土石坝施工期的孔隙压力观测：关于《土石坝安全监测技术规范sl60—94

'维普资讯http://www.cqvip.comSO00年8月20IS大坝观测与土工测试第24卷第4期1土石坝施工期的孔隙压力观测①0——关于《土石坝安全监测技术规范sL。o。4的讨论意见1-vl1／司洪洋fj(南京水利科军研爱碍雨京-910024>，摘要：简要讨论了土石坝施工期心墙孔隙压力的观测，非饱和土孔隙压力的成分与性质一孔隙气压力与孔隙水压力的观测，以及几个有代表性工程孔隙压力观测结果的评识，最后就土石坝施工期孔隙压力关键词!兰垦生中图分10引言反应的孔隙气压力U(poreairpressure)，和由孔隙水、孔隙气相界面即弯液面形成的毛细管吸力1994年．水利部、电力工业部颁发了《土石坝安U(capillarysuctionpressure)。U亦称气泡压力全监测技术规范sI60—94》(下称“规范”)。“规范”在(bubblingpressure)⋯UU⋯U三者之间有着固定第5章相应条款中，提出了饱和度95的概念，并关系。亦即，在心墙达到完全饱和之前，其[_恒大于规定“当粘土的饱和度低于95时，应选用带有细[r，而二者之差为[_。可见，施工期心墙的孔隙压力孔陶瓷滤水石的高进气压力孔隙水压力计。”以避免并不简单的就是[_，如象在完全饱和土中那样。孔隙气的影响从而观测到真的孔隙水压力。这是因1，2孔隙压力成分的变化规律为，当土体的饱和度接近于1时，孔隙气压力已可不在一般情况下，心墙填筑层在刚刚填筑压实之予考虑。但是实践中，施工期心墙的饱和度，往往不后，填方孔隙中的气体，大体上可视为同大气相通，足9O．而大于95的又往往不多。究竟多大的饱己，约为1个大气压。此时，(—U)即己，最大，而和度才算接近于1，才可不考虑孔隙气压力而采取u最小且为负值。此后，由于填方的逐步升高，下部常规方法进行孔隙水压力观测?现在似乎尚难以明土层压缩、密实，尽管孔隙水量未变，但孔隙体积减确回答。小，饱和度增加。于是u减小，u增大。但是，只要现在．“规范”颁布已近6年了。笔者鉴于这一问u存在，u就存在，既使是己『变为正值亦然。u只题的复杂性，想就某些有关问题先作些讨论．或许可在土体完全饱和时才消失。同样，相应的u随着土起到某种澄清与说明作用，也算是笔者对参与“规体的压缩、饱和度的增大，孔隙气泡压力增大最终范”编写上述条文的反思。在土体达到完全饱和之前，气泡压力达到其相应极限值，孔隙气(气泡)溶解于孔隙水中，土体达到完1土石坝施工期心墙孔隙压力的性质全饱和，于是u消失。而此后的孔隙压力，即完全由1．1孔隙压力的成分U表征。通常．土石坝的心墙，由粘土或粘性土筑成，填为了描述上述孔隙压力的变化规律．美国垦务筑含水量多在相应最优含水量上下。由于填筑的密局(USBR，1966)对一种粘性土进行了不排水压缩度和土中水的相对数量，施工期心墙土体中的孔隙．试验，分别量测了U，己『，和相应的U。压实试样的不能为水完全充满而留有空气。这就是典型的部分含水量控制小于相应的最优含水量。试验结果如图为水饱和的所谓非饱和土状态。20此时，处于非饱和状态的心墙，其孔隙压力’oU(porepressure)．实际上涉及由孔隙水反映的孔隙水压力U(porewaterpressure)，由孔隙气(气泡)o／／=llO收稿日期：1999一l13l①参阅：a．司洪洋现代国外土石坝的原体观测技末厦其对我们的教益土石坝工程1984b张启岳．熊国文．鲁布革蛔初斑正常高水位情况下原型观资料的整理分析南京啦利科学研究院，1992 维普资讯http://www.cqvip.com2土坝观测与土工测试1所不。用者主要有双水管式、气压式、振弦式等国内主要(，随△V(体积压缩率，)的增加而增大，u随采用振弦式。在通常情况下，作为同坝体孔隙流体连△V的增加而减小u则在二者之间随Av的增加．接的仪器部件，这些型式的孔隙压力仪都采用粗孔从负压开始增大变为正值，直至接近并同u线重滤水石。采用粗孔滤水石的孔隙压力仪．由于不能排台。u与u线的重台点，在△V轴上应当相应于U除土中气泡进入测头的干扰，不能观测存在孔隙气=0．即完全为U取代。该图还表明，u的变化率最压力的心墙中的孔隙水压力，而只能反映孔隙气压大，且迅速向u线靠拢。这说明u对AV的变化很力。敏感，并很快缩小了(u一U)之差。亦即心墙在其为了在上述非饱和土中观测孔隙水压力，英国填筑过程中，其u发展很快。(Bishop，1960)最早发展了高进气压力孔隙压力测图1是一种粘性土在小于最优含水量时击实试头。高进气压力亦称高气泡压力(highbubbling样的室内试验结果事实上，不同类型的粘性土，在pressure)。亦即，可以阻止土中带有较高压力的空不同的含水量、不同的密度等情况下，U，u，L三气气泡进入孔隙压力测头的压力。高进气压力测头，者的量值与变化各异。一般而言，心墙料的粘粒组份指一种取代通常的粗孔滤水石，而配置具有高进气较多，塑性较大，含水量较小，其U较大，u较小且压力的细孔陶瓷滤水石的孔隙压力测头。此种滤水变化速率较低。有资料表明，的起始值，一般粘土石的孔隙直径极小，仅0．0095mm～0．0011mm．约为140kPa～280kPa，轻质粘土在最优含水量时渗透系数则小至3×10em／"s~3×10_。cm／s。因约为49kPa。此外，心墙土所处的环境条件不同，U之，土中的空气气泡极难进入此种孔隙压力测头，由的大小亦不同。在试验室密封条件下试验，则u较此有效地阻止了气泡的干扰，较快地实现土中水与大，在现场处于相对开敞条件，u则较小。测头腔室中水的水力连系，从而实现孔隙水压力的13同有效应力原理有关的孔腺压力观测。在类似施工期心墙的非饱和土中，其有效应力应用高进气压力孔隙压力仪，对土石坝心墙施与孔隙压力的关系，BishopA(1959)给出如下工期的孔隙压力进行实地观测，国内尚无自己的经关系式验。在国外，明确实施此种观测的工程，主要有=一U+Z(U一U)(1)Baldhead，Scammonden，Bridledrift，chelmarsh式中，z为饱和度系数；为总应力；当饱和度G=等。其中，BaIdhead坝在页岩风化料心墙中(含水量100时，z一1；G一0时，z一0。有资料表明，当G小于最优含水量3)，测得孔隙水压力为负值，约=80时，≈0．9。合水头8．23rn；Bridledrift坝在页岩风化的砾质粘式(1)表明，非饱和土的同时与u，u有关。土薄斜心墙中，测得起始孔隙水压力最大为负值如果仅只采用u，则根据式(1)可有(一6OkPa)，且直至测头以上上覆土压力达到350一U=+(1一Z)(U一U)(2)kPa时才转变为正值。在Chelmarsh坝，同时观测了亦即，其将比真值偏太(1一z)(u一U)。同样，粘性土中的孔隙水压力和孔隙气压力。起始孔隙水如果仅只采用u，则有一U一口一Z(U一U)(3)压力为负值(一65kPa)，相应起始孔隙气压力u约为负值(一2kPa)。而随着仪器以上填方高度的增亦即．其将相应偏小z(—U)。以下讨论如何加，当填方高度达到1]rn或上覆压力约为250kPa判断采用u，两种情况的误差太小。时，孔隙水压力开始转变为正值。通常，在实际工程中，心墙料的填筑含水量多取为相应最优含水量左右，或略上、下。当取为最优含由上可知，鉴于U的存在导致了孔隙压力的不水量时，相应饱和度G为80～85；当取略高值规则变化，和同的混淆，以致影响到对观测结果时，G约为90％或略高。现假定G为80，并参照前的明确认识与判断，因而，高进气压力孔隙压力仪迄述．取z为0．9，则对于取u，误差分别如下。今仍有发展之势。同时，由于现时心墙不透水料的发a．依式(2)取，误差为+0．1(U一U)；展与其相应施工压实技术，高进气压力滤水石的进b．依式(3)取u，误差为一0．9(一U)。气压力亦有逐渐增大的趋势。例如，国外近年发展的由上可见，在实际工程条件下，采用u的误差新的高进气压力测头，其进气压力高达1520kPa远大于采用L。(FredlundD，1993)。高进气压力孔隙压力仪，以其良好的阻气性，阻2施工期心墙孔隙压力的现场观测止了土中呈压力状态的空气气泡的渗入，保证了仪2．1孔隙压力仪与高进气压力测头器内外的水力连系，从而可观测到真正的孔隙水压观测施工期孔隙压力的孔隙压力仪，国内外常力。 维普资讯http://www.cqvip.com2．2工程实例b．在完全饱和的心墙中，现行膜式孔隙压力仪2．2．1普布革坝该坝高103．8m，长216iTI，直的观测，系在仪器充水滤水石中的水，同土中孔隙水心墙．心墙坝料主要为块状细砂岩全风化料、页岩风形成连续的水力连系，但无任何水体流动的条件下化料，心墙的填筑平均干密度为1．51t／m。，平均含进行。亦即，此种条件下的水压力传递，类似于连通水量28．6“，高于相应最优含水量2．2％。心墙填方管中的水力传递。由此可以认为，如果土体饱和，在的饱和度实测为89．5％～95．4％，渗透系数为1．5施工期，心墙孔隙压力随填方荷载同步增大；在水库×10cm／s～7．9×10一‘cm／s。蓄水期，心墙孔隙压力随库水位而同步升落。对于饱鲁布革坝，是现时研究施工期心墙孔隙压力资和土．此种同步理论上应当是瞬间的。自然，由于沿料比较齐全的工程。其孔隙压力测点的布置如图2程的能量消耗，位于下游较远的测点仍有滞后。显所示。心墙孔隙压力采用常规振弦式仪器观测。自然，如果心墙尚未完全饱和，土孔隙中仍残存有空气1987年12月仪器埋设日起，至1996年4月，已近9气泡，则气泡必将影响上述水力连系，从而减弱其同年，且已经历了3个高水位时段，取得了较长时间系步性，而使孔隙压力的反应产生严重滞后与不规律。列，包含了几次蓄泄水循环周期的观测结果，较有代2．3．2关于鲁布革坝的孔隙压力观测结果表性。鲁布革坝心墙的孔隙压力观涮结果，其在施工期可分为两个时段进行研究。即，施工填筑期(1987年～1988年11月)和蓄水期(1988年l】月～1989年7月)。前一时段只有填方荷载影响，后一时段则增加了库水位的渗透影响(见图4)。2．2．2Guavio(Ubla)坝该坝高247iTI，斜心墙。心墙料为粉质粘土含页岩碎片，最大粒径150mm，页岩碎片占35％，粘粒含量为30％略多。心墙填筑平均干密度为2．0t／m。，含水量为14％～18％。高于最优含水量2％～6％。心墙的饱和度，下部约为80％，中上部约为95％。工程在1983年动工．1989年8月竣工。但竣工后2．5年才开始蓄水；Guavio坝以其高度、心墙的型式与材料，目前在国际上颇具代表性。其心墙内孔隙压力测点的布置．如图3所示。孔隙压力观测采用气压式孔隙压力仪。迄至1993年6月，已持续观测6年余，且已经历了2个高水位时段，有一定的代表性。但该坝由于心墙填筑在高程1572m～1589m时停工．产生犬的由图可见，随心墙填筑高程的升高．大体上，孔变形，许多孔隙压力仪受到破坏．仅约一半仪器尚在镣压力水平呈现相应的变化。初期升速较大，之后升工作。速相应减缓．当心墙填筑停工时孔隙压力相应消散。而且．位居心墙靠中心部位的测点．由于承受的填方荷载较大而孔隙压力水平较高。这一切大体上都是符台一般规律的。同时，前述最高的饱和度95．4％亦出现于该图反映在这一填方高程中．同时当心墙填筑停工时，此高程以上的填方已高达约40m。此时土体压缩，饱和度相应进一步增加。然而．即使如此2．3观测结果的整理与分析土体并未饱和。因为相应的孔隙压力系数y。过小。2．3．1整理分析的依据假定通常y。(Bishop)表示为为了对现时心墙施工期孔隙压力的观测结果进，-y。一美(4)行整理分析，笔者采用如下依据假定，⋯a．U。大于u。，只当心墙饱和度为100％时．0，式中【JT。为孔隙压力；7为土的密度；h为计算点以消失．孔隙压力变为孔隙水压力u。。上填方高度。 维普资讯http://www.cqvip.com按E式估算．上述孔隙压力最高的测点相应最年3月之前，孔隙压力水平低于心墙填方蓠程．之后大的Y。仍小于0．1。这个数值表明，土体的饱和度不则高于心墙填方高程，孔隙压力系数7。很1夭。据估高，根据经验．不会大于8j％，更不会高达95％。这测，其7。约为0．7～0．8。i1也许是心墙填筑土体的不均匀性。因为．根据相关资由此也可以推测，此时(U，一U。)已很小，己『。料．鲁布革坝心墙的填筑含水量，高于其相应最优含所占的比重已很大。但是，尽管如此．是否可以说(u。水量2．2‰，与此对应的心墙的饱和度．一般应当不一U。)已为0．U。已消失，或者说土体已完全饱和低于90％。了?资料表明，具有很高起始饱和度的Gua~io坝心在施工蓄水期，此时段的孔隙压力，同时受到填墙填方，又经过了长达2．5年的沉降压缩，当其库水土荷载(或土的压缩)和库水渗透水的影响。在较低位超过测点高程近100m(第一个高水位簿程约为部位的高程(1075m)，位于上游距心墙边线较近时l620m)时．相应第一个高水位出现以前的孔隙压测点PPl—1．孔隙压力随库水位与填方高度的增加力依随同步性并不良好，孔隙压力曲线的形状，上升而急剧增大．大大超过了前一时段处于最高值的测斜率不甚相似．且峰值出现的时间滞后约1卟月之点PPl一2的孔隙压力。之后．尽管心墙填方持续升久。这些表明，迄止此时，心墙的饱和度似乎淌未达高，测点PPl一1的孔隙压力出现随库水位明显下到100％。降又略升高的良好同步变化。这表明，该测点的孔隙综上分析，无论鲁布革坝施工期已经蓄水，还是压力明显地受库水渗透的影响。鉴于该测点的位置Guavio坝心墙的高含水量填筑．直至填筑施工后与心墙填方的渗透性(约为i×101cm／s)，这种情期，其心墙基本上未达到完全饱和。因此．现时采用况是必然的。但是，在孔隙压力随库水位的下降区的常规普通孔隙压力仪，其在这种情况下所观测到段．孔隙压力的下降速率却明显较大，而在之后的升的孔隙压力，只能是孔隙气压力u。或其与孔隙水压高段则又相应明显较小。为何在填方仍持续进行的力的综合压力而不是真正的孔隙水压力f，T。．尽管在情况下出现这一现象．可能的解释是，土体饱和度增填筑后期饱和度很高时【』T。与【』T。之差已经很小。大，(U。一U。)减小。孔隙压力变化的锋势减小。但3结语是．此时的心墙土体并未完全饱和。这是因为．直至约在1990年4月～1990年12月第一次高水位到3．1现时的土石坝包括高土石坝，即使高含水量填来之前的时段内．其孔隙压力随库水位的变化，仍然筑、施工期蓄水，其心墙在填筑施工期基本上仍未完不能认为其同步性十分良好。全饱和。至于测点PPl一2的孔隙压力，和高程1100m3．2采用带有粗孔滤水石的常规孔隙压力仪．在心测点的孔隙压力，则其随库水位变化的同步性还比墙施工期观测的基本上是孔隙气压力u。或其与孔较差或很差。显然，土体的饱和度还不很高。隙水压力的综合压力．不是真正的孔隙水压力【』T，。2．3．3关于Guavio坝的孔隙压力观测结果3．3对于必要的工程，施工期心墙的孔隙压力观Guavio坝在竣工2．5年后蓄水，其孔隙压力情测，仍应考虑采用带有细孔滤水石的高进气孔隙压况比鲁布革坝简单。该坝心墙由页岩风化料填筑，密力仪，唯测点的布置可少而精。度较高．含水量大于最优含水量2“～6％。但是．其参考文献不均匀性可能较大．心墙在下部饱和度仅约80％，1FAmaya．BehavioroftheOuavioDamduring至中上部始增大约为95％。由于这一情况，心墙在ConstructionandFirstFilling．In：procInternationaI下部高程l405m，l433m．1463m的孔隙压力，只SymposiumonHighEarthRochfillDams、VI．Beijing：1993在其相应上部填方达35m后始有反应。Guavio坝在高程1593m顺坝轴纵断面上的孔隙压力水平变司洪洋，男，教授级高级工程师，长期从事土石埙研究工化表明，在心墙填筑阶段，孔隙压力上升．并在1988诈。PORE—PRESSURE0BSERVATl0NDURINGCONSTRUCTl0N0FEARTH．ROCKFILLDAMSSiHongyang(NanjingHydraulicResearchInstituteNaⅡ]ing210024)AbstractThepaperdiscussesporepressureobservationduringconstructionforthecoreofearth—rockfilldams．theporeairpressurethepore％％,aterpressureandtheobservationresultsoftheporepressureforseveralprojects．Attheendthepaperpresentssotneopinions。nporepressureobservationduringconstructionforthecoreofearth—rockfilldamsKey~ords。constructionperiodporepressuremeasurement：poreairpressure'