设计方案为抛填至高程67.4 m后对抛填部分进行强夯处理，模拟了在同样强夯能量作用下抛填部分的有效加固深度。

2.1.2 试验材料制备

由于抛填料均为就近取料，结合前期地质勘察试验成果选取了现场2种典型砂砾石颗粒级配料SJY-1和SJY-2（见图3），与现场筛分结果相似，级配曲线相对平滑，中间粒径缺少不是特别严重，不均匀系数Cu分别为169和57，曲率系数Cc分别为1.14和4.63，SJY-1级配良好，SJY-2级配不良。由于原型填料的粒径尺寸较大，离心试验中模型材料的粒径与原型粒径之间应该满足一定的相似准则，具体来说就是模型各部分粒径应为原型的1/n，需要进行部分缩尺。参考DL/T 5102-2013《土工离心模型试验规程》，在离心模型试验中进行了缩尺模拟，本次试验中考虑以模型箱最小尺寸的1/20即2 cm，作为离心模型试验中砂砾石料的最大限制粒径。

为了配合最大限制粒径，工程上一般根据研究目的的不同而采用一些特殊的方法进行缩尺处理，如等量替代法、梯形分布相似法等。本次离心试验根据现场砂砾石料级配情况采用等量代替法模拟原型材料，即用2～20 mm之间的各级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（见图4）。

2.1.3 试验装置与步骤

图5和图6分别为水下抛填离心模型试验示意和装置图。当离心加速度逐级增大至设计加速度时（本次试验设定最大离心加速度为50g），启动电动提升装置，通过钢丝绳和滑轮连接，将模型箱中部隔板拉出，隔板上部填料抛填至模型箱下部的水中。

模型试验模型箱尺寸 1.0 m×0.4 m×0.8 m（长×宽×高），当抛填模拟开始时，抛填料沉降迅速增大且超过位移场传感器的量程，与监控录像共同证实试验装置可模拟抛填过程。抛填料体积和密度需离心机停机后量测计算得到，试验步骤如下：

① 风干、晾晒不同粒径组填筑材料，并按模型设计级配进行配制；② 将抛填料逐层填筑至储料箱中；③ 吊装储料箱至模型箱内，并安装抛填模拟装置；④ 将模型箱吊装至机室内，安装抛填牵引装置和传感器等；⑤ 吊装配重，进行安全检查，无误后可运行离心机；⑥ 逐级提升加速度至设定加速度，稳定后进行抛填模拟，再稳定运行 30～40 min 后停机；⑦ 停机后，详细观察模型各部位的变化情况，并做好记录分析；⑧ 拆除模型，进行试验后填料相关测量，试验结束。

采用能量等效方法模拟原型强夯能量，进而研究强夯处理后抛填料的密度。拟采用夯锤重16.0 t，落距为 10.0 m，20 m×20 m范围共夯击210次，总能量为3.36×108 N·m；将重锤做功用重力势能等效，相当于该范围内堆载高度约42.0 m（堆载料的密度假定2 g/cm3）。以 SJY-1级配为例开展离心模型试验，试验中采用铁砂模拟堆载，密度为3.9 g/cm3，加速度采用50g，填筑高度22.0 cm。水下抛填高度为24.0 cm，模拟水深为12.0 m。

2.2 原位超重型动力触探试验

为检测在强夯、碾压等工程措施和上部荷载、施工期自然沉降等影响下土石坝的密实度变化，并与离心模型试验结果进行对比，在土石坝坝体填筑至高程77.80 m之后，在桩号 Yz1+940.00、Yz2+027.40、Yz2+077.40处共布置6个超重型动力触探试验孔（见图7）。土石坝高程67.40 m以上分层碾压填筑，相对密度经检测均不低于设计要求的0.75。试验过程中采用了钻进和触探相结合的方式，试验成果均按照GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》中的相关要求进行杆长修正。

3 试验成果及分析

3.1 离心模型试验

3.1.1 直接抛填密度及坡角

水下抛填密度和抛填坡角试验结果见表1～3。由表可知，存在上覆堆载的条件下，试样的干密度和相对密度均明显提高，SJY1-D1的相对密度由0.36增至0.68，SJY1-D2的相对密度由0.34增至0.64。在不同水深条件下，随着水深逐渐增大（5.0～20.0 m），水下抛填砂砾石的干密度和相对密度均逐渐增大。相对密度SJY1-D1由0.32增至0.56，SJY1-D2由 0.25 增至0.53；SJY1-D1和SJY1-D2水下抛填坡角较为接近，在12.0 m水深条件下分别为32.6°和32.5°。

分析可知，水下抛填密度与抛填料级配、水深及上覆堆载均密切相关，SJY-1曲率系数Cc为 1.14，SJY-2级配曲线整体比较平滑，曲率系数Cc为4.63，SJY-1的级配相较于SJY-2更加优良，在相同试验条件下SJY-1的水下抛填密度均大于SJY-2 。

3.1.2 强夯处理后抛填料密度

选取试验效果更好的SJY-1级配，采用能量等效方法模拟原型强夯能量，研究了强夯处理后抛填料的密度，试验成果见表4。分析可知，经强夯处理后水下抛填砂砾石的干密度和相对密度均有所提高。在不同水深条件下（2.0～12.0 m），直接水下抛填的砂砾石层相对密度平均为0.34，基本呈松散-稍密状，经强夯处理后相对密度为0.50～0.78，平均值约为 0.64，基本为中密-密实状态；在水深0～8.0 m 范围内，强夯处理后相对密度较处理前增加50%，尤其是在0～6.0 m水深范围内，相对密度增加90%～37%，随着水深增大（大于8.0 m），强夯处理的影响效果逐渐减小。由上述成果可知，在12.0 m 水深条件下，强夯处理影响较为显著的水深范围约为0～6.0 m。

3.2 超重型动力触探试验

3.2.1 强夯区

由强夯区3个试验孔成果可知（见图8，括号内数据为水下深度）：① 层为强夯影响范围（在此认为强夯处理后上部影响区砂砾石层为次固结状态，忽略短期之内上覆堆载的影响），强夯处理影响深度范围约为4.9～5.6 m，影响下限的底高程為61.80～62.50 m，该层原位超重型动力触探试验击数修正值不小于7.0击，为中密-密实状，承载力特征值为350～450 kPa，变形模量为22.5～28.0 MPa；

② 层为强夯处理影响范围以外至天然河床面，该层原位超重型动力触探试验击数修正值约为2.3～3.6击，以松散状为主，局部稍密状，承载力特征值为140～180 kPa，变形模量为12.0～16.0 MPa。该层是土石坝坝体的软弱层，在上覆堆载、水库蓄水等因素长期作用下后期次固结沉降较强夯影响区更大，可能会出现沉降变形、黏土心墙开裂等问题，对坝体稳定极为不利。针对上述软弱层，在坝顶预留了足够沉降值，并拟采用回填灌浆进行处理。

在12.0 m水深条件下，离心模型试验成果中强夯处理后的影响深度在6.0 m范围以内，现场原位超重型动力触探试验检测的最大影响深度为5.6 m，两者基本吻合。

对强夯面以上高程碾压区土石坝超重型动力触探试验锤击数（见表5）与实际检测的相对密度值进行线性拟合，得出相对密度与超重型动力触探试验锤击数线性方程：

Dr=0.0985N120+0.2622（1）

由于强夯影响区至天然河床面之間原位超重型动力触探击数修正值为2.3～3.6击，结合上述公式，可计算出该区域相对密度范围值为0.49～0.62，这与离心模型试验模拟强夯影响区以外（深度大于6.0 m）的相对密度范围值（0.50～0.63）基本一致，再次验证了离心模型试验强夯模拟的可靠性。

3.2.2 坝体下游平台

主河床土石坝下游平台高程71.00 m，高程67.40 m以下为直接抛填，上部为分层碾压填筑而成。由图9 可知：① 层属于上部荷载、碾压影响区，底高程为65.50～66.20 m，影响深度为1.30～1.90 m，该层超重型动力触探试验击数修正值平均大于7.0击，基本为中密-密实状；② 层属于影响范围区外至天然河床面，该层超重型动力触探试验击数修正值一般为2.0～3.0击，以松散状为主，局部稍密状。

对比离心模型试验成果，直接水下抛填砂砾石层相对密度平均为0.35，呈松散-稍密状，与原位超重型重力触探试验成果基本一致。

4 结论与建议

本文将离心模型试验技术应用到新集水电站主河床土石坝水下抛填密度研究中，并在坝体填筑、强夯处理完成后，采用超重型动力触探试验对水下抛填体密实度进行原位检测，主要结论如下：

（1） 水下抛填密度与抛填料颗粒级配、抛填深度及上覆堆载等因素密切相关。在同等条件下，级配更好的散粒料水下抛填干密度和相对密度更大；随着抛填深度增大或存在上部堆载时，水下抛填干密度和相对密度也明显增大。强夯处理可对水下抛填坝体一定深度范围（6.0 m以内）进行加固，随着深度增加，影响效果不明显。

（2） 原位超重型动力触探检测发现水下直接抛填密度较差，一般为松散-稍密状；经强夯处理后加固深度约4.9～5.6 m，与离心模型试验成果基本吻合，离心模型试验可作为研究土石坝水下抛填密度的有效手段。

参考文献：

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［10］ 马现军，杨岁明，李威威.夹岩水利枢纽工程大江截流方案设计与施工［J］.水利水电快报，2020，41（9）：21-24.

（编辑：胡旭东）

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