酈能惠

(南京水利科學(xué)研究院，南京 210024)

高混凝土面板堆石壩設(shè)計新理念

酈能惠

(南京水利科學(xué)研究院，南京 210024)

在分析混凝土面板堆石壩40多年經(jīng)驗設(shè)計及其不完全性的基礎(chǔ)上，提出了高混凝土面板堆石壩設(shè)計新理念，即針對壩址的地形地質(zhì)條件與料源情況，進行穩(wěn)定安全設(shè)計、滲流安全設(shè)計和變形安全設(shè)計，闡述了穩(wěn)定、滲流、變形安全設(shè)計的原則和要點，強調(diào)了變形協(xié)調(diào)原則和理論指導(dǎo)設(shè)計的重要性。

混凝土面板堆石壩;設(shè)計新理念;穩(wěn)定安全;滲流安全;變形安全

1 前言

以薄層填筑、用振動碾分層壓實的堆石(或砂礫石)作為壩體的現(xiàn)代混凝土面板堆石壩只有40多年歷史，全世界已建和在建的混凝土面板堆石壩就達(dá)到500多座。我國自1985年開始建造，至今已建和在建有250多座混凝土面板堆石壩，其中壩高等于或高于100 m的高混凝土面板堆石壩有56座，我國混凝土面板堆石壩的總數(shù)和高混凝土面板堆石壩的數(shù)量都約占全世界的50%，已竣工的水布埡面板堆石壩壩高233 m，居世界第一;壩高156 m的紫坪鋪面板堆石壩抵御了汶川8級大地震。由于這種壩型的安全性和經(jīng)濟性良好，能適應(yīng)不良的氣候條件、地形條件和地質(zhì)條件，軟巖、特硬巖和砂礫石都可用作面板堆石壩的筑壩材料，可以充分利用樞紐各建筑物的開挖料來填筑壩體，盡量做到挖填平衡，既節(jié)省投資，又利于環(huán)境保護。在強地震區(qū)、深覆蓋層、深厚強風(fēng)化巖和高陡岸坡的壩址，混凝土面板堆石壩往往成為最有競爭力的壩型。

縱觀歷史數(shù)百座混凝土面板堆石壩，其建造一直都采用經(jīng)驗設(shè)計的方法，正如面板堆石壩專家J.B.Cooke指出:自首批混凝土面板堆石壩以來，設(shè)計混凝土面板堆石壩的基本做法是以先例——類似工程的樣例為基礎(chǔ)的經(jīng)驗設(shè)計?！敖?jīng)驗”一詞是“以實際經(jīng)驗作指導(dǎo)而非由理論指導(dǎo)”的意思［1］。

2 經(jīng)驗設(shè)計內(nèi)涵

現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的經(jīng)驗設(shè)計可以概括為以下要點［2，3］。

1)經(jīng)驗確定壩體分區(qū)，規(guī)定了用硬巖堆石和砂礫石填筑的壩體分區(qū)、各區(qū)筑壩材料和填筑標(biāo)準(zhǔn)。強調(diào)堆石壩體上游部分應(yīng)具有低壓縮性，下游部分不要求低壓縮性。我國的面板堆石壩設(shè)計規(guī)范還建議了各區(qū)壩料填筑標(biāo)準(zhǔn):墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)的填筑標(biāo)準(zhǔn)分別是孔隙率15%～20%、18% ～22%、2`0% ～25%和23% ～28%。

2)經(jīng)驗確定墊層料的顆粒級配，典型的是J.L.Sherard在1985年建議的顆粒級配。

3)經(jīng)驗確定壩坡，筑壩材料為硬巖堆石料時，上下游壩坡為 1∶1.3 ～1∶1.4，筑壩材料為軟巖堆石料或砂礫石料時，上下游壩坡一般為 1∶1.5～1∶1.6。

4)經(jīng)驗確定面板厚度，經(jīng)驗公式 t=0.3+αH，式中，t為面板厚度，m;經(jīng)驗系數(shù) α為 0.002～0.0035，大多數(shù)面板堆石壩選取0.003;H為計算斷面至面板頂部的垂直距離或該點水頭，m。

5)經(jīng)驗確定面板混凝土強度和抗?jié)B等級，分別要求不低于C25和W8。

6)經(jīng)驗確定面板分縫，垂直縫間距一般取12～18 m，兩岸壩肩附近部位面板垂直縫間距取其一半左右。

7)經(jīng)驗確定面板配筋率，垂直向(順坡向)配筋率通常為0.35% ～0.40%，水平向(壩軸向)配筋率通常為0.30% ～0.35%，周邊縫附近配筋率為 0.5%。

8)經(jīng)驗確定趾板寬度，1983年建成的薩爾瓦琴娜壩依據(jù)趾板巖石地基的容許水力梯度來確定趾板寬度，成為后續(xù)建造的混凝土面板堆石壩工程仿效的實例。

9)經(jīng)驗確定接縫止水結(jié)構(gòu)和止水材料，自1980年阿里亞壩采用三道止水的周邊縫止水結(jié)構(gòu)以后，國內(nèi)外高混凝土面板堆石壩周邊縫都采用這種形式的止水結(jié)構(gòu)，即頂部瑪王帝脂嵌縫材料，中部PVC止水，底部銅片止水。

數(shù)十年經(jīng)驗設(shè)計主要是基于下列觀點［1～4］:絕大部分庫水荷載通過上游堆石體作用在壩軸線上游的壩基;不需要進行壩坡抗滑穩(wěn)定計算分析;碾壓堆石體對滲流是穩(wěn)定的。

根據(jù)以往經(jīng)驗，J.B.Cooke在1984年提出了高244 m的混凝土面板堆石壩的壩體分區(qū)［1］，如圖1所示。

圖1 設(shè)想的高244 m的混凝土面板堆石壩分區(qū)設(shè)計Fig.1 Dam zoning of 244 m high concrete face rockfill dams conceived

3 混凝土面板堆石壩工程實踐的啟迪

20世紀(jì)90年代以來國內(nèi)外相繼建造了一批高混凝土面板堆石壩，這些高混凝土面板堆石壩出現(xiàn)了問題，概括為以下內(nèi)容［5～9］。

3.1 墊層區(qū)裂縫

天生橋一級壩(壩高178 m)、辛戈壩(壩高140 m)墊層區(qū)都產(chǎn)生斜向裂縫，天生橋一級壩斜向裂縫長5～40 m，最大縫寬27 mm;辛戈壩斜向裂縫最大縫寬56 mm，錯位16 mm，天生橋一級壩墊層區(qū)還產(chǎn)生水平裂縫，最大縫長60 m，最大縫寬180 mm。

3.2 面板脫空

天生橋一級壩一期、二期和三期面板頂部都存在嚴(yán)重脫空，一、二期面板有85%面板脫空，三期面板有52%面板脫空，最大脫空深度(沿面板斜長)10 m，最大脫空高度15 cm。

3.3 面板裂縫

天生橋一級壩1997―2000年7次檢查面板裂縫，共發(fā)現(xiàn)水平狀裂縫1296條，最大縫寬4 mm，裂縫深度10～34 cm;2002年檢查三期面板裂縫，又發(fā)現(xiàn)水平狀裂縫4537條，縫寬大于0.3 mm的裂縫有80條，裂縫最大深度41.7 cm，已貫穿面板厚度。面板裂縫發(fā)生部位與面板脫空部位基本一致。阿瓜密爾帕壩(壩高187 m)1997年在高程198～202 m、高程180、145、120、94 m和70 m的面板上都發(fā)現(xiàn)水平狀裂縫和斜向裂縫，其中180 m高程水平裂縫貫穿了14塊面板，最大縫寬15 mm，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏。伊塔壩(壩高125 m)2000年在周邊縫上方8～15 m的15塊面板都發(fā)現(xiàn)水平狀裂縫，縫寬7 mm，滲漏量從160 L/s增加到1700 L/s。

3.4 面板垂直縫兩側(cè)混凝土擠壓破壞

2003年7月天生橋一級壩河谷中央垂直縫兩側(cè)L3面板和L4面板混凝土擠壓破壞，擠壓破壞區(qū)域是從三期面板頂部延伸到其底部，長約55 m，寬約3.5 m，最大深度30 cm。修補后2004年5月該區(qū)域面板又?jǐn)D壓破壞，擠壓破壞區(qū)向下又延伸了38 m，寬度達(dá)到6 m，部分可見止水銅片翼片外露。

莫海爾壩(壩高145 m)2006年2月首次蓄水時河谷中央面板垂直縫兩側(cè)L17和L18面板混凝土擠壓破壞，兩側(cè)面板超疊120 mm，錯臺75 mm，滲漏量達(dá)600 L/s。

巴拉·格蘭特壩(壩高185 m)2005年9月河谷中央面板垂直縫兩側(cè)第19塊與第20塊面板混凝土擠壓破壞，擠壓破壞區(qū)域從二期面板頂部延伸到其底部，使?jié)B漏量增至428 L/s。修復(fù)后2005年11月至2006年1月再次蓄水，滲漏量從830 L/s增至1284 L/s，兩次在破壞區(qū)鋪灑粉砂處理滲漏，但滲漏量仍達(dá)到1000 L/s。

坎普斯·諾沃斯壩(壩高202 m)2005年10月首次蓄水時發(fā)現(xiàn)河谷中央垂直縫兩側(cè)第16塊和第17塊面板混凝土擠壓破壞，擠壓破壞區(qū)域從三期面板頂部延伸到水下，滲漏量450 L/s。2006年2月滲漏量增至1300 L/s，在破壞區(qū)鋪灑粉砂處理滲漏，滲漏量減小至848 L/s，4月4日庫水位上升，滲漏量又達(dá)到1294 L/s，2006年6月放空水庫，對面板混凝土擠壓破壞區(qū)進行修復(fù)。

3.5 嚴(yán)重滲漏

除上述巴拉·格蘭特壩和坎普斯·諾沃斯壩因垂直縫兩側(cè)混凝土擠壓破壞造成嚴(yán)重滲漏以外，還有多座面板堆石壩出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏，如表1所示。

表1 面板堆石壩嚴(yán)重滲漏Table 1 Serious seepage of concrete face rockfill dams

3.6 潰壩

500多座混凝土面板堆石壩只有溝后混凝土面板砂礫石壩一座潰決，該壩高70 m，1990年10月建成，1993年8月27日約22時40分潰決?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn):1993年7月下旬庫水位從3261 m逐漸上升至8月27日12時的3277 m，下游壩坡多處出滲和流水，13時30分庫水位超過防浪墻底面約20 mm，壩底和壩頂處大面積流水。20時下游壩坡大面積出滲與流水。下游壩坡出滲和流水示意圖見圖 2［10］。

筆者自2002年以來一直關(guān)注這些問題，分析概括其產(chǎn)生原因如下［5～8］:

1)主堆石區(qū)變形模量高、下游堆石區(qū)變形模量低、壩體變形不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致墊層區(qū)裂縫、面板脫空和面板裂縫的主要原因。從原型觀測資料得出阿瓜密爾帕壩主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)的變形模量分別為260 MPa和47 MPa，兩者相差5.5倍。天生橋一級壩筑壩材料室內(nèi)試驗值和從原型觀測資料反演分析得到的壩體各分區(qū)模量系數(shù)K值分別是:主堆石區(qū)(灰?guī)r料)940(試驗值)和369(反演分析值)，下游堆石區(qū)(灰?guī)r料)720(試驗值)和269(反演分析值)，下游堆石區(qū)(砂泥巖料)500(試驗值)和246(反演分析值)。兩者相差1.9倍。

圖2 溝后壩下游壩坡出滲和流水情況示意圖Fig.2 Outward seepage zones and water running zones on downstream slope of Gouhou Dam

阿瓜密爾帕壩填筑竣工后實測的9個月壩體沉降增量等值線見圖3。從圖3可以看出下游壩體沉降明顯大于上游壩體，上游壩體向下游位移，導(dǎo)致面板發(fā)生嚴(yán)重?fù)锨?，正如實測的面板法向位移所示(見圖4)，從而面板產(chǎn)生水平狀撓曲應(yīng)力裂縫。

圖3 阿瓜密爾帕壩1993年6月26日至1994年3月23日壩體沉降增量等值線Fig.3 Isolines of settlement increment of Aguamilpa Dam from June 26，1993 to March 23，1994

圖4 阿瓜密爾帕壩第18塊面板法向位移Fig.4 Normal displacement of face slab No.18 of Aguamilpa Dam

天生橋一級壩0+438 m、0+630 m和0+918 m 3個斷面墊層區(qū)測點測得的1999年全年(或半年)的沉降增量為10～36 cm，向下游水平位移增量為4～15 cm，說明墊層區(qū)已脫開面板，面板發(fā)生嚴(yán)重?fù)锨?，?dǎo)致面板產(chǎn)生數(shù)千條水平狀撓曲應(yīng)力裂縫。

從兩座高混凝土面板堆石壩的性狀分析可以看出:以往經(jīng)驗設(shè)計的觀點——“絕大部分水荷載是通過壩軸線以上壩體傳到地基中去的?！掠味咽w對面板變形的影響則愈小，故壩料的變形模量可以從上游到下游遞減”是不全面的，這也是造成墊層裂縫、面板脫空和面板裂縫的原因。為此筆者提出壩體分區(qū)設(shè)計必須遵循變形協(xié)調(diào)原則，要做到壩體各區(qū)的變形協(xié)調(diào)以及壩體變形與面板變形之間的同步協(xié)調(diào)［8］。

圖1為J.B.Cooke提出的高244 m的混凝土面板堆石壩分區(qū)，從上游到下游壩體各區(qū)的筑壩材料、填筑層厚和變形模量的要求是越來越低，第5區(qū)(下游底部堆石區(qū))甚至可以采用拋填堆石［1］。假若他分析了20世紀(jì)90年代后建造的高混凝土面板堆石壩產(chǎn)生墊層裂縫、面板脫空和面板裂縫的原因，他也會認(rèn)為以前提出的高壩壩體分區(qū)是不合理的。

2)壩體變形對面板的作用是導(dǎo)致河谷中央垂直縫兩側(cè)面板混凝土擠壓破壞的主要原因。堆石壩體某點的變形取決于該點代表的可變形壩體的幾何尺寸和變形特性及其該點上作用的荷載——上覆壩體自重和面板傳遞來的水荷載。因此在填筑施工期壩體在壩軸線方向的變形是朝著河谷中央;蓄水期在水荷載作用下、壩體朝著河谷中央壩軸線方向的變形繼續(xù)增加。

面板是位于壩體上一塊剛度高幾個數(shù)量級的混凝土板，壩體朝著河谷中央的變形(莫海爾壩實測壩頂朝向河谷中央的位移達(dá)100 mm)，必然在兩者之間的接觸面產(chǎn)生相當(dāng)大的朝著河谷中央的摩擦力，從而使得靠近兩岸壩肩面板的壩軸向方向應(yīng)力為拉應(yīng)力、而河谷中央面板的壩軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力，莫海爾壩實測擠壓破壞區(qū)面板壓應(yīng)變650×10－6，壓應(yīng)力24 MPa，當(dāng)壓應(yīng)力超過面板混凝土的強度(C25和C30混凝土抗壓強度是17 MPa和20 MPa)，則使其破壞。因此壩體變形對面板的作用是導(dǎo)致河谷中央垂直縫兩側(cè)面板混凝土擠壓破壞的主要原因。

3)面板擠壓破壞、面板裂縫、墊層料沖蝕甚至面板坍塌以及接縫止水損壞是導(dǎo)致嚴(yán)重滲漏的主要原因。采用J.L.Shrard建議的經(jīng)驗級配墊層料、單純依靠在面板上鋪撒粉質(zhì)砂土，期望著用淤堵方法來根本解決滲漏問題幾乎不成功，滲流作用下經(jīng)驗設(shè)計墊層料并非都是穩(wěn)定，而且不能完全自愈。

4)庫水進入壩體，壩體浸潤線抬高，砂礫石壩體飽和、產(chǎn)生濕陷變形并且抗剪強度降低，壩頂部分壩體失去穩(wěn)定，最終導(dǎo)致溝后面板砂礫石壩潰決。潰壩后在筑壩材料的強度與滲流試驗的基礎(chǔ)上，下游壩坡穩(wěn)定性可靠度分析表明:在下游壩坡滲流出逸點在3243 m高程時失穩(wěn)概率接近100%;當(dāng)滲流量大于0.4 m3/s時失穩(wěn)概率接近100%。這說明在較嚴(yán)重的滲流作用下堆石壩體或砂礫石壩體可能失去穩(wěn)定。

4 高混凝土面板堆石壩設(shè)計新理念

綜上所述可以看出，數(shù)十年積累形成的混凝土面板堆石壩的經(jīng)驗設(shè)計及其觀念是不全面的，導(dǎo)致面板裂縫、混凝土擠壓破壞、接縫止水損壞、嚴(yán)重滲漏乃至潰壩等嚴(yán)重后果?；趯炷撩姘宥咽瘔涡誀畹姆治?，筆者提出了高混凝土面板堆石壩設(shè)計新理念，設(shè)計新理念包括穩(wěn)定安全設(shè)計、滲流安全設(shè)計和變形安全設(shè)計3個方面。分述如下。

4.1 穩(wěn)定安全設(shè)計

從溝后壩潰決的實例可以看出，砂礫石壩體在飽和狀態(tài)下，抗剪強度降低，會導(dǎo)致部分壩體失去穩(wěn)定。顯然“經(jīng)驗確定壩坡，不需要進行壩坡抗滑穩(wěn)定計算分析”是不合理的。筆者認(rèn)為混凝土面板堆石壩依然需要進行穩(wěn)定安全設(shè)計，穩(wěn)定安全設(shè)計包括下列內(nèi)容:

1)進行壩址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測，包括河床覆蓋層工程特性的確定，若采用趾板建在覆蓋層上的混凝土面板堆石壩，宜采用現(xiàn)場取原狀樣進行室內(nèi)試驗、現(xiàn)場進行旁壓試驗或荷載試驗進行反演分析等多種手段來確定覆蓋層的工程特性。

2)進行筑壩材料料場的勘測和試驗及建筑物開挖料的試驗，壩料試驗宜考慮縮尺效應(yīng)，宜進行壩料長期變形(流變)試驗，在地震區(qū)建壩，應(yīng)進行壩料動力特性試驗。

3)基于變形協(xié)調(diào)原則和水力過渡原則，充分利用建筑物開挖料，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，進行壩體分區(qū)設(shè)計。

4)針對不同的壩體分區(qū)設(shè)計方案，依據(jù)設(shè)計規(guī)范，進行抗滑穩(wěn)定計算分析，地震區(qū)建壩，應(yīng)進行抗震穩(wěn)定計算分析，宜采用極限平衡法與有限元法相結(jié)合的計算方法，通過計算分析來確定壩坡與壩體分區(qū)設(shè)計。猴子巖水電站和文登抽水蓄能電站上庫兩座混凝土面板堆石壩就是進行穩(wěn)定安全設(shè)計的實例。

壩高223.5 m的猴子巖混凝土面板堆石壩壩軸線下游部分覆蓋層不挖除，下游壩體3C1區(qū)采用建筑物開挖的弱風(fēng)化白云質(zhì)及變質(zhì)灰?guī)r料，經(jīng)抗滑穩(wěn)定計算分析(見圖5)，下游壩坡分別采用1∶1.5和 1∶1.6。

壩高101 m的文登抽水蓄能電站上水庫混凝土面板堆石壩，采用庫區(qū)開挖的石英二長巖料筑壩，為充分利用強風(fēng)化和全風(fēng)化料，經(jīng)抗滑穩(wěn)定計算分析(見圖6)，馬道間下游壩坡確定為1∶2.0。

圖5 猴子巖壩抗滑穩(wěn)定計算Fig.5 Calculation of stability against sliding for Houziyan Dam

圖6 文登抽水蓄能電站上水庫抗滑穩(wěn)定計算Fig.6 Calculation of stability against sliding for head reservoir of Wendeng Pumped Storage Station

4.2 滲流安全設(shè)計

無論趾板建在基巖上的面板堆石壩防滲體系(由趾板—面板—防浪墻及接縫止水組成)，還是趾板建在覆蓋層上的面板堆石壩防滲體系(由混凝土防滲墻—連接板—趾板—面板—防浪墻及接縫止水組成)，在正常情況下都相對不透水，同時硬巖堆石料的面板堆石壩的壩體為自由排水，砂礫石和軟巖堆石料的面板堆石壩設(shè)置了自由排水的L形排水體。因而混凝土面板堆石壩的滲流安全設(shè)計內(nèi)涵與土質(zhì)防滲體堆石壩的滲流安全設(shè)計不同。

混凝土面板堆石壩產(chǎn)生滲漏或嚴(yán)重滲漏甚至導(dǎo)致潰壩的主要滲漏途徑分別是接縫止水損壞和面板裂縫、擠壓破壞甚至坍塌，混凝土面板堆石壩滲漏影響到滲流變形穩(wěn)定安全和抗滑穩(wěn)定安全兩方面。因此混凝土面板堆石壩的滲流安全設(shè)計應(yīng)包括下列主要內(nèi)容。

1)減小與控制接縫位移，特別是垂直縫張開位移和周邊縫三向位移。a.優(yōu)化壩體分區(qū)設(shè)計，特別是在狹窄河谷中建壩，增大兩岸附近壩體的變形模量，減小岸坡巖體與堆石壩體之間模量差別，盡量減小因堆石壩體變形而產(chǎn)生的周邊縫位移。例如位于狹窄河谷的壩高223.5 m猴子巖壩在兩岸附近與壩體底部設(shè)置主堆石特別碾壓區(qū)，如圖7所示。b.修正趾板建基面的地形和趾板下游的地形，避免不良的地形條件引起堆石壩體的不均勻變形，從而導(dǎo)致周邊縫過大的位移。c.提高周邊縫附近特殊墊層區(qū)與墊層區(qū)的填筑標(biāo)準(zhǔn)，同時應(yīng)使得周邊縫附近的墊層區(qū)、過渡區(qū)和堆石區(qū)的填筑標(biāo)準(zhǔn)和變形模量彼此相近，避免各分區(qū)變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致面板產(chǎn)生撓曲應(yīng)力裂縫。

圖7 猴子巖混凝土面板堆石壩壩軸線剖面圖Fig.7 Longitudinal section along dam axis of Houziyan CFRD

2)減小甚至避免面板裂縫。詳見文獻［7］和變形安全設(shè)計。

3)適應(yīng)大變形的接縫止水結(jié)構(gòu)和止水材料，詳見文獻［7］。

4)墊層料內(nèi)部滲透變形穩(wěn)定的研究和設(shè)計。多座混凝土面板堆石壩墊層料被沖蝕以及用粉質(zhì)砂土淤堵的方法不能根本解決嚴(yán)重滲漏的現(xiàn)象說明目前經(jīng)驗設(shè)計確定的墊層料是不夠完善的。應(yīng)進行墊層料滲透變形試驗，仿真模擬墊層區(qū)在面板裂縫或接縫止水損壞情況下，研究在不同水頭、不同滲流速度條件下的墊層料的滲透變形特性，研究和確定滿足墊層料滲透變形穩(wěn)定要求的墊層料和過渡料的設(shè)計。

5)壩體各分區(qū)之間滲透變形穩(wěn)定的研究和設(shè)計。應(yīng)進行大尺寸的墊層料與過渡料、過渡料與堆石料之間的滲透變形試驗，仿真模擬滲流乃至止水損壞時的水流沖刷條件，研究和確定壩體各分區(qū)壩料滿足滲透變形穩(wěn)定的設(shè)計。

4.3 變形安全設(shè)計

高混凝土面板堆石壩設(shè)計新理念中最重要的是變形安全設(shè)計新理念。變形安全設(shè)計包括如下內(nèi)容。

1)壩體分區(qū)設(shè)計應(yīng)遵循4條原則:料源決定原則、水力過渡原則、開挖料利用原則和變形協(xié)調(diào)原則。重點是變形協(xié)調(diào)原則，既要做到壩體各區(qū)的變形協(xié)調(diào)，又要做到壩體變形和面板變形之間的同步協(xié)調(diào)。測定筑壩材料變形特性包括流變特性，采用合理的本構(gòu)模型和數(shù)值分析方法來比較不同分區(qū)方案的壩體變形和面板應(yīng)力變形性狀，以變形協(xié)調(diào)、改善面板工作性狀，面板不產(chǎn)生脫空和裂縫為原則來合理確定壩體分區(qū)。

2)針對不同地形地質(zhì)條件采用新的壩體分區(qū)設(shè)計。猴子巖面板堆石壩是一實例。建在傾斜地形條件的宜興抽水蓄能電站上庫面板堆石混合壩又是一例，為了增加壩體抗滑穩(wěn)定性、減小對壩趾高擋墻的土壓力，并改善427 m高程以上壩體和面板的工作條件，提高了427 m高程以下壩體變形模量，提高其填筑標(biāo)準(zhǔn)，稱為增模區(qū)(見圖8)。

圖8 宜興抽水蓄能電站上庫混凝土面板堆石混合壩的0+381.02 m斷面Fig.8 0+381.02 m cross section of dam for head reservoir of Yixing Pumped Storage Station

3)適當(dāng)提高下游堆石區(qū)的填筑標(biāo)準(zhǔn)，即使下游堆石料或建筑物開挖料的巖性、風(fēng)化程度和顆粒級配較差，提高其填筑標(biāo)準(zhǔn)，使壩體各區(qū)的變形模量相近，達(dá)到壩體變形協(xié)調(diào)，避免或減小面板脫空和裂縫。三板溪壩主堆石區(qū)的垂直壓縮模量110～120 MPa，下游堆石區(qū)80～90 MPa，沒有出現(xiàn)面板脫空和撓曲應(yīng)力裂縫。

4)合理確定在縱剖面和橫剖面上壩體填筑形象進度，合理組織筑壩材料開挖、儲存和填筑，盡量做到壩體填筑全斷面均衡上升，在施工期壩體變形協(xié)調(diào)，墊層區(qū)不產(chǎn)生裂縫。

5)合理確定面板分期澆筑時間以及面板澆筑時已填筑壩體頂面與該期面板頂面之間的高差，在測定筑壩材料流變特性的基礎(chǔ)上采用數(shù)值計算方法分析不同澆筑時間和不同高差情況下堆石壩體與面板的應(yīng)力變形性狀，優(yōu)化面板澆筑施工設(shè)計，使堆石壩體變形與面板變形同步協(xié)調(diào)，不產(chǎn)生面板脫空和撓曲應(yīng)力裂縫。

6)減小堆石壩體在壩軸線方向的位移，減小面板與墊層之間的約束，從而減小堆石壩體向河谷中央的變形產(chǎn)生的對面板的摩擦力，以改善面板應(yīng)力狀態(tài)。減小兩岸壩肩附近面板的拉應(yīng)力以及河谷中央面板的壓應(yīng)力，避免兩岸壩肩附近面板產(chǎn)生拉裂縫以及河谷中央面板擠壓破壞。使得堆石壩體與面板在壩軸線方向的變形協(xié)調(diào)方法包括:提高堆石壩體的變形模量，特別是上半部分的壩體的變形模量，圖7所示的猴子巖壩在頂部1/4壩體采用主堆石特別碾壓區(qū)3BB，除了提高該壩抗震能力以外，也是為了堆石壩體與面板在壩軸線方向變形協(xié)調(diào)，避免面板拉裂縫和擠壓破壞的設(shè)計措施。

5 結(jié)語

水電是可再生的清潔能源，我國水電資源的蘊藏量居世界第一，但是已開發(fā)的僅占總量的20%，2020年我國水電裝機容量將達(dá)到3.8億kW，在我國西部金沙江、瀾滄江、雅礱江、大渡河、怒江和黃河(上游)等河流有許多地方適宜建設(shè)水電站，若選用混凝土壩，在地勢險要、交通閉塞的西部地區(qū)，道路建設(shè)困難、建筑材料運輸成本很高;若選用土質(zhì)防滲體堆石壩，征用深山峽谷本已少有的耕地，對于當(dāng)?shù)孛裆铜h(huán)境會造成嚴(yán)重影響，因此混凝土面板堆石壩往往成為最有競爭力的壩型。我國壩工界專家為建設(shè)300 m級高混凝土面板堆石壩提出了許多真知灼見［11～14］。筆者在系統(tǒng)地分析了混凝土面板堆石壩40多年經(jīng)驗設(shè)計的成功及其不完全性的基礎(chǔ)上，指出簡單地采用經(jīng)驗設(shè)計的方法是不夠的，提出了高混凝土面板堆石壩設(shè)計新理念，即針對壩址的地形地質(zhì)條件與料源情況進行穩(wěn)定安全設(shè)計、滲流安全設(shè)計和變形安全設(shè)計，強調(diào)了變形協(xié)調(diào)原則的重要性，闡述了穩(wěn)定、滲流和變形安全設(shè)計的原則和要點。期望我國水利水電行業(yè)共同努力，沿著實踐—認(rèn)識—再實踐的道路，在不遠(yuǎn)的將來完成一批高壩和超高壩建設(shè)的同時，形成我國自己的高混凝土面板堆石壩的設(shè)計理論。

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New concept of design for high concrete face rockfill dams

Li Nenghui

(Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China)

Based on analysis of experimential design for concrete face rockfill dams and its imperfection，a new design concept of high concrete face rockfill dams which includes stability safety design，seepage safety design and deformation safety design in accordance with different topographical and geological condition and construction materials was put forward here.Moreorer，the importance of deformation har monization principle was emphasized The principle and main points of stability safety design，seepage safety design and deformation safety design was also presented here.

concrete face rockfill dam;design concept;stability safety;seepage safety;deformation safety

TV641.43

A

1009－1742(2011)03－0012－07

2009－12－31

中國水電顧問集團公司科技項目(CHC－KJ－2006－09)

酈能惠(1940—)，男，浙江諸暨市人，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事水工結(jié)構(gòu)和巖土力學(xué)的研究工作;E － mail:nhli@nhri.cn