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水 利 学 报

２０２２年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１２ － １４６７ － １０

超高土石坝心墙孔压不均匀分布特征及其机理研究

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邹德高 １，２ ，姜秋婷 １，２ ，刘京茂 １，２ ，金 伟 ，朱先文 ３
（１．大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 １１６０２４；２．大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 １１６０２４；
３．中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ６１００７２）

摘要：两河口超高心墙坝填筑期监测发现，心墙孔压最大值明显高于同类工程，并且呈显著不均匀分布的现象，
超出了以往的认识，引起了工程界对超高心墙坝安全的担忧。本文将饱和度作为初始材料参数引入到广义塑性本
构模型中以反映心墙孔压与饱和度的耦合效应，建立了不排水条件下简化、高效的流固耦合分析方法并对其进行
了验证。在此基础上，根据心墙初始饱和度的实测分布随机取值，开展了两河口心墙坝三维流固耦合分析，发现
心墙实测孔压不均匀分布与饱和度随机性是直接相关的，揭示了实测高孔压及其分布特征的形成机理和影响，成
果为超高土石坝心墙安全评价提供了理论支撑和技术手段。
关键词：超高土石坝；心墙；孔压；填筑期；弹塑性
中图分类号：ＴＶ６４１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０４２３
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

实测资料显示，高土石坝施工过程中心墙内会产生较高的超静孔隙水压力（简称孔压）。例如，小
［１］
浪底斜心墙坝（坝高 １５４ｍ）竣工时最大孔压为 １．３７ＭＰａ ；糯扎渡心墙坝（坝高 ２６１．５ｍ）满蓄时最大
［２］
孔压为 ２．３０ＭＰａ 。这些监测成果为发展和验证高心墙坝安全评价方法、推动科学认识大坝工作性态
提供了宝贵支撑，但已有工程普遍存在有效渗压计数目相对较少的问题。在建的高 ２９５ｍ两河口心墙
［３］
坝建立了完备的监测系统，获得了丰富的孔压监测资料，目前最大监测孔压已达 ３．７４ＭＰａ ，同时发现
孔压呈显著不均匀分布的特征，超出了以往的认识，引起了工程界对两河口大坝心墙安全的担忧。
为了分析孔压对工程安全的影响，众多学者提出并发展了基于有效应力原理的流固耦合分析方
法，主要包括 Ｂｉｏｔ流固耦合法 ［４ － ７］ 和不排水流固耦合法 ［８ － ９］ 两种，两者各有优缺点。Ｂｉｏｔ流固耦合法在
理论上更严密，但面临着方程组系数矩阵病态问题，病态程度与时间步长、单元尺寸、渗透性等多种
因素有关，并且求解效率低、易失败 ［１０］ ，相关研究成果主要集中在二维分析。近年来，许多学者 ［４ － ５］
开始对土石坝进行大型三维 Ｂｉｏｔ流固耦合分析，但相关研究仍较少。不排水流固耦合法虽仅适用于土
体饱和度较高、孔隙流体渗透性极低的情况，但该方法可在传统有限元计算软件中植入，实现方便，
并且求解效率高、稳定性好。同时，大量研究 ［１１ － １２］ 表明孔隙流体的压缩性与饱和度密切相关。为反映
饱和度对孔压的影响，曹雪山等 ［１３］ 在 Ｂｉｏｔ流固耦合法中考虑了孔隙流体的压缩性，但其使用时仍存
在前述问题。此外，心墙孔压模拟的准确性还取决于采用的本构模型。目前心墙力学特性模拟大都采
用邓肯 Ｅ － Ｂ本构模型，该模型计算的水平位移较实测偏大 ［１４ － １５］ ，这会导致心墙孔压模拟失真。相比
之下，弹塑性本构模型在模拟土体力学特性时结果更合理 ［１６］ 。

收稿日期：２０２２ － ０５ － ３０；网络首发日期：２０２２ － １０ － ２８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１０２７．１０５６．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ１９６５２０６，５２１９２６７４，５２０７９０２３）
作者简介：邹德高（ １９７３ － ），博士，教授，主要从事高土石坝和核电厂工程抗震等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｏｕｄｅｇａｏ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：刘京茂（１９８７ － ），博士，副教授，主要从事岩土材料试验及本构模型研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｍ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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