曹克明，徐建軍

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

目前，超高面板壩普遍出現(xiàn)面板擠壓、拉伸、彎曲等各種形式的破壞。強(qiáng)烈的擠壓破壞可以將一條面板擠到另一條的上方，產(chǎn)生10 m3/s以上的漏水量，已經(jīng)成為超高面板壩發(fā)展的最大障礙。這些現(xiàn)象都說(shuō)明現(xiàn)有設(shè)計(jì)原則已不適應(yīng)超高面板壩，需另行建立超高面板壩設(shè)計(jì)原則。

超高面板壩堆石設(shè)計(jì)原則主要包括以下方面：①主堆石壓縮模量值，應(yīng)能控制面板撓度達(dá)到避免面板擠壓破壞的目的；②主堆石區(qū)寬度，應(yīng)能控制面板撓度并避免堆石上游面產(chǎn)生拉伸變形，以達(dá)到避免面板出現(xiàn)水平拉伸變形的目的；③次堆石與主堆石壓縮模量比，應(yīng)能避免堆石上游面產(chǎn)生拉應(yīng)變，以達(dá)到避免面板出現(xiàn)水平拉伸裂縫的目的；④水庫(kù)蓄水計(jì)劃的制定，需在上部墊層料拉伸變形停止后再讓水位上升，以達(dá)到避免面板產(chǎn)生水平拉伸變形的目的；⑤設(shè)置面板澆筑前的預(yù)沉降時(shí)間，以達(dá)到避免面板出現(xiàn)水平彎曲裂縫的目的；⑥分區(qū)堆石顆粒級(jí)配，應(yīng)達(dá)到壩體滲流控制的目的；⑦面板的設(shè)計(jì)，應(yīng)達(dá)到提高面板抗擠壓破壞能力的目的。以下按上述七大分項(xiàng)進(jìn)行討論。

1 主堆石的壓縮模量值

觀測(cè)資料表明，河谷部分面板處于受壓狀態(tài)，其壓應(yīng)變與壩高的平方成正比，與堆石壓縮模量成反比，超高面板壩面板發(fā)生擠壓破壞是可能的。塞沙納壩設(shè)計(jì)者認(rèn)為，一旦面板壓應(yīng)變達(dá)到混凝土長(zhǎng)期負(fù)載作用下極限壓應(yīng)變就會(huì)產(chǎn)生擠壓破壞，并認(rèn)為其值可取為3 000×10-6。阿瓜米爾帕壩設(shè)計(jì)者認(rèn)為，如果187 m高的阿瓜密爾帕壩采用壩址花崗巖壩料，其堆石壓縮模量與阿里埃壩相同，為47.5 MPa，根據(jù)阿里埃壩實(shí)測(cè)水平壓應(yīng)變665×10-6推測(cè)的阿瓜密爾帕壩面板壓應(yīng)變將為908×10-6。他們認(rèn)為此值已接近混凝土的瞬時(shí)荷載極限壓應(yīng)變1 000×10-6，有可能產(chǎn)生面板擠壓破壞。阿瓜密爾帕壩最后決定采用礫石壩料，其實(shí)測(cè)的壓縮模量為260 MPa，沒(méi)有發(fā)生面板擠壓破壞?，F(xiàn)在已能從天生橋一級(jí)壩面板沿垂直縫發(fā)生擠壓破壞前實(shí)測(cè)的水平壓應(yīng)變，取面板臨界壓應(yīng)變值為900×10-6了。面板壓應(yīng)變計(jì)一般布置于板條中央，不能代表發(fā)生擠壓破壞的垂直縫處的實(shí)際壓應(yīng)變。垂直縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其壓應(yīng)變比板條中央的實(shí)測(cè)值要大。為了布置頂部帶 “V”形槽的塑性止水、底部 “W”形銅止水等，天生橋一級(jí)壩垂直壓性縫處面板厚度被減小了13 cm，此外垂直縫還破壞了面板結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓性垂直縫成為面板結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)。面板厚度一般頂部采用30 cm，底部按允許水力梯度200決定，并采用漸變方式，因此頂部面板應(yīng)力集中現(xiàn)象最為嚴(yán)重，擠壓破壞首先發(fā)生于頂部。

面板的撓度也和壓應(yīng)變一樣，與壩高的平方成正比，與堆石壓縮模量成反比，因此可以通過(guò)控制面板撓度達(dá)到控制面板壓應(yīng)變的目的。面板壓應(yīng)變還隨面板撓度的增加而增加，因此應(yīng)控制面板穩(wěn)定撓度小于臨界撓度（發(fā)生擠壓破壞時(shí)的撓度）。2000年10月9日天生橋一級(jí)壩水庫(kù)第一次蓄水至正常蓄水位，2003年7月17日面板才發(fā)生擠壓破壞。蓄水初期塞沙納壩面板壓應(yīng)變?yōu)?90×10-6，以后也隨撓度的增加而增加，10年后壓應(yīng)變發(fā)展為400×10-6。

文獻(xiàn)[7]、[8]中已根據(jù)10個(gè)工程的實(shí)測(cè)資料，提出了穩(wěn)定撓度、臨界撓度、控制穩(wěn)定撓度小于臨界撓度的臨界堆石壓縮模量（發(fā)生擠壓破壞時(shí)的壓縮模量）等的有關(guān)半經(jīng)驗(yàn)公式。這次筆者補(bǔ)充了我國(guó)新近建成的6座壩的資料（見(jiàn)表1）。這些資料都說(shuō)明這些經(jīng)驗(yàn)公式能夠反映實(shí)際情況，是可行的。此外，堆石臨界壓縮模量也可以根據(jù)表列工程資料采用工程類比法確定。

面板長(zhǎng)期穩(wěn)定撓度Δn計(jì)算見(jiàn)式（1），臨界撓度Δcr計(jì)算見(jiàn)式（2），臨界堆石壓縮模量（Erc）cr計(jì)算見(jiàn)式（3），容許堆石壓縮模量值 [Erc]計(jì)算見(jiàn)式（4）。

式中，H為壩高，m；Erc為蓄水前的主堆石壓縮模量，MPa，并要求采用無(wú)拱效應(yīng)的成果；X為河谷系數(shù)，X=A/H2，A為面板面積，m2。

面板臨界撓度與河谷系數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。圖1中的各點(diǎn)為表1所列各工程根據(jù)式（1）計(jì)算得到的穩(wěn)定撓度。

圖1及表1表明，肯柏諾沃、巴拉格蘭德、天生橋一級(jí)3座壩的計(jì)算穩(wěn)定撓度均超過(guò)臨界撓度，因此都發(fā)生了面板擠壓破壞。在滿足小于臨界撓度要求的工程中，辛戈壩的安全系數(shù)略低于1.1，說(shuō)明安全系數(shù)采用1.1也屬可行。默霍爾壩安全系數(shù)計(jì)算值為1.17，但仍發(fā)生了面板沿垂直縫的擠壓破壞，分析認(rèn)為是壓性垂直縫缺少擠壓鋼筋和擠壓墻未涂瀝青所致。巴拉格蘭德壩發(fā)生面板擠壓破壞時(shí)的實(shí)測(cè)撓度為786 mm，與圖1中的臨界撓度相符。水布埡壩安全系數(shù)偏低，是最新發(fā)生一些輕微擠壓破壞現(xiàn)象的原因。

表1 混凝土面板堆石壩面板擠壓破壞可能性評(píng)價(jià)

圖1 面板臨界撓度與河谷系數(shù)關(guān)系曲線

表1中我國(guó)新近建成的6座壩采用的碾壓參數(shù)基本為：壓實(shí)層厚80 cm，加水15%（體積），25 t自行式振動(dòng)碾碾壓8遍，其功能較大，因此堆石壓縮模量都較大，這是這些工程能避免擠壓破壞的根本原因。這些工程中，水布埡、洪家渡、紫坪鋪壩都為石灰?guī)r壩料，三板溪壩為凝灰質(zhì)砂巖，灘坑壩為火山集塊巖，都屬于飽和抗壓強(qiáng)度大于50 MPa的硬巖。董箐壩為飽和抗壓強(qiáng)度為23 MPa的軟巖，雖然孔隙率最低，為17.38%，但壓縮模量?jī)H為55 MPa。由此可知，硬巖碾壓堆石壓縮模量較大，其中紫坪鋪壩堆石壓縮模量最大為180 MPa，其孔隙率為18%，是這些硬巖堆石中孔隙率最低的。

2 主堆石區(qū)寬度

壩頂部位壩體寬度有限，為方便施工，一般只設(shè)主堆石區(qū)，離壩頂約30 m以下才開始分成主、次兩個(gè)堆石區(qū)。分界線頂點(diǎn)一般位于壩軸線處，也有偏下游的。這樣從頂點(diǎn)開始的傾向上游或下游的直線，將堆石分成主堆石區(qū)與次堆石區(qū)。

水壓力產(chǎn)生的面板撓度與主堆石區(qū)寬度和次堆石與主堆石壓縮模量比有關(guān)。根據(jù)工程資料[8]，當(dāng)模量比為0.5時(shí)，分界線可以設(shè)在壩軸線處，再增加堆石寬度不能減小面板撓度，因此認(rèn)為已達(dá)到 “撓度最小”的要求。此外，分界線1∶0.5傾上游的方案，在模量比為0.5時(shí)撓度會(huì)增加9%，模量比為0.7時(shí)撓度會(huì)增加3%。因此，采用此方案時(shí)，需相應(yīng)增加主堆石壓縮模量，以保持相同的撓度。

分界線在壩軸線處時(shí)，壩體存在自重作用下主、次堆石產(chǎn)生沉降差的問(wèn)題，其差值隨壩高的增加而加大，因此超高壩的堆石頂部上游面可能出現(xiàn)拉伸變形，產(chǎn)生拉伸裂縫，面板頂部可能出現(xiàn)水平拉伸裂縫。根據(jù)工程資料[8]，178 m高的天生橋一級(jí)壩的墊層料出現(xiàn)了水平拉伸裂縫，187 m高的阿瓜密爾帕壩面板出現(xiàn)了水平拉伸裂縫。兩座壩主次堆石區(qū)分界線頂部均在壩軸線處，模量比均為0.5。148 m高的薩爾瓦欣納壩沒(méi)有出現(xiàn)這些問(wèn)題，其分界線為1∶0.5傾下游，模量比為0.2。因此，加寬主堆石區(qū)寬度可以避免拉伸裂縫的產(chǎn)生，超高面板堆石壩主次堆石分界線采用1∶0.5傾下游也是合適的。

3 堆石壓縮模量比

當(dāng)分界線選擇在壩軸線處時(shí)，也可以通過(guò)控制次堆石與主堆石壓縮模量比達(dá)到使墊層料不出現(xiàn)拉伸裂縫的目的。

天生橋一級(jí)壩壩高178 m，主堆石區(qū)灰?guī)r堆石壓縮模量為45 MPa，次堆石區(qū)泥巖堆石壓縮模量為22 MPa，模量比為0.49。阿瓜密爾帕壩壩高187 m，堆石分成主堆石（碾壓礫石）、過(guò)渡堆石、次堆石3個(gè)區(qū)。主堆石區(qū)與過(guò)渡區(qū)分界線為壩軸線，過(guò)渡區(qū)與次堆石區(qū)分界線1∶0.5傾下游。主堆石壓縮模量為260 MPa，過(guò)渡區(qū)堆石壓縮模量為130 MPa，下游堆石壓縮模量為50 MPa。過(guò)渡區(qū)堆石與主堆石的壓縮模量比為0.5，下游堆石與過(guò)渡區(qū)堆石的壓縮模量比為0.38。辛戈壩壩高151 m，主次堆石區(qū)分界線1∶0.2傾上游，但頂點(diǎn)偏下游，分界線平均位置在壩軸線處。主堆石壓縮模量為32 MPa，次堆石壓縮模量為20 MPa，模量比為0.63。

天生橋一級(jí)壩與阿瓜密爾帕壩的主次堆石區(qū)分界線都在壩軸線處，其模量比都約為0.5，天生橋一級(jí)壩墊層料發(fā)生了拉伸裂縫，阿瓜密爾帕壩面板也發(fā)生了拉伸裂縫，但是模量比為0.63的辛戈壩未發(fā)生這些現(xiàn)象。按工程資料分析，模量比不小于0.65是合適的。

4 蓄水計(jì)劃

天生橋一級(jí)壩雖然墊層料出現(xiàn)裂縫，但面板未產(chǎn)生裂縫，這是得益于該工程的水庫(kù)蓄水計(jì)劃。雖然1998年就開始發(fā)電，但是水庫(kù)在2000年才蓄滿。在水位到達(dá)墊層料開裂區(qū)前，墊層料已停止拉伸。這樣就沒(méi)有水壓力去發(fā)揮面板與墊層間的摩擦力，因此避免了面板拉伸裂縫的出現(xiàn)[7，9，11]。 現(xiàn)將其情況簡(jiǎn)介于后，以供參考。

天生橋一級(jí)大壩頂部堆石上游面墊層料拉應(yīng)變發(fā)展的過(guò)程見(jiàn)圖2。裂縫發(fā)生在768～746 m高程（臨時(shí)壩頂、面板頂?shù)母叱潭紴?88 m），在758、725 m高程觀測(cè)點(diǎn)之間。因此，可以從觀測(cè)點(diǎn)的下游向水平位移和沉降觀測(cè)值，計(jì)算坡向位移（見(jiàn)圖2）。裂縫發(fā)生在1988年12月10日～1999年1月10日，而1999年5月1日才開始觀測(cè)，1999年3月29日壩體填筑至臨時(shí)壩頂，因此觀測(cè)到的坡向位移是由徐變產(chǎn)生的，并且僅為其一部分。從圖2可知，725 m高程處下坡位移在1999年10月才停止發(fā)展，而785 m高程處上坡位移于2000年7月停止，2000年7月前水庫(kù)處于低水位運(yùn)行。

圖2 天生橋一級(jí)壩最大斷面1999年5月1日后堆石上游面順坡向徐變位移

5 設(shè)置堆石預(yù)沉降時(shí)間

天生橋一級(jí)壩第三期面板蓄水前在距面板頂部約20 m處發(fā)生了613條水平彎曲裂縫。阿瓜密爾帕壩在運(yùn)行初期也在面板頂部發(fā)現(xiàn)裂縫。這些裂縫都是徐變?cè)斐傻腫6，8，11]。

實(shí)測(cè)資料表明，壩頂徐變沉降量與壩高成正比，是歷時(shí)的對(duì)數(shù)函數(shù)。因此，超高面板壩容易發(fā)生水平彎曲裂縫，主要發(fā)生在初期，在面板澆筑前設(shè)置堆石預(yù)沉降時(shí)間可得以避免。

天生橋一級(jí)壩的壩頂堆石法向徐變曲線，及其相應(yīng)的壩頂面板撓度變化曲線見(jiàn)圖3[6，8，11]。天生橋一級(jí)壩三期面板（最后一期）于1999年5月完成澆筑，其最大斷面處的R1面板于同年5月9日開始觀測(cè)。圖中2號(hào)曲線為R1面板頂部M7測(cè)點(diǎn)的撓度觀測(cè)成果，1號(hào)曲線為M8測(cè)點(diǎn)法向位移觀測(cè)成果。M8測(cè)點(diǎn)位于M7測(cè)點(diǎn)下游的墊層料上，兩測(cè)點(diǎn)距離很近。M7為永久觀測(cè)點(diǎn)。M8為施工期觀測(cè)點(diǎn)，防浪墻施工一開始就不能觀測(cè)，只觀測(cè)了8.8個(gè)月。M8觀測(cè)到法向位移為111 cm，約占總徐變量的90%，該時(shí)面板撓度為96 cm，面板已脫空15 cm。觀測(cè)歷時(shí)1.7個(gè)月時(shí)面板撓度為45 cm，檢查發(fā)現(xiàn)有水平裂縫約297條，歷時(shí)8.8個(gè)月時(shí)發(fā)展成613條。在進(jìn)行砂漿回填處理后，面板裂縫才停止發(fā)展。徐變?cè)斐闪嗣姘屙敳棵摽?、懸臂，因此產(chǎn)生了彎曲裂縫。

總之，為了防止徐變?cè)斐擅姘宓乃綇澢芽p，超高面板壩設(shè)計(jì)原則中需增加 “面板澆筑前設(shè)置足夠長(zhǎng)的堆石預(yù)沉降時(shí)間”的內(nèi)容。我國(guó)目前采用的預(yù)沉降時(shí)間一般為3～6個(gè)月，以沉降率5 mm/月為準(zhǔn)。

6 分區(qū)堆石顆粒級(jí)配

圖3 天生橋一級(jí)壩最大斷面面板頂部撓度及堆石上游面法向位移曲線

目前面板壩滲流控制設(shè)計(jì)已比較成熟，我國(guó)超高面板壩的滲控設(shè)計(jì)中，都要求墊層料起第二道防滲線的作用，過(guò)渡料對(duì)墊層料的反濾作用，要求嚴(yán)格控制過(guò)渡料和其下游堆石中的細(xì)料、細(xì)粒含量，以免其流失增加堆石的變形。天生橋一級(jí)壩在面板發(fā)生擠壓破壞后漏水量未顯著增加，說(shuō)明我國(guó)堆石壩滲流控制設(shè)計(jì)是成功的。

超高面板壩的墊層料還可以采用更為保守的級(jí)配，以便減小料物施工分離，使其具有更均勻的、較低的滲透系數(shù)。建議墊層料中粒徑小于5 mm的顆粒含量為35%～50%，粒徑小于0.75 mm的顆粒含量為5%～8%。為防止細(xì)料流失造成堆石變形的增加，建議過(guò)渡料及其下游堆石粒徑小于5 mm的顆粒含量不超過(guò)20%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不超過(guò)5%。當(dāng)過(guò)渡料下游堆石不滿足此要求時(shí)，可將過(guò)渡料設(shè)計(jì)成過(guò)渡排水料，采用含細(xì)料量小的級(jí)配。

7 面板設(shè)計(jì)

面板宜按受力特點(diǎn)分成兩岸拉性區(qū)、河谷弱擠壓區(qū)和河谷強(qiáng)擠壓區(qū)。拉性區(qū)、弱擠壓區(qū)面板仍可沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。其面板頂部厚度采用0.3 m，底部厚度按水力梯度不超過(guò)200確定，面板厚度變化采用漸變方式，垂直縫采用硬平縫形式等。提高面板抗擠壓能力的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在強(qiáng)擠壓區(qū)。

強(qiáng)擠壓區(qū)設(shè)計(jì)改進(jìn)應(yīng)包括以下內(nèi)容：①增加面板厚度，以減小面板壓應(yīng)變水平；②改進(jìn)垂直縫止水結(jié)構(gòu)，避免斷面削弱過(guò)大；③改用可壓縮垂直縫；④設(shè)置和改進(jìn)垂直縫擠壓鋼筋；⑤采用擠壓墻墊層料護(hù)面時(shí)，其表面需采用瀝青處理；⑥提高分期面板頂部堆石超高；⑦分期面板水平施工縫采用全斷面垂直于面板平面的體形；⑧除初期攔洪斷面外，其余堆石均采取均勻上升的方式施工。

8 結(jié)論

設(shè)計(jì)原則制定難，實(shí)現(xiàn)更難。其中最難實(shí)現(xiàn)的是主堆石壓縮模量值，尤其當(dāng)要求的壓縮模量值超過(guò)200 MPa時(shí)。我國(guó)近期修建的超高面板壩的硬巖堆石壓縮模量值僅為120～180 MPa。這些硬巖堆石施工采用的重型振動(dòng)碾的靜輪壓已達(dá)到79.2 kN/m，碾壓遍數(shù)達(dá)到8～10遍，已接近極限。加水量15%（體積）也已足夠。要進(jìn)一步提高壓縮模量，需進(jìn)一步改善級(jí)配，以進(jìn)一步較減小孔隙率。級(jí)配主要受控于巖石節(jié)理情況，當(dāng)節(jié)理?xiàng)l件不具備時(shí)只能依靠爆破技術(shù)改善級(jí)配。提高堆石壓縮模量的另一個(gè)途徑是采用更薄的層厚以進(jìn)一步增加碾壓功能。宜興抽水蓄能電站上庫(kù)壩建于斜坡上，為避免過(guò)大的不均勻沉降，位于傾斜壩基部位的堆石改為增密區(qū)。增密區(qū)堆石層厚采用60 cm，碾壓堆石的平均孔隙率可達(dá)到16.2%，而原80 cm層厚堆石的孔隙率為19.8%。其壩料也采用飽和抗壓強(qiáng)度為83～54 MPa的硬巖，系工程開挖料。總之，可以通過(guò)改善級(jí)配、減小層厚，進(jìn)一步提高碾壓堆石的壓縮模量，以滿足工程需要。此外，根據(jù)董箐壩的工程經(jīng)驗(yàn)，采用沖碾施工也有利于孔隙率的降低。

堆石壓縮模量是評(píng)價(jià)堆石質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，也是超高面板壩成敗之關(guān)鍵，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇最優(yōu)方案，以最經(jīng)濟(jì)的方式確保所需的模量值，是至關(guān)重要的。

［1］馬洪琪，曹克明.超高面板壩的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2007（11）:4-10.

［2］楊澤艷，周建平，蔣國(guó)澄，等.混凝土面板壩的發(fā)展［J］.水力發(fā)電，2011，37（2）:18-23.

［3］Fitzpatrick M D,Cole B A,Kinstler F L,et al.The Design of Concrete Faced Rockfill Dams［M］//ASCE Symposium on Concrete Face Rockfill Dams.Detroit,1985:410-434.

［4］Sherard J L,Cooke J B.Concrete-Face Rockfill Dam:I.Assessment［J］.Journal of Geotechnical Engineering,1987,113(10):1096-1112.

［5］Cooke J B,Sherard J L.Concrete-Face Rockfill Dam:II.Design［M］.Journal of Geotechnical Engineering,1987,113(10):1113-1132.

［6］Montanez-Cartaxo L E,Hacelas J E,Castro-Abonce J.Design of Aguamilpa dam［C］//Proceedings of International Symposium on High Earth-Rockfill Dams.Beijing:Chinese Society for Hydro-electric Engineering,1993:337-364.

［7］曹克明，汪易森，徐建軍，等.混凝土面板堆石壩［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［8］曹克明，徐建軍.超高面板壩臨界撓度探討和設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.水力發(fā)電，2008，34（11):98-102

［9］曹克明，汪易森，張宗亮.高混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)與施工［J］.水力發(fā)電，2001，27（10）:49-52

［10］Fitzpatrick M D,Liggins T B,Barnett R H W.Ten Years Surveillance of Cethana dam ［M］//Fourteenth International Congress on Large Dams:Q.52-R.51.Rio de Janeiro:ICOLD,1982:847-865.

［11］Cao Keming,Zhang Zhongliang.Performance of the Tianshengqiao 1 CFRD［J］.The International Hydropower&Dams,2001,8(5):76-83.