1 概述
長江科學(xué)院對水布埡水利樞紐的土工問題進行了10余年的研究，在壩型比選、設(shè)計和施工階段全過程中進行了一系列研究工作，有效地解決了相關(guān)的工程技術(shù)問題。研究工作包括心墻防滲料的級配特征［1］、反濾設(shè)計標準及現(xiàn)場碾壓參數(shù)［2～4］ 、堆石體流變特性［5，6］ 、堆石體分區(qū)優(yōu)化及軟巖利用、河床覆蓋層利用、大壩填料本構(gòu)關(guān)系［7］ 、200m級面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析和防滲系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)問題［9，10］ .這些研究成果不僅對水布埡大壩順利建成蓄水和可靠運行十分重要，對其它類似工程也有一定的參考價值。
2 壩型比選階段的土工試驗研究
水布埡工程預(yù)可研報告確定了高土石壩方案，鑒于水布埡壩址地形、地質(zhì)和建材等條件，認為適合興建心墻堆石壩或面板堆石壩，要求將混凝土面板堆石壩與心墻堆石壩進行比選。其中，面板壩方案壩高為233m，是世界上的面板壩；心墻壩高為227m，為當(dāng)時亞洲之最。
在壩型比較階段，心墻堆石壩曾是代表性壩型之一，心墻防滲料擬采用壩下游的廟王溝碎石土和龍王沖風(fēng)化頁巖。為論證這種材料能否作為心墻防滲料，曾進行了專門的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗。
2.1 心墻堆石壩寬級配防滲料室內(nèi)試驗研究
水布埡心墻堆石壩約需填筑350萬m3 防滲料，由于壩址附近缺乏防滲性能較好的粘性土料，經(jīng)勘察分析研究后，擬用龍王沖風(fēng)化頁巖料和廟王溝碎石土料作防滲料。與國內(nèi)外同類工程相比，龍王沖頁巖風(fēng)化料和廟王溝碎石土料顆粒偏粗、級配寬、不均勻系數(shù)大，頁巖風(fēng)化料中細料偏少。
對頁巖風(fēng)化料及碎石土料開展了大量系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究工作，得出的主要結(jié)論為：廟王溝碎石土料及龍王沖頁巖全風(fēng)化料均屬良好防滲料；龍王沖頁巖強風(fēng)化（上帶）料不宜單獨作防滲料使用，與全風(fēng)化料摻合后方可用于防滲體。為保證心墻的滲透穩(wěn)定，在心墻兩側(cè)應(yīng)設(shè)置反濾層。
當(dāng)時對于寬級配土料的反濾設(shè)計尚無公認的可靠方法。針對水布埡寬級配防滲料，通過分析心墻料的防滲特性，選取碎石土、頁巖全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶上帶和混合料作為代表性心墻料，初擬心墻反濾料級配，進行反濾料滲透試驗、心墻料與反濾料接觸試驗、反濾保護下心墻裂縫自愈試驗、反濾保土試驗及沖刷自愈試驗，給出了適合水布埡大壩寬級配防滲料的反濾設(shè)計標準，并研究了反濾設(shè)計方法。
水布埡大壩心墻防滲料不僅級配寬而且變化大，包容了可作防滲料的各種寬級配料。為此，研究成果D15 =0.5～1mm（平均0.6mm）可作為一般寬級配防滲料的反濾設(shè)計準則。在反濾保土試驗中，提出了平拋風(fēng)干細料的試驗方法，較之謝納德的濃泥漿試驗更為方便快捷。在此基礎(chǔ)上選定適合水布埡大壩心墻防滲料的反濾層。
2.2 心墻堆石壩防滲料現(xiàn)場碾壓試驗研究
由于風(fēng)化料級配不穩(wěn)定及室內(nèi)試驗級配模擬上的不足，室內(nèi)試驗成果在反映風(fēng)化料力學(xué)性質(zhì)時有一定局限性。為深入了解風(fēng)化料和碎石土作為心墻防滲料的可靠性，又專門開展了現(xiàn)場碾壓試驗研究。
現(xiàn)場碾壓試驗研究的目的是了解并驗證擬選材料作為心墻防滲料的適用條件及可靠性，同時為設(shè)計選定壓實標準及初步確定碾壓參數(shù)提供依據(jù)。
現(xiàn)場碾壓試驗主要研究內(nèi)容包括，以龍王沖料場強風(fēng)化上帶料、全風(fēng)化與強風(fēng)化上帶混合料（考慮了1～2種混合比）以及廟王溝料場碎石土料為對象，考慮了2～3種含水量和2～3種鋪層厚度，用選定的碾壓機具進行碾壓，研究了材料的級配、壓實和滲透等特性。
根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果，認為風(fēng)化料和碎石土用作水布埡大壩的心墻防滲料是可行的，但就當(dāng)時的條件，強風(fēng)化上帶料不宜單獨使用，必須摻入20%以上全風(fēng)化料。水布埡心墻防滲料的粒徑為150mm，碾壓前后粒徑小于5mm的防滲料含量不得低于30%和35%；填筑含水量應(yīng)控制在含水量或略偏濕狀態(tài)下；建議滲透系數(shù)取值不大于###5×10-5 cm/s，臨界比降設(shè)計值取4.為了保證心墻料滿足使用要求，填筑施工時應(yīng)采用18t以上凸塊振動碾，每層鋪土厚度小于40cm，并碾壓8遍以上。另外在設(shè)計施工中必須采取充分措施防止風(fēng)化料不均勻性可能造成的不利影響。
綜合研究結(jié)果表明：頁巖風(fēng)化料作為心墻防滲料是可行的，特別是全、強上混合料，防滲性能更可靠；但應(yīng)注意強風(fēng)化上帶料的不均勻性，控制好全風(fēng)化料的摻入量、級配、含水量，并充分壓實以保證其滿足防滲要求。廟王溝碎石土料具有良好的壓實性，是一種理想的心墻防滲料。
此外，還針對心墻堆石壩壩型進行了大量滲控研究，曾為壩型比選提供了科學(xué)依據(jù)。
3 河床覆蓋層利用問題研究來源:考試大網(wǎng)
根據(jù)水布埡水利樞紐工程總體設(shè)計，壩址上、下游100～150m的河床近覆蓋層將挖除，其余河床覆蓋層保留，經(jīng)強夯處理后作為壩基。由于受自然條件限制，前期對河床覆蓋層的勘探精度不高。為掌握河床覆蓋層分布特點，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工等單位共同研究決定利用強夯試驗加大對河床覆蓋層勘探力度。為確定強夯施工參數(shù)和質(zhì)量控制標準，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，先在強夯區(qū)下游（縱0+160～縱0+190）進行強夯試驗，然后根據(jù)試驗結(jié)果對強夯施工區(qū)采用合理參數(shù)進行處理。
強夯試驗及施工檢測自2002年12月10日進場至2003年3月退場，共計完成干密度及顆粒分析29組，原位滲透試驗10組，超重動力觸探27孔，進尺201.3m，旁壓試驗23孔，旁壓測試點91個，面波測試測點33個。
根據(jù)強夯試驗及施工檢測成果，河床砂卵石層經(jīng)強夯處理后，在夯擊面以下4m深度內(nèi)土層密度、承載力有了較大幅度的提高，滲透系數(shù)減小了一個數(shù)量級以上，土層性質(zhì)有了較好的改善，工后沉降量大大減小。研究結(jié)論是河床砂卵石層的加固處理施工滿足設(shè)計要求，可起到加固效果，為此保留了10萬m3 河床天然砂卵石，大大節(jié)約了工程成本，縮短了工期，為大壩安全度汛贏得了時間。
4 面板堆石壩的填料特性試驗研究
水布埡面板堆石壩的填料包括堆石料、過渡料及墊層料。堆石料為茅口組、棲霞組、龍?zhí)督M灰?guī)r，過渡料和墊層料采用茅口組灰?guī)r制備。主堆石料的粒徑為600～800mm，墊層料的粒徑為40～60mm.試驗用料的模擬方法為混合法。
對水布埡面板堆石壩的填料進行了一系列常規(guī)和非常規(guī)的土工試驗，重點研究了填料的密度、填筑標準、填料壓縮變形特性、填料的強度及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、墊層料的滲透及滲透變形特性，獲得了一批重要成果，如初步確定了除龍?zhí)督M上段外其余均可作為大壩填料，提出了堆石壩各區(qū)填料施工控制密度、各種填料的設(shè)計指標（包括壓縮性、強度、本構(gòu)模型參數(shù)、抗?jié)B性等），抗?jié)B結(jié)構(gòu)形式等等。
4.1 填料的密度試驗及填筑標準的確定
室內(nèi)壓實試驗采用了兩種方法：重型擊實法和表面振動法。根據(jù)擊實成果，研究了振動法控制標準、加水量對填料壓實性的影響、不同填料（巖性、級配）的壓實性。最后得出了水布埡面板堆石壩堆石料、過渡料和墊層料的壓實控制標準分別為：2.16、2.18t/m3 和2.20t/m3 .
4.2 填料壓縮變形特性來源:考試大網(wǎng)
重點研究了填料壓縮性以及堆石料壓縮波動性原因，探討了壓縮試驗的合適的徑徑比。試驗表明：豎向應(yīng)力加大，壓縮模量呈增高的趨勢。但在所研究的應(yīng)力范圍內(nèi)（應(yīng)力為6.4MPa）豎向壓縮變形會出現(xiàn)波動，這與壓縮過程中顆粒的破碎有關(guān)。
根據(jù)試驗結(jié)果得出了填料的壓縮模量建議值為：主堆石120MPa，次堆石90MPa，過渡料130MPa，墊層料140MPa.
4.3 堆石料蠕變特性研究
有些面板堆石壩建成后，后期變形明顯，常引起混凝土面板的開裂。因此，對于高堆石壩，堆石料的蠕變性愈來愈引起壩工界的重視。我們重點探討了3個問題：①堆石料的蠕變量與時間、蠕變總量與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系函數(shù)；②蠕變量與應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑的關(guān)系；③堆石料蠕變機理。
利用新研制的大型高壓應(yīng)力式三軸儀，針對水布埡面板堆石壩主次堆石料研究了堆石料蠕變變形與時間、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力增量及增量過程的關(guān)系。試驗?zāi)M蠕變過程之長（69d）、應(yīng)力之高（圍壓2.7MPa）、試驗規(guī)模之大（試樣直徑30cm，高60cm）在國內(nèi)目前尚不多見。
在大量試驗資料的基礎(chǔ)上，首次提出了水布埡主次堆石料的“九參數(shù)”蠕變模型及模型參數(shù)，并將這一研究成果應(yīng)用于水布埡面板堆石壩三維數(shù)值分析中。
4.4 填料本構(gòu)關(guān)系參數(shù)確定來源:考試大網(wǎng)
針對各種填料，進行了不同密度、不同級配料的常規(guī)三軸剪切試驗、等比例加載試驗。試驗儀器為中型高壓三軸儀，試驗圍壓為3.5MPa，試樣尺寸為300mm×655mm（直徑×高度），試樣干密度為1.96～2.30t/m3 .
另外，對于堆石壩的碾壓堆石料，剪脹性是其固有特性，我們通過試驗著重分析了粗粒料的剪脹性。在試驗基礎(chǔ)上，給出了水布埡堆石壩填料不同本構(gòu)模型的模型參數(shù)。
4.5 過渡料和墊層料滲透變形試驗和滲透穩(wěn)定性
大壩施工階段通過檢測發(fā)現(xiàn)墊層和過渡區(qū)實際填筑料由于料源、爆破等因素的影響，其級配、巖性等與設(shè)計要求有一定的差距。為此，基于一期填筑實際用料，開展了墊層和過渡區(qū)滲透變形特性及反濾保護作用試驗研究，并針對壩體可能出現(xiàn)的不利條件進行了滲透穩(wěn)定性評價。
針對一期填筑料的級配范圍，結(jié)合各階段研究成果和后期的補充試驗，分析研究了大壩各分區(qū)材料的滲透性；針對實際施工的斷面，通過二維滲流場計算，分析了在面板破損最不利工況下墊層和過渡區(qū)中可能出現(xiàn)的滲透比降。在分區(qū)材料滲流特性比較理想的條件下，即墊層區(qū)滲透系數(shù)在###10-4 ～10-3 cm/s，過渡區(qū)滲透系數(shù)在10-2 cm/s以上時，墊層區(qū)承擔(dān)的滲透比降約為105～116，過渡區(qū)承擔(dān)的滲透比降約為0.03～3.36；如果分區(qū)材料滲流特性不理想，墊層區(qū)滲透系數(shù)在10-4 ～10-3 cm/s，但過渡區(qū)滲透系數(shù)為1×10-3 量級時，墊層區(qū)承擔(dān)的滲透比降在64左右，過渡區(qū)承擔(dān)的滲透比降在21左右；兩區(qū)滲透性越相近，滲流場的分布越均勻，越不利于壩體的滲透穩(wěn)定。這些分布規(guī)律不僅為壩體滲透穩(wěn)定評價提供了基礎(chǔ)，而且是墊層和過渡料滲透變形及反濾試驗設(shè)計確定比降試驗范圍的重要依據(jù)。
對實際填筑的墊層料和過渡料的滲透穩(wěn)定性進行了試驗研究。為了試驗滿足233m高壩運行條件下的比降要求和適應(yīng)粗粒料滲流試驗流量大的特點，研制了高壓力、大流量的滲透變形試驗裝置，對墊層料滲透變形特性進行了補充試驗，首次對過渡料的滲透變形特性進行了試驗研究。結(jié)果表明兩者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定。因此，過渡料對墊層料的反濾試驗不能遵循現(xiàn)有反濾試驗規(guī)程，而應(yīng)該直至達到和超過壩體中實際可能出現(xiàn)的比降條件后才能說明反濾保護作用是否滿足要求。為此，開展了高比降條件下的墊層料和過渡料反濾試驗。
綜合滲流場分析和試驗成果進行了壩體滲透穩(wěn)定性評價，得出了墊層料和過渡料滿足滲透穩(wěn)定性要求的重要結(jié)論，并對填筑用料和密度控制提出了建議，成果為完善和變更設(shè)計提供了重要依據(jù)。
5 面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析
壩體變形是高土石壩設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。有限元應(yīng)力應(yīng)變計算是了解各種設(shè)計方案下壩體應(yīng)力和變形的主要手段，因而也成為論證設(shè)計方案的合理性和可行性的重要手段之一。采用了二維平面和三維空間的分析方法，分別用非線性和彈塑性模型對大壩的工作狀態(tài)進行了詳細的計算分析。
重點對國際通用軟件MARC進行了二次開發(fā)，加載了Dan-can-chang E-B模型、“南水”雙屈服面廣義塑性本構(gòu)模型，發(fā)展了三維“子模型法”分析面板的應(yīng)力與變形，使面板的應(yīng)力與變形計算結(jié)果更加符合工程實際。
長江科學(xué)院對水布埡水利樞紐的土工問題進行了10余年的研究，在壩型比選、設(shè)計和施工階段全過程中進行了一系列研究工作，有效地解決了相關(guān)的工程技術(shù)問題。研究工作包括心墻防滲料的級配特征［1］、反濾設(shè)計標準及現(xiàn)場碾壓參數(shù)［2～4］ 、堆石體流變特性［5，6］ 、堆石體分區(qū)優(yōu)化及軟巖利用、河床覆蓋層利用、大壩填料本構(gòu)關(guān)系［7］ 、200m級面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析和防滲系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)問題［9，10］ .這些研究成果不僅對水布埡大壩順利建成蓄水和可靠運行十分重要，對其它類似工程也有一定的參考價值。
2 壩型比選階段的土工試驗研究
水布埡工程預(yù)可研報告確定了高土石壩方案，鑒于水布埡壩址地形、地質(zhì)和建材等條件，認為適合興建心墻堆石壩或面板堆石壩，要求將混凝土面板堆石壩與心墻堆石壩進行比選。其中，面板壩方案壩高為233m，是世界上的面板壩；心墻壩高為227m，為當(dāng)時亞洲之最。
在壩型比較階段，心墻堆石壩曾是代表性壩型之一，心墻防滲料擬采用壩下游的廟王溝碎石土和龍王沖風(fēng)化頁巖。為論證這種材料能否作為心墻防滲料，曾進行了專門的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗。
2.1 心墻堆石壩寬級配防滲料室內(nèi)試驗研究
水布埡心墻堆石壩約需填筑350萬m3 防滲料，由于壩址附近缺乏防滲性能較好的粘性土料，經(jīng)勘察分析研究后，擬用龍王沖風(fēng)化頁巖料和廟王溝碎石土料作防滲料。與國內(nèi)外同類工程相比，龍王沖頁巖風(fēng)化料和廟王溝碎石土料顆粒偏粗、級配寬、不均勻系數(shù)大，頁巖風(fēng)化料中細料偏少。
對頁巖風(fēng)化料及碎石土料開展了大量系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究工作，得出的主要結(jié)論為：廟王溝碎石土料及龍王沖頁巖全風(fēng)化料均屬良好防滲料；龍王沖頁巖強風(fēng)化（上帶）料不宜單獨作防滲料使用，與全風(fēng)化料摻合后方可用于防滲體。為保證心墻的滲透穩(wěn)定，在心墻兩側(cè)應(yīng)設(shè)置反濾層。
當(dāng)時對于寬級配土料的反濾設(shè)計尚無公認的可靠方法。針對水布埡寬級配防滲料，通過分析心墻料的防滲特性，選取碎石土、頁巖全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶上帶和混合料作為代表性心墻料，初擬心墻反濾料級配，進行反濾料滲透試驗、心墻料與反濾料接觸試驗、反濾保護下心墻裂縫自愈試驗、反濾保土試驗及沖刷自愈試驗，給出了適合水布埡大壩寬級配防滲料的反濾設(shè)計標準，并研究了反濾設(shè)計方法。
水布埡大壩心墻防滲料不僅級配寬而且變化大，包容了可作防滲料的各種寬級配料。為此，研究成果D15 =0.5～1mm（平均0.6mm）可作為一般寬級配防滲料的反濾設(shè)計準則。在反濾保土試驗中，提出了平拋風(fēng)干細料的試驗方法，較之謝納德的濃泥漿試驗更為方便快捷。在此基礎(chǔ)上選定適合水布埡大壩心墻防滲料的反濾層。
2.2 心墻堆石壩防滲料現(xiàn)場碾壓試驗研究
由于風(fēng)化料級配不穩(wěn)定及室內(nèi)試驗級配模擬上的不足，室內(nèi)試驗成果在反映風(fēng)化料力學(xué)性質(zhì)時有一定局限性。為深入了解風(fēng)化料和碎石土作為心墻防滲料的可靠性，又專門開展了現(xiàn)場碾壓試驗研究。
現(xiàn)場碾壓試驗研究的目的是了解并驗證擬選材料作為心墻防滲料的適用條件及可靠性，同時為設(shè)計選定壓實標準及初步確定碾壓參數(shù)提供依據(jù)。
現(xiàn)場碾壓試驗主要研究內(nèi)容包括，以龍王沖料場強風(fēng)化上帶料、全風(fēng)化與強風(fēng)化上帶混合料（考慮了1～2種混合比）以及廟王溝料場碎石土料為對象，考慮了2～3種含水量和2～3種鋪層厚度，用選定的碾壓機具進行碾壓，研究了材料的級配、壓實和滲透等特性。
根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果，認為風(fēng)化料和碎石土用作水布埡大壩的心墻防滲料是可行的，但就當(dāng)時的條件，強風(fēng)化上帶料不宜單獨使用，必須摻入20%以上全風(fēng)化料。水布埡心墻防滲料的粒徑為150mm，碾壓前后粒徑小于5mm的防滲料含量不得低于30%和35%；填筑含水量應(yīng)控制在含水量或略偏濕狀態(tài)下；建議滲透系數(shù)取值不大于###5×10-5 cm/s，臨界比降設(shè)計值取4.為了保證心墻料滿足使用要求，填筑施工時應(yīng)采用18t以上凸塊振動碾，每層鋪土厚度小于40cm，并碾壓8遍以上。另外在設(shè)計施工中必須采取充分措施防止風(fēng)化料不均勻性可能造成的不利影響。
綜合研究結(jié)果表明：頁巖風(fēng)化料作為心墻防滲料是可行的，特別是全、強上混合料，防滲性能更可靠；但應(yīng)注意強風(fēng)化上帶料的不均勻性，控制好全風(fēng)化料的摻入量、級配、含水量，并充分壓實以保證其滿足防滲要求。廟王溝碎石土料具有良好的壓實性，是一種理想的心墻防滲料。
此外，還針對心墻堆石壩壩型進行了大量滲控研究，曾為壩型比選提供了科學(xué)依據(jù)。
3 河床覆蓋層利用問題研究來源:考試大網(wǎng)
根據(jù)水布埡水利樞紐工程總體設(shè)計，壩址上、下游100～150m的河床近覆蓋層將挖除，其余河床覆蓋層保留，經(jīng)強夯處理后作為壩基。由于受自然條件限制，前期對河床覆蓋層的勘探精度不高。為掌握河床覆蓋層分布特點，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工等單位共同研究決定利用強夯試驗加大對河床覆蓋層勘探力度。為確定強夯施工參數(shù)和質(zhì)量控制標準，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，先在強夯區(qū)下游（縱0+160～縱0+190）進行強夯試驗，然后根據(jù)試驗結(jié)果對強夯施工區(qū)采用合理參數(shù)進行處理。
強夯試驗及施工檢測自2002年12月10日進場至2003年3月退場，共計完成干密度及顆粒分析29組，原位滲透試驗10組，超重動力觸探27孔，進尺201.3m，旁壓試驗23孔，旁壓測試點91個，面波測試測點33個。
根據(jù)強夯試驗及施工檢測成果，河床砂卵石層經(jīng)強夯處理后，在夯擊面以下4m深度內(nèi)土層密度、承載力有了較大幅度的提高，滲透系數(shù)減小了一個數(shù)量級以上，土層性質(zhì)有了較好的改善，工后沉降量大大減小。研究結(jié)論是河床砂卵石層的加固處理施工滿足設(shè)計要求，可起到加固效果，為此保留了10萬m3 河床天然砂卵石，大大節(jié)約了工程成本，縮短了工期，為大壩安全度汛贏得了時間。
4 面板堆石壩的填料特性試驗研究
水布埡面板堆石壩的填料包括堆石料、過渡料及墊層料。堆石料為茅口組、棲霞組、龍?zhí)督M灰?guī)r，過渡料和墊層料采用茅口組灰?guī)r制備。主堆石料的粒徑為600～800mm，墊層料的粒徑為40～60mm.試驗用料的模擬方法為混合法。
對水布埡面板堆石壩的填料進行了一系列常規(guī)和非常規(guī)的土工試驗，重點研究了填料的密度、填筑標準、填料壓縮變形特性、填料的強度及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、墊層料的滲透及滲透變形特性，獲得了一批重要成果，如初步確定了除龍?zhí)督M上段外其余均可作為大壩填料，提出了堆石壩各區(qū)填料施工控制密度、各種填料的設(shè)計指標（包括壓縮性、強度、本構(gòu)模型參數(shù)、抗?jié)B性等），抗?jié)B結(jié)構(gòu)形式等等。
4.1 填料的密度試驗及填筑標準的確定
室內(nèi)壓實試驗采用了兩種方法：重型擊實法和表面振動法。根據(jù)擊實成果，研究了振動法控制標準、加水量對填料壓實性的影響、不同填料（巖性、級配）的壓實性。最后得出了水布埡面板堆石壩堆石料、過渡料和墊層料的壓實控制標準分別為：2.16、2.18t/m3 和2.20t/m3 .
4.2 填料壓縮變形特性來源:考試大網(wǎng)
重點研究了填料壓縮性以及堆石料壓縮波動性原因，探討了壓縮試驗的合適的徑徑比。試驗表明：豎向應(yīng)力加大，壓縮模量呈增高的趨勢。但在所研究的應(yīng)力范圍內(nèi)（應(yīng)力為6.4MPa）豎向壓縮變形會出現(xiàn)波動，這與壓縮過程中顆粒的破碎有關(guān)。
根據(jù)試驗結(jié)果得出了填料的壓縮模量建議值為：主堆石120MPa，次堆石90MPa，過渡料130MPa，墊層料140MPa.
4.3 堆石料蠕變特性研究
有些面板堆石壩建成后，后期變形明顯，常引起混凝土面板的開裂。因此，對于高堆石壩，堆石料的蠕變性愈來愈引起壩工界的重視。我們重點探討了3個問題：①堆石料的蠕變量與時間、蠕變總量與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系函數(shù)；②蠕變量與應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑的關(guān)系；③堆石料蠕變機理。
利用新研制的大型高壓應(yīng)力式三軸儀，針對水布埡面板堆石壩主次堆石料研究了堆石料蠕變變形與時間、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力增量及增量過程的關(guān)系。試驗?zāi)M蠕變過程之長（69d）、應(yīng)力之高（圍壓2.7MPa）、試驗規(guī)模之大（試樣直徑30cm，高60cm）在國內(nèi)目前尚不多見。
在大量試驗資料的基礎(chǔ)上，首次提出了水布埡主次堆石料的“九參數(shù)”蠕變模型及模型參數(shù)，并將這一研究成果應(yīng)用于水布埡面板堆石壩三維數(shù)值分析中。
4.4 填料本構(gòu)關(guān)系參數(shù)確定來源:考試大網(wǎng)
針對各種填料，進行了不同密度、不同級配料的常規(guī)三軸剪切試驗、等比例加載試驗。試驗儀器為中型高壓三軸儀，試驗圍壓為3.5MPa，試樣尺寸為300mm×655mm（直徑×高度），試樣干密度為1.96～2.30t/m3 .
另外，對于堆石壩的碾壓堆石料，剪脹性是其固有特性，我們通過試驗著重分析了粗粒料的剪脹性。在試驗基礎(chǔ)上，給出了水布埡堆石壩填料不同本構(gòu)模型的模型參數(shù)。
4.5 過渡料和墊層料滲透變形試驗和滲透穩(wěn)定性
大壩施工階段通過檢測發(fā)現(xiàn)墊層和過渡區(qū)實際填筑料由于料源、爆破等因素的影響，其級配、巖性等與設(shè)計要求有一定的差距。為此，基于一期填筑實際用料，開展了墊層和過渡區(qū)滲透變形特性及反濾保護作用試驗研究，并針對壩體可能出現(xiàn)的不利條件進行了滲透穩(wěn)定性評價。
針對一期填筑料的級配范圍，結(jié)合各階段研究成果和后期的補充試驗，分析研究了大壩各分區(qū)材料的滲透性；針對實際施工的斷面，通過二維滲流場計算，分析了在面板破損最不利工況下墊層和過渡區(qū)中可能出現(xiàn)的滲透比降。在分區(qū)材料滲流特性比較理想的條件下，即墊層區(qū)滲透系數(shù)在###10-4 ～10-3 cm/s，過渡區(qū)滲透系數(shù)在10-2 cm/s以上時，墊層區(qū)承擔(dān)的滲透比降約為105～116，過渡區(qū)承擔(dān)的滲透比降約為0.03～3.36；如果分區(qū)材料滲流特性不理想，墊層區(qū)滲透系數(shù)在10-4 ～10-3 cm/s，但過渡區(qū)滲透系數(shù)為1×10-3 量級時，墊層區(qū)承擔(dān)的滲透比降在64左右，過渡區(qū)承擔(dān)的滲透比降在21左右；兩區(qū)滲透性越相近，滲流場的分布越均勻，越不利于壩體的滲透穩(wěn)定。這些分布規(guī)律不僅為壩體滲透穩(wěn)定評價提供了基礎(chǔ)，而且是墊層和過渡料滲透變形及反濾試驗設(shè)計確定比降試驗范圍的重要依據(jù)。
對實際填筑的墊層料和過渡料的滲透穩(wěn)定性進行了試驗研究。為了試驗滿足233m高壩運行條件下的比降要求和適應(yīng)粗粒料滲流試驗流量大的特點，研制了高壓力、大流量的滲透變形試驗裝置，對墊層料滲透變形特性進行了補充試驗，首次對過渡料的滲透變形特性進行了試驗研究。結(jié)果表明兩者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定。因此，過渡料對墊層料的反濾試驗不能遵循現(xiàn)有反濾試驗規(guī)程，而應(yīng)該直至達到和超過壩體中實際可能出現(xiàn)的比降條件后才能說明反濾保護作用是否滿足要求。為此，開展了高比降條件下的墊層料和過渡料反濾試驗。
綜合滲流場分析和試驗成果進行了壩體滲透穩(wěn)定性評價，得出了墊層料和過渡料滿足滲透穩(wěn)定性要求的重要結(jié)論，并對填筑用料和密度控制提出了建議，成果為完善和變更設(shè)計提供了重要依據(jù)。
5 面板堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析
壩體變形是高土石壩設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。有限元應(yīng)力應(yīng)變計算是了解各種設(shè)計方案下壩體應(yīng)力和變形的主要手段，因而也成為論證設(shè)計方案的合理性和可行性的重要手段之一。采用了二維平面和三維空間的分析方法，分別用非線性和彈塑性模型對大壩的工作狀態(tài)進行了詳細的計算分析。
重點對國際通用軟件MARC進行了二次開發(fā)，加載了Dan-can-chang E-B模型、“南水”雙屈服面廣義塑性本構(gòu)模型，發(fā)展了三維“子模型法”分析面板的應(yīng)力與變形，使面板的應(yīng)力與變形計算結(jié)果更加符合工程實際。