1.2 高土石壩筑壩技術研究現狀

無論是心墻堆石壩還是面板堆石壩，其主要的筑壩材料均為土石料，因此，在一些工程技術問題如筑壩土石料的工程特性、壩體的變形與穩定、土石料的填筑施工及質量控制、土石壩體的安全監測及評價等方面具有共性，均為以土力學為基礎的巖土工程問題。而心墻堆石壩與面板堆石壩的差異之處在于防滲體的不同，前者采用位于壩體中部的心墻土料防滲，后者采用壩體上游面的混凝土面板防滲，因此在壩體結構和材料分區、細部防滲結構設計及滲流控制和計算分析等方面存在不同。

1.2.1 筑壩材料工程特性

試驗是揭示土石料作為一種碎散多相材料的一般的和特有力學性質的基本方法，也是驗證各種理論的正確性及實用性及確定各種理論參數的基本手段。由于工程需要，對于筑壩材料的試驗技術得到了長足的發展，目前除常規的室內外物理力學試驗外，還研發了多種大型及新型試驗，如大型三軸試驗、真三軸試驗、離心機及振動臺試驗、流變及濕化特性試驗、土體與結構物接觸面特性試驗、接觸滲流及沖刷試驗等，這些新型試驗的應用及相關理論的發展為解決土石壩工程相關技術問題發揮了重要作用。

我國在“七五”“八五”“九五”攻關中結合高面板堆石壩筑壩技術攻關，對筑壩堆石料進行了較多的研究，主要是通過爆破試驗獲取級配石料、現場碾壓與室內常規三軸試驗和固結試驗相結合，研究堆石料的工程特性，使之具備足夠高的變形模量和抗剪強度，達到維持壩坡穩定和控制壩體變形的目的。一些面板壩工程也對堆石體的流變進行了一定試驗研究，以研究壩體的長期變形對面板的影響。

對于心墻壩，隨著筑壩技術及施工機械的發展，防滲土料的使用范圍進一步擴大，紅土、膨脹土、分散性土在一些工程中成功使用，而礫石土甚至風化料則是高心墻堆石壩的首選土料。高心墻壩對防滲土料的要求除滿足防滲性外，還必須有較好的力學性能，與壩殼堆石的變形能較為協調，減小壩殼對心墻的拱效應，以改善心墻的應力應變，減少心墻裂縫的發生幾率。從已建的國內外土質防滲體土石壩筑壩經驗看，高土石壩防滲體采用冰磧土、風化巖和礫石土為代表的寬級配土料越來越普遍。據統計，國外100m級以上的高土石壩中，有70%以風化料或摻礫混合土的礫石土作為防滲料，世界上幾座200m以上的高土石壩大部分采用礫石土或風化料作為防滲料。對防滲土料的研究，一般采用常規試驗方法如擊實、壓縮、剪切和滲透試驗，研究防滲土料的防滲性能及力學指標。而對于高心墻堆石壩，對礫石土料的工程力學性質、防滲土料的抗裂特性以及水力劈裂機理則成為研究重點。

另外，心墻堆石壩因上游壩殼蓄水后位于水下，導致心墻堆石壩堆石體的應力狀態更加復雜，研究難度較面板堆石壩的堆石體更加困難，但由于其對大壩的安全影響不如面板堆石壩敏感，故大部分心墻堆石壩工程對筑壩堆石材料的研究僅進行常規試驗研究或工程類比，而對于超高心墻堆石壩的筑壩堆石料仍需重點研究，特別是軟巖料的特性研究、堆石材料的浸水變形等應進行專項研究。除了施工和蓄水期的加載變形之外，壩體后期變形（包括濕化變形和流變等）也是土石壩尤其是高土石壩變形的重要組成部分，對于高壩需重點關注筑壩材料的流變特性。

在面板堆石壩和心墻堆石壩工程中，存在著不同散粒體之間的接觸界面如心墻土料-混凝土墊層、混凝土面板-墊層料等多種不同類型的接觸界面。接觸界面兩側材料由于剛度不同，會表現出不同的變形性狀；在接觸面附近，還可能出現脫開、滑移和張閉等非連續變形現象。不同材料接觸界面的存在對壩體相關部位應力和變形的性狀有較大影響，經常出現不連續變形以及由之引起的拱效應現象，通常是壩體易發生事故的薄弱環節，需要得到足夠的重視，對于高壩需開展土與結構物接觸面的力學特性試驗研究。

另外，除了室內外試驗方法以外，近年來隨著數值計算技術的飛速發展，基于數值分析技術的巖土介質細觀力學試驗作為一門新興的試驗方法深受國內外研究者的青睞，為巖土材料的細觀力學行為及變形破壞機理研究提供了有力的手段。與此同時，不斷發展的數字圖像技術已應用于巖土工程領域。

1.2.2 壩體結構及材料分區設計

目前在200m級以上高土石壩的壩料與結構中，面臨的主要技術難題有4個方面：①確定與壩高、河谷形狀及堆石原巖特性相適應的堆石體密實度指標、壩體斷面分區；②在確保壩坡抗滑穩定和壩體滲透穩定的同時，準確預測壩體變形，明確變形控制指標；③提出增強高土石壩防滲體的抗裂及抗滲能力；④制定符合200m級高土石壩設計要求的安全控制措施。

對于高心墻堆石壩，根據收集到的國內外高土石壩的工程實例資料，多數已建和擬建的高土石壩的心墻均采用天然礫質土或黏性土摻合礫石的人工摻礫土料，以減小心墻與壩體堆石間的沉降差，從而減小拱效應，防止心墻產生水平裂縫。也有采用冰磧土料作心墻料，如麥加壩。有4座壩的壩殼采用砂礫料，上游壩坡為1：2.25~1：2.6，下游壩坡為1：2.0~1：2.2。其余大都采用堆石料填筑壩殼，上游壩坡為1：1.8~1：2.2，下游壩坡為1：1.8~1：2.0。已建壩高200m以上的心墻堆石壩中，有5座采用直心墻，其余7座（含因故未建成的羅貢）均采用斜心墻的型式。在強地震區修建成的奇科森壩、凱班壩和努列克壩均采用直心墻。其中，奇科森壩原采用斜心墻作為防滲體，后根據抗震科研成果，考慮強地震的原因，在壩體心墻填筑到高程200m時，改成直心墻。在目前正在設計的壩高200m以上的心墻堆石壩中，無一例外均采用直心墻型式。已建的糯扎渡以及目前正在設計的其宗、雙江口、古水、兩河口等均對壩殼堆石料進行了分區，一般均在下游壩殼內部及上游壩殼圍堰高程以下部位采用了強度指標稍低的次堆石料。

對于面板堆石壩，經過多年的工程實踐，在壩體材料分區及結構設計方面已逐漸形成成熟經驗。壩體分區均按照上堵下排的原則進行分區。各區壩料間滿足水力過渡的要求，從上游向下游壩料的滲透系數遞增，相鄰區下游壩料對上游區有反濾保護作用，以防止產生內部管涌和沖蝕，同時注重各分區之間的反濾保護。重視壩體變形協調控制、壩體填筑斷面應盡量均勻上升，填筑碾壓標準不得大于現行面板堆石壩設計規范要求的指標值，注意控制上下游堆石的模量差，對于300m級高壩，應使堆石體具有較高密實度和壓縮模量；并要求上下游堆石料模量盡量接近。

另外，國內外超高面板堆石壩的工程實踐表明，面板的結構性破損問題已成為了影響超高面板堆石壩安全的核心問題，墨西哥阿瓜米爾巴壩（壩高187m）的面板出現了結構性裂縫，發生了較大的漏水量。天生橋一級面板壩（壩高178m）在壩體施工的過程中發生了較大規模的面板脫空和彎曲性結構裂縫的現象，在運行過程中又發生了面板沿垂直縫壓損的現象。因此，如何通過壩體的結構設計和施工程序的改進盡量避免面板結構性裂縫或壓損破壞的發生，成為超高面板堆石壩研究的重要關鍵技術課題。對此，巴西專家對于超高面板堆石壩設計提出了增加碾壓遍數及加水量、改進堆石分區、增加中央區面板厚度、壓性縫填充可壓縮填料、防止擠壓邊墻與面板的黏結等建議措施。我國面板堆石壩工程界根據近期開展的超高面板堆石壩適應性及安全性研究等課題，認為壩體變形控制關鍵是控制面板澆筑后的壩體變形增量和不均勻變形，并提出相應的對策措施，如選擇優質硬巖堆石料、提高壩料壓實密度等措施控制壩體總變形量，通過優選后期變形小的壩料和壓實參數、采用面板澆筑前超高填筑堆石壩體、延長面板澆筑前壩體預沉降時間或選取較小的沉降速率等施工控制措施控制面板澆筑后的壩體變形增量，通過優化壩體分區（期）、控制不同區域壩料模量差、施工時采取平衡上升的填筑方式、分期蓄水預壓等措施控制壩體不均因變形。

1.2.3 大壩計算分析理論與方法

1.堆石料的本構模型

有關堆石體本構模型的研究多年來是我國具有特色的一個研究領域，多年來眾多學者結合國家科技攻關項目以及多個重大土石壩工程的實踐在該領域進行了卓有成效的研究工作，提出了多個帶有鮮明特點的本構模型，其中許多至今仍在土石壩工程中得到較為廣泛的應用。例如，清華非線性解耦KG模型、沈珠江雙屈服面彈塑性模型、殷宗澤雙屈服面彈塑性模型、四川大學KG模型和清華彈塑性模型等。此外還有美國的鄧肯和張提出的非線性彈性EB模型在土石壩變形計算中得到了廣泛應用。

工程經驗表明，除了施工和蓄水期的加載變形之外，壩體后期變形（包括濕化變形和流變等）也是土石壩尤其是高土石壩變形的重要組成部分。國外學者在20世紀70年代初提出了土石壩濕化變形的計算方法。在國內，濕化變形的研究起步于“七五”期間，主要結合小浪底堆石壩進行。目前國內外學者已建立起多種可用于進行土石壩濕化變形計算的模型和方法，如基于雙線法的初應變求解方法（Nobari等，1987）、殷宗澤的增量初應力法（錢家歡，1996）、李廣信（1990）提出的割線模型和塑性模型、沈珠江（1988）濕化模型等。我國學者提出了多個堆石體流變模型，并已應用于具體的土石壩工程。其中多為基于應力應變速率關系的經驗函數型流變模型，如采用指數衰減函數的沈珠江模型（1994）和采用雙曲函數的王勇和殷宗澤（2000）模型等。

對于不同散粒體之間如心墻土料-混凝土墊層、混凝土面板-墊層料等的接觸面力學問題，國內外學者提出了多種接觸面本構模型，包括剛塑性模型、理想彈塑性模型、Clough-Duncan非線性模型等。在糯扎渡心墻堆石壩工程實踐中，根據求得的接觸面本構模型參數，采用有限元計算程序對散粒體間接觸面單剪試驗進行數值模擬，以比較不同本構模型的特點。結果表明，剛塑性模型參數少，容易確定，能夠反映應力-位移關系的非線性特征，在模擬不同材料接觸面力學性質方面具有一定的優越性。

2.高土石壩變形計算與控制

200m級高土石壩工程的建設和運行歷史尚短，相關的監測資料還比較缺乏，另外，高土石壩工程規模宏大，結構復雜，其變形演化規律受到壩料、分區、水位、環境、氣候等眾多因素的影響非常復雜。因此，雖然進行數據分析的數學工具很多，但是對于壩體變形長期規律的研究成果還較少。

土石壩后期變形越來越受到大家的關注。在目前的計算中，通常分別考慮土石料的濕化和流變變形，首先通過試驗確定相應應力狀態下的附加變形，再在有限元計算中采用初應變的方法進行變形計算。在現有的壩體后期變形計算方法中，認為壩體在運用期發生的變形均為流變變形。除了未考慮雨水入滲產生的濕化變形等因素外，也沒有區分土石料隨時間逐步劣化的過程。尤其對于工程開挖軟巖料，其風化過程對材料特性的影響非常值得關注。出于經濟和環境友好等因素，壩體填筑時應盡量多地使用開挖料是進行壩體分區設計的趨勢。對許多軟巖料在充分壓實的條件下，所得到的變形參數并不差，此時這些軟巖料可否使用的關鍵主要取決于其長期的破損特性。目前對堆石體抗風化特性的研究尚很少見到。

大量計算經驗表明，在100m以下級低土石壩的計算中，和現場監測所得到的壩體變形相比，鄧肯-張模型計算的變形通常偏大，尤其是計算所得壩體的水平變形明顯偏大。對此，學者們將其原因主要歸結為鄧肯-張模型對應力路徑的反應能力差以及無法模擬土石料的剪脹性等缺點上，因此有學者認為，沈珠江雙屈服面彈塑性模型和清華非線性解耦KG模型應用于土石壩應力變形計算時比鄧肯-張模型更加合適。進入21世紀之后，隨著我國數目眾多高土石壩工程的成功建設，陸續取得了非常豐富的現場變形的監測結果。當把這些高壩變形的現場監測結果和原設計階段變形計算結果進行比較時發現，其變形特性在變形量級方面和100m以下級土石壩具有明顯的差異，現場壩體監測變形一般會大于鄧肯-張模型事先預測的計算結果（楊澤艷等，2008）。上述結果表明，用于高土石壩的現有變形計算方法可能還存在較大的缺陷，“低壩算大，高壩算小”的問題目前依然存在，在土石料計算方法特別是體應變的數值模擬方面仍需開展進一步的研究。

心墻堆石壩的水力劈裂一直是人們最為關注同時也是最有爭議的問題之一。多年來，國內外學者對工程中發生水力劈裂的現象、水力劈裂發生的機理和判別方法以及水力劈裂的計算方法等方面進行了大量的研究工作，也取得了不少有價值的成果，例如黃文熙提出的發生水力劈裂的準則等。近年來，結合糯扎渡心墻堆石壩工程建設，提出了在心墻中可能存在的滲水弱面以及在快速蓄水過程中所產生的滲透弱面“水壓楔劈效應”為水力劈裂發生的重要條件的論點，并通過模型試驗加以驗證。將彌散裂縫理論引入水力劈裂問題的研究中，與比奧固結理論相結合，推導和建立了用于描述水力劈裂發生和擴展過程的有限元數值仿真模型和算法，提出了基于有效應力計算的水力劈裂分析的總應力判別方法。

土石壩裂縫是土石壩常見的隱患和主要破壞類型之一，目前用于估算土石壩裂縫的方法主要有變形傾度法、Leonards法、有限元數值計算方法等3種。其中，前兩種主要是經驗的方法，也是目前工程中最常使用的方法。長期以來，在土工數值計算分析中很少關注黏土的拉伸及裂縫問題。主要原因之一是因為絕大多數的土石結構處于受壓的工作狀態。另外，由于土體裂縫會造成土體材料的幾何不連續以及力學性質上的各向異性，使得在土工數值計算分析中難以處理。但國內外土石壩的建設經驗表明，高土石壩發生裂縫的工程實例較為常見，因此，發展土石壩裂縫的數值模擬方法具有重要的工程應用價值。近年來，清華大學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。

變形控制是高土石壩設計中的核心問題，從目前已建成的幾座高土石壩的運行狀況來看，變形問題及其導致的防滲體裂縫和大壩滲漏等問題依然是影響高土石壩安全運行的重要因素。在土石壩的變形控制方面，通常規定沉降比需滿足小于1%，這對于100m級的堆石壩通常是能夠實現的。但近年我國高土石壩工程實踐表明，大多200m級高土石壩的實測沉降變形超過了1%的界限。如果采用相同的變形控制標準，相比100m級土石壩，200m級高土石壩變形控制難度會很大，有時甚至要付出巨大的代價。高土石壩的壩料選用、結構設計與優化等問題需進一步深入研究，且目前針對高土石壩變形控制的標準是籠統的，并沒有和具體的壩體的破壞形式相關聯，有必要針對壩體可能的表現行為探討壩體的變形控制標準。

面板堆石壩的面板結構性破損問題的計算分析近年來也取得進展，張丙印（2003）等將接觸力學的分析方法應用于面板壩混凝土面板-壩體接觸問題的計算分析。接觸力學分析方法將相互作用的面板和壩體結構物看成是相互作用的不同物體，通過物理幾何關系的準確描述來判別物體之間的接觸關系，這類方法對處理位移不連續現象具有本質上的優越性，計算結果可反映混凝土面板的脫空現象以及面板-壩體的接觸應力。

3.高土石壩滲流計算與控制

水利水電樞紐的土石壩滲控體系包括壩體防滲結構、壩基防滲反濾層以及排水設施，它們的正常工作是保證土石壩免受滲透侵蝕和破壞的基本條件，對于土石壩運行至關重要。隨著社會需求的提高和施工技術的發展，我國所建土石壩越來越高，高土石壩在建設、蓄水和運行過程中要經受極其復雜的應力狀態和滲流狀態的變化，并且相互影響。

通過將近大半個世紀的建設發展歷程，心墻堆石壩在滲流控制方面累積了許多成功的經驗。防滲土料的壓實理論和防止土料滲透變形的反濾層理論的提出和廣泛應用，特別是采用大型施工機械對堆石體、心墻土料的分層碾壓技術，使安全度低、滲漏量大的早期堆石壩發展成真正意義上的安全經濟的心墻堆石壩。隨著土力學、滲流力學、水文學、工程水文地質等科學理論的發展和應用和20世紀40—80年代心墻堆石壩設計施工技術的進一步深入推廣、堆石用料和防滲土料的選用范圍放寬，以及反濾層設計的更具針對性，各國的心墻堆石壩在規模上和數量上得到迅速發展，成功建設了許多大型的高心墻堆石壩。未來的大壩高度會往更高方向發展，從滲流控制角度考慮，由于土料的寶貴，薄心墻壩會更受重視，相應的心墻允許滲透坡降會需要提高，心墻土料選擇會更加多樣化，反濾層的設計會往更個性化方向發展（防止裂縫的發展，并能促使裂縫自愈的控制措施等）。對于巖體滲流的控制技術還有很大的研究發展空間，除了對巖體滲流的基本理論、巖體滲流基本特性以及滲流與應力耦合效應進行深入研究外，還應發展更深的鉆孔技術、灌漿材料的多樣化、灌漿有效范圍的控制、帷幕透水率的合理確定等，以便進一步提高灌漿巖體的抗滲強度，減少灌漿排數，節約工程投資。保障高壩基礎處理質量的評價檢查技術將進一步受到重視。

鑒于高土石壩滲控體系是長期正常使用的必備設施，高壩滲流發生、發展的作用原理、演變過程及破壞機制均是需要深入研究的重要內容。目前在多座高土石壩的施工和運行過程中實測到的應力、變形和超孔隙水壓力及其變化過程與計算值相差較大（陳立宏等，2005），壩體在高水頭復雜條件下的孔隙水壓力傳遞機理仍難以解釋，根據現有的理論和方法也難以模擬，其原因可能是在施工和蓄水過程中，壩體內的物態場、滲流場、變形場和應力場以及周圍環境之間存在著復雜的耦合關系，說明高土石壩多場耦合分析方面的研究還有待進一步深入。

4.高土石壩壩坡穩定計算與控制

壩坡穩定分析是土石壩設計的重要內容之一，而剛體極限平衡法是工程上應用最廣泛和最成熟的計算方法。經過近百年的運用，瑞典圓弧法、簡化畢肖普法和采用線性強度指標分析得到土石壩穩定安全系數已經積累了豐富的工程經驗，其成果的可信度較高，可以保證大壩的安全。土的抗剪強度指標是影響土坡穩定的重要參數，其參數變化對壩體穩定計算結果有很大的影響。大量三軸試驗結果表明，堆石料的抗剪強度具有明顯的非線性，隨著圍壓的增加，堆石料發生顆粒破碎，并引起顆粒間應力重新分布、連接力變弱以及顆粒移動，使內摩擦角降低，摩爾強度包線呈下彎趨勢，即在較大應力范圍內堆石的抗剪強度與法向應力呈非線性關系。《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001）中規定，粗粒料抗剪強度指標應采用非線性準則計算，可見，粗粒料強度參數采用非線性指標的必要性已得到確認。但是在以往的計算實踐中，人們發現采用非線性強度指標，壩坡穩定安全系數往往較大。對一級壩，在很多情況下，安全系數的計算值在1.70～1.90之間，而規范規定的允許安全系數是1.50。現行規范中規定的允許安全系數是依據多年的大量線性強度穩定計算結果總結得到，是與線性強度相適應的，那么在進行非線性穩定分析時，規范關于各等級大壩的允許安全系數標準是否要作適當的調整，這是一個值得研究的關鍵技術問題。

基于剛體極限平衡理論的壩坡穩定分析方法，經過多年的發展，已積累了豐富的使用經驗。但是，在處理壩坡的穩定問題時，該方法存在以下幾個主要問題：①將滑動土體作為理想的剛塑性體看待，完全不考慮土體的應力-應變關系，而土體是變形體，用分析剛體的辦法，不滿足變形協調條件，因而計算出滑動面上的應力狀態不真實。②不進行應力分析，其滑動面上的正應力、剪應力一般由條塊的自重來確定，這不符合壩坡工程的實際應力狀態。近年來，隨著電算技術的進步，有限元數值計算方法有了不少突破，有限元法恰恰可以克服剛體極限平衡法的上述缺陷。實踐經驗表明，穩定和變形有著相當密切的關系，一個土坡在發生整體穩定破壞之前，往往伴隨著較大的垂直沉降和側向變形。這在一定程度上表明，利用有限元的應力變形結果進行壩坡穩定分析在理論上是合理可行的，這也是高土石壩壩坡抗滑穩定研究和發展的一個主流方向。

5.高土石壩抗震計算分析

土石壩抗震設計目前在相當程度上仍是基于傳統的經驗方法進行，已經難以適應我國日益增多的強震區高土石壩工程建設的需要。當前世界各國現行壩工抗震設計規范對土石壩抗震設計采用的方法、標準頗不統一，這實際上反映了人們對高土石壩抗震能力認識的不一致。造成這種局面主要原因是高土石壩遭受實際震害的實例較少，壩體地震動力特性、破壞機理與承載能力目前還未被充分認識。

國內外土石壩震害調查結果表明，土石壩的震害源于兩個方面：①壩基砂層或壩殼砂液化引起的震害；②由于土石壩結構振動導致的破壞。1964年美國阿拉斯加地震和日本新瀉地震中飽和無黏性土和少黏性土的液化造成的建筑物的損壞引起工程界的廣泛重視。1971年美國San Fernando地震中Lower San Fernando充填壩的大規模塌滑事故引起了土石壩抗震安全評價方法的變革。發現傳統方法在評價土石壩抗震能力方面所出現的矛盾日益增多，難以預測土石壩所可能出現的多種震害。以土石壩地震變形為基礎的新的抗震設計方法得到迅速發展。但是新的方法在定量方面仍有一定困難，付諸工程實踐仍有一定距離。所以，目前土石壩的抗震安全評價標準尚未定型，各國的作法也不完全相同。

目前，國內外土石壩抗震研究工作主要集中在筑壩堆石料動力特性、大壩地震響應分析方法、地震變形與抗震措施等方面。筑壩材料的動力特性是通過大型動力三軸儀研究筑壩材料的強度和變形特性、動模量和阻尼特性。目前，筑壩材料動力特性國內主要采用經驗公式及試驗曲線描述其非線性和滯回性。這類模型屬經驗類模型，不研究土體動力變形的物理本質與機理，難以把握土體在復雜應力路徑上的力學行為。近來也有學者將彈塑性模型用于描述土石壩料的動力特性，但目前尚不成熟，亦缺乏成熟的參數求取方法。雖然基于彈塑性模型的計算方法也有嘗試，但程序設計復雜、計算的收斂性差，難以滿足實際需要。由于缺乏強震區高土石壩的實際震害資料和地震反應記錄，土石壩的動態模型試驗成為研究其抗震性能及措施的有利輔助手段，其中振動臺模型試驗被廣泛采用。各國學者根據振動臺類比模型試驗觀測的壩體響應和破壞形式，提出了抗震措施，并通過適當的計算驗證其有效性。但筑壩材料工程特性的高度非線性、設備條件和場地條件的制約、地震動的隨機性都導致了目前研究成果的局限性。近年來，隨著國家對水壩抗震防震工作的加強，已有學者開始重視土石壩的極限抗震能力和破壞模式的研究，但目前還沒有形成成熟的方法與準則。

1.2.4 大壩施工與質量控制

1.心墻土料改性技術

對于高心墻堆石壩，從已建的國內外土質防滲體土石壩筑壩經驗看，心墻防滲體采用冰磧土、風化巖和礫石土為代表的寬級配土料越來越普遍。一般來說，這些土料難以滿足高心墻堆石壩對心墻土料壓縮性或滲透性的要求，需要改性處理。目前，對于土料中黏粒較多、強度較低的情況，大多工程采用摻礫的方式，在保證滲透性的前提下提高心墻料的壓縮性及強度；對于粗粒土較多的土料，有些工程采用篩分方式進行處理。

在糯扎渡水電站高心墻堆石壩工程建設中，當地天然防滲土料偏細，需進行人工碎石摻礫，在滿足防滲條件下盡可能提高壓縮模量和抗剪強度。對不同摻礫量防滲土料的壓實性、滲透及抗滲穩定性、壓縮特性、三軸抗剪強度及應力應變特性等進行了系列比較試驗研究，從防滲土料滲透性及抗滲性能看，摻礫量不宜超過50%，從變形協調及壓實性能看，摻礫量宜在30%～40%，由此綜合確定摻礫含量為35%。在摻礫施工工藝方面，為保證上壩填筑時人工摻礫土料的均勻性及碾壓施工質量，施工前對摻礫工藝、填筑鋪層厚度、碾壓機械及碾壓遍數進行了多方案研究，并進行了大規模的現場碾壓試驗驗證，最終推薦成套施工工藝，經實踐證明效果良好。

在古水水電站工程的心墻堆石壩比選方案研究中，開展了土料篩分改性技術的研究，針對土料粗粒徑含量偏多、天然含水率偏低和抗滲坡降較低的特點，在工程設計中通過剔除大于60mm的顆粒，在堆料場采取摻水、保濕的措施，并在填筑時采用反濾保護處理，使得土料達到防滲土料要求，并通過研究，擬定了黏土心墻篩分施工工藝流程。

2.施工質量實時監控

土石壩填筑施工質量控制是土石壩施工質量控制的主要環節，而大壩填筑施工質量主要與碾壓質量和壩料質量有關。因此，在土石壩的填筑施工中，有效地控制碾壓過程質量和壩料性質是保證大壩填筑施工質量的關鍵。現有土石壩施工質量控制的方法和手段主要遵循《碾壓式土石壩施工規范》（DL/T 5129—2013）規定。根據該規范規定，土石壩填筑碾壓質量主要通過施工過程中的壓實參數（鋪層厚度、土石料性質、碾壓遍數、碾壓行車速度、激振力等）以及試坑檢測的壓實標準（壓實度或干密度、含水量和級配等）來控制；前者屬過程控制，后者屬事后控制。然而，常規的依靠監理和施工人員人為事中控制這些壓實參數，由于受人為因素干擾大，管理粗放，故難以實現對壓實參數的精準控制，難以確保碾壓過程質量。常規的質量控制手段往往易于造成欠壓和超壓。過度碾壓會使土層表面翻松，并致使骨料（粗顆粒）破碎。同時，施工質量試坑檢測一方面會對大壩倉面施工作業帶來干擾，另一方面由于試驗結果無法快速獲得，從而影響施工進度，故難以滿足以高強度、高機械化為特點的大型土石壩工程施工的要求。

在糯扎渡水電站高心墻堆石壩工程建設中，開發了“糯扎渡水電站數字大壩-工程質量與安全信息管理系統”，該系統可對心墻堆石壩填筑施工過程進行精細化的全天候實時監控；對工程質量、安全監測、施工進度等信息進行集成管理，構建大壩綜合數字信息平臺；為堆石壩建設過程的質量監控、運行期壩體的安全分析提供支撐平臺；提高工程質量，為打造優質精品工程服務。在施工建設過程中，該系統有效地提高了土石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，取得了顯著的經濟效益和社會效益，具有廣闊的應用前景。

3.填筑質量檢測方法

針對土石壩壩料壓實填筑控制標準及填筑質量檢測方法等關鍵技術，目前我國《碾壓式土石壩設計規范》（DL/T 5395—2007）中對礫石土等含粗粒的土料要求采用全料壓實度控制。一般工程中土料的最大粒徑已超出現有試驗擊實筒的允許粒徑范圍，需采用縮尺等方法處理后方可進行擊實試驗，其試驗成果與原級配全料壓實特性之間是否存在差異，全料與細料對應的壓實填筑標準如何，值得深入研究。此外，在全料壓實度檢測方法方面，室內全料三點擊實試驗存在所需土料數量多、試驗時間長、試驗工作量過大等問題，難以滿足現場施工進度的要求，因此需要通過研究尋求一種既準確又能快速檢測摻礫土料壓實度的方法。

在糯扎渡心墻堆石壩工程實踐中，研制出φ600mm超大型擊實儀，開展了大量的擊實試驗研究及分析論證工作。研究證明了糯扎渡土料采用大型擊實成果（替代法全料）代替超大型擊實成果（原級配全料）對摻礫土全料進行質量控制是合適的。在摻礫土料填筑質量檢測方法方面，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，根據糯扎渡土料的實際情況及上述各種控制方法的優缺點，推薦糯扎渡現場檢測采用細粒低擊實功能進行三點快速擊實試驗確定細料壓實度的控制方法，研究成果在糯扎渡工程實踐中得到了良好應用，可在其他類似工程中推廣。

1.2.5 大壩安全監測評價指標和預警系統

1.安全監測技術（變形、應力、滲流等新型安全監測技術）

高土石壩安全監測技術發展明顯滯后于筑壩技術的發展，不少監測儀器適應性、耐久性、抗沖擊等性能仍停留在100m級壩高的水平，對于200m級以上的高壩傳統監測儀器已難以適應。

高土石壩外部變形監測傳統技術為采用表面變形監測點人工觀測方式，存在效率低、數據人為誤差大、以點代面等缺點，同時人工觀測需要建立工作基點，全面監測高土石壩下游壩坡需要分高程建立不同的工作基點，點位選擇較困難。為此，需求具有自動、實時、全天候的智能監測模式成為高土石壩表面變形監測一個方向和趨勢。結合目前激光、衛星遙感等三維3S技術，高土石壩表面變形目前新興技術主要包括GNSS、INSAR等，需通過研究以便滿足高土石壩監測要求。目前土石壩表面變形監測手段主要為全站儀+棱鏡的人工監測方式和GNSS自動變形監測，根據GNSS的實測數據計算得到實測精度0.6～3.3mm，與表面變形監測點（全站儀人工測量）測值的比較，可以看出數據的規律性一致、量值接近，表明GNSS滿足高土石壩外部變形監測要求。

國內200m級面板堆石壩內部變形均采用傳統水管式沉降儀和引張線式水平位移計，從其運行情況來看，主要存在儀器失效、維護困難、觀測成果不準確等問題。其中引張線水平位移計沿基床帶必然凹狀分布，由于沿程不均勻變形必然導致引張線回縮產生測量誤差，同時高壩導致長引張線沿程阻力將大幅增加，傳統鋼絲配套重錘重量必然同步增加，鋼絲折斷幾率大大增加。水管式沉降儀由于壩體中部沉降大、上下游側沉降小，位于面板下部沉降測點所引管線沿程為凹形分布，在沉降最大部位至觀測房必然形成“倒坡”，容易產生管路中的氣泡，長管線存在回水困難，可能導致觀測無法正常進行；管內環境適宜微生物的生存，易產生影響管道暢通的物質，導致測量系統失效。

近年來，國內專家依托相關課題針對高土石壩安全監測技術開展了進一步的研究，例如，建立了測量機器人、GNSS監測系統、內觀自動化系統于一體的超高土石壩大型安全監測自動化系統，解決了高土石壩工程難以全面實現動化監測的問題；采用四管式水管式沉降儀監測超高土石壩內部沉降，采用弦式沉降儀對高土石壩內部沉降變形進行監測，采用電測儀器橫梁式沉降儀對堆石壩進行分層沉降監測，采用六向土壓力計組對心墻的空間應力分布情況進行監測等。根據工程需要，下一步需開展高土石壩監測廊道、管道機器人、超長距離水平及沉降位移計等方面的研究工作。

2.大壩安全評價指標體系

安全評價指標是評價和監測大壩安全的重要指標，對于饋控大壩等水工建筑物的運行相當重要。擬定安全監控指標的主要任務是根據大壩和壩基等建筑物已經抵御荷載的能力，來評估和預測抵御可能發生荷載的能力，從而確定該荷載組合下效應量的警戒值和極值。由于有些大壩可能還沒有遭遇最不利荷載，同時大壩和抵御荷載的能力在逐漸變化，因此，安全監控指標的擬定是一個相當復雜的問題，也是國內外壩工界研究的重要課題。通常對于大壩應力和揚壓力是以設計值作為監控指標，因此，目前研究的重點和難點是對大壩變形監控指標的確定。國外對變形監控指標的研究報道較少，而在國內，吳中如、顧沖時、沈振中等在利用安全監測資料反饋大壩的安全監控指標方面進行了系統的研究，提出擬定變形監控指標的原理和方法，并成功地應用于佛子嶺連拱壩等實際工程的監控。目前，對壩體和壩基變形監控指標的擬定方法主要有置信區間法、典型監控效應量的小概率法、極限狀態法、仿真計算法和力學計算法等。

土石壩安全控制（預警）指標主要包括壩坡穩定、應力與變形、大壩裂縫、大壩滲流及工程抗震等方面，各方面安全指標不是完全獨立的，而是相互聯系、相互制約的，有些指標是以壩體局部控制，有些指標則是以壩體整體控制。因此，大壩安全指標的制定較為困難，需要具備豐富的工程經驗及科研成果。

在糯扎渡心墻堆石壩工程實踐中，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，提出了建設期、蓄水期及運行期的安全綜合評價指標體系，其中，整體安全指標是根據目前現行規范已有的規定、發表文獻中的研究成果、業內專家的相關意見，對壩體各方面安全指標進行初步整理制定，然后將安全指標與實際監測值進行對比，來判斷大壩的工作性態。分項安全指標則是利用有限元計算程序對糯扎渡大壩進行工作性態的預測，提出系統完整的預測安全指標。糯扎渡大壩施工過程中已完整地布置了各種監測儀器系統，將采集到的監測數據成果與預測安全指標進行對比，可以更為細致地（細化到壩體局部點）進行大壩安全評價及預測。

結合近年來開展的超高土石壩安全性關鍵技術課題，我國專家歸納總結提出適用于300m級面板堆石壩的安全控制原則及標準，主要包括防洪標準、抗震設計標準、壩頂安全超高、大壩滲流控制指標、壩體變形控制指標、面板變形及應力控制指標、接縫變形安全控制指標、抗滑穩定控制指標等，為300m級高面板堆石壩的安全評價及安全控制提供參考。

但是，由于土石壩工程問題的復雜性，其安全指標的制定帶有半經驗性，其合理性尚有待工程實踐的進一步檢驗。

3.安全監控及預警系統

國內外工程界對大壩的性能評估，主要是對檢測和監測等實測資料進行分析，然后對建筑物進行安全評價和監控。很少考慮大壩的性態演化過程、病變機理、各種因素的相互影響、多源信息的融合等。有些方法是針對低壩建立的，多不適用于高壩。很多理論是針對混凝土壩建立的，與混凝土壩相比，土石壩具有更多的不確定性，因而這些理論不一定適用或者實用性較差；很多檢測方法過于簡單，自動化程度低，精度較差，如面板裂縫、土壩裂縫檢測，主要靠巡視發現，手工方法檢測。

隨著自動化監測技術、現代計算理論和方法、人工智能、計算機科技等的發展，20世紀末國內外開始研發水工結構安全綜合分析評價的專家系統。我國在20世紀80年代，結合“七五”和“八五”國家科技攻關項目，研發了基于微機的大壩監測數據管理系統，主要用于存儲和管理監測數據、制作圖表、統計分析及異常值的識別等。其中河海大學與電力部大壩安全監察中心合作，研發了“一機四庫”（即綜合推理機、知識庫、方法庫、工程數據庫和圖庫）的大壩安全綜合評價專家系統，并開發了重大水工混凝土結構病害診斷預警系統（吳中如等，2005）。

在糯扎渡高心墻堆石壩工程建設中，開發了高土石壩工程安全評價與預警信息管理系統。該系統由系統管理模塊、安全指標模塊、監測數據與工程信息模塊、數值計算模塊、反演分析模塊、安全預警與應急預案模塊和數據庫及管理模塊共7個模塊構成。目前糯扎渡工程中實施開發的工程安全評價與預警信息管理系統中，對每一個安全指標分為紅色、橙色、黃色三級預警，對于正常狀態下為綠色。系統中每個安全指標用戶均可以隨意進行添加或修正，也可以參考整體安全指標來修正完善預測指標，使得整體安全指標和監測安全指標協調統一，各指標分級閾值可通過系統指定輸入。實現了實時在線、可視化和智能化的安全評價、預測預報、預警信息發布、預警方案啟動等功能。目前該系統已成功應用于261.5m高的糯扎渡高心墻堆石壩工程的安全評價與預警信息管理。