池 侖

(甘肅省張掖市民樂縣海潮壩河水利管理處，甘肅 張掖 734500)

0 引言

近幾十年來，面板堆石壩世界范圍得到廣泛的應用，在我國也得到了一定的發(fā)展[1-2]，這是因為它們比心墻土壩具有很多的優(yōu)勢(例如成本效益和較高的適用性)。然而，面板堆石壩的設計在很大程度上仍然是經驗性的，很大程度上依賴于過去的經驗。

因此很多研究者根據施工期間和首次蓄水時堆石壩的變形特性[3]，開發(fā)響應的模量，用于評估堆石的變形特性。Hunter等人[4]利用包含35個面板堆石壩的案例研究數據庫，收集了質量監(jiān)控記錄和建筑材料數據，根據顆粒尺寸、巖石的抗壓強度、壓實效應、形狀效應和施加的垂直應力，估算大壩中壓實堆石的模量，以預測施工期間的內部垂直位移和首次灌水時的面板變形。馬洪琪[5]根據類似壩體的歷史變形曲線，提出了工后變形的經驗預測方法。Clements[6]探索了經驗公式能否準確評估68座面板堆石壩的施工后壩頂沉降和變形。結果表明基于位移與高度或時間的簡單關系的經驗方程可能容易產生大的誤差。毛漸等人[7]比較了由傾倒堆石和壓實堆石組成的面板堆石壩的施工后壩頂沉降，發(fā)現傾倒堆石壩的壩頂沉降比壓實堆石壩在3～30 a內的壩頂沉降大5～8倍。高照良等人[8]預計，高度為100 m的壓實混凝土面板堆石壩的壩頂沉降一般在5 a內約為10～15 cm，100 a內約為15～25 cm。根據岑威鈞的分析[9]，與壓實的堆石相比，傾倒的堆石明顯有更大的頂部沉降；中高強度填石的長期壩頂沉降速率(對數標度)與路堤高度的增加成正比，但對于壓實的超高強度堆石，路堤高度的影響可能不那么顯著。

但是面板堆石壩對長期變形和首次蓄水的變形的響應機制仍然是不明確的，本文利用面板堆石壩的實例數據來比較長期的施工后壩頂沉降和水庫首次蓄水時的壩頂沉降，分析了長期變形與首次蓄水時面板變形的關系以及垂直于面板變形與壩頂沉降關系，最后探討了壩高對滲漏量的影響關系。

1 混凝土面板堆石壩簡介

圖1顯示了面板堆石壩的典型分區(qū)[10]。如圖所示。面板堆石壩主要有三個區(qū)域:(1)混凝土面板，不透水的上游鋪蓋；(2)混凝土板正下方的墊層區(qū)和過渡區(qū)；(3)堆石區(qū)。壓實的不透水鋪蓋(1區(qū))對于防御、密封裂縫或接縫開口是必要的。每層中上游比下游的區(qū)域應采用更小尺寸的巖石。3B區(qū)和2區(qū)的最大巖石尺寸分別經常選用小于1 500 mm和150 mm的巖石。

圖1 面板堆石壩的典型分區(qū)

2 混凝土面板堆石壩變形特性

2.1 壩頂沉降

為了解混凝土面板堆石壩的長期變形特性，利用Hunter提供的數據庫和其他參考文獻，對面板法向的壩頂沉降和變形、面板應變、首次蓄水和長期工后滲漏進行了比較和分析。圖2和圖3分別顯示了幾種典型的不同壩高的堆石壩的壩頂沉降情況，圖2為長期沉降(至少10 a后或總沉降)和首次蓄水(水庫的首次蓄水)時的總的施工后頂部沉降，圖3為第一次蓄水時頂部沉降與長期沉降(總沉降)的比率。堆石中使用的完整巖石強度用M (中，0～20 MPa)、High (高，20～70 MPa)和 VH (極高，70～240 MPa)表示。

圖2 第一次蓄水和至少10 a后的施工后頂部沉降

圖3 第一次蓄水時的頂部沉降與長期沉降之比

如圖2所示，長期壩頂總沉降與壩體高度的比值通常低于0.3%。而且，超高強度堆石壩的長期頂后沉降量僅為壩高的0.1%～0.2%，中高完整堆石路堤的長期頂后沉降量為壩高的0.1%～0.45%。一般而言碾壓混凝土面板堆石壩的壩頂沉降范圍為壩高的0%～0.25%。因此，施工后壩頂沉降范圍在使用超高強度石料的情況下顯示出良好沉降特性，但在使用中高完整強度堆石的情況下，有低估壩頂沉降的趨勢。圖3顯示，在第一次蓄水期間，約有10%-40%的長期壩頂沉降發(fā)生，而且?guī)r石硬度越高，首次注水發(fā)生沉降的占比越低，有利于預防壩頂沉降。圖4顯示了第一次蓄水效果的典型示例。首次蓄水的影響與時效性變形對壩頂沉降從另一方面驗證了圖3中得到的結論。一年以后發(fā)生的變形認為是時效性變形，可以明顯發(fā)現大部分的壩頂變形都發(fā)生在第一次蓄水期間，十年發(fā)生時效性形變僅占總沉降的三分之一左右。

圖4 第一次蓄水效果的典型示例

2.2 面板法向變形

圖5和圖6顯示了長期(施工后至少10 a以上)及首次蓄水時混凝土面板的法向變形。與施工后壩頂沉降一樣，對于由中高強度完整堆石建造的大壩，垂直于面板的總變形量略大于VH強度堆石的變形量，并且這可能和大壩的高度不成比例。垂直于面板的總的長期變形的大約80%發(fā)生在第一次蓄水期間。這意味著大部分變形發(fā)生在第一次蓄水期間，并且它受到水載荷的顯著影響，而不是頂部沉降。它可能會導致混凝土面板出現裂縫，因為大多數與面板垂直的變形都發(fā)生在第一次蓄水期間。

圖5 第一次蓄水時和至少10 a后發(fā)生的面板法向變形

圖6 第一次蓄水時面板法向變形與長期變形之比

圖7顯示了水庫蓄水后的典型壩頂變形。 圖中的壩頂沉降最大值和面板撓度最大值發(fā)生年限并不相同，壩頂的大致發(fā)生在3 a就趨于平緩，而面板撓度在第一年內劇增，隨后會緩慢增加。堆石體對水荷載的反應相當快，變形隨時間的演變因蓄水歷史而發(fā)展緩慢。面板的變形速度會在3 a有一個小的增加然后在3.5 a又趨于平緩。

圖7 水庫蓄水后的典型壩頂變形

圖8顯示了大壩高度與總的長期壩頂沉降和垂直于面板的變形的關系。壩頂沉降和垂直于面板的變形基本相似，均小于壩高的0.5%。特別是壩高小于100 m時，壩頂沉降大于面板法向變形，壩高大于100 m時，面板法向變形大于壩頂沉降。這種現象可能是由邊坡坡度引起的，混凝土面板長度隨壩高的增加而增加，這使得高壩具有更長的面板，受水壓力影響較大，受石料性能影響變小，更容易在面板位置發(fā)生形變。

圖8 長期的壩頂沉降和垂直于面板的變形

2.3 面板應變

圖9和圖10分別顯示了施工結束時的壩面應變等值線和水荷載引起的變化。在施工結束時，面板上部的順坡和水平方向上以及靠近橋臺處形成了法向張力區(qū)。 最大壓縮應變在下坡方向，等于400 mm，僅調動了混凝土抗壓強度的42%。水荷載顯著影響面板中的應變，水荷載引起的張力區(qū)在趾部、頂部附近形成。最大壓縮應變(100～380 mm)出現在面板中心附近，最大拉伸應變(25～140 mm)出現在趾部附近。水庫蓄水時面板的拉伸應變顯示在壩趾附近和壩肩附近。

圖9 施工結束時的壩面應變圖 圖10 水荷載引起的壩面應變圖

3 混凝土面板堆石壩泄露特性

混凝土面板堆石壩下游出現的滲漏與通過帶有土芯的大壩出現的滲漏具有根本不同的意義，因為不存在土芯侵蝕的可能性，也不存在對大壩安全的潛在威脅。而且許多學者認為面板堆石壩的滲漏主要通過周邊接縫、混凝土面板裂縫和橋臺接縫出現，這種滲漏可能對大壩的安全和穩(wěn)定性構成威脅[11]。而且，重大滲漏會造成經濟損失，并可能影響水庫或大壩的功能。如圖4，面板堆石壩的最大滲漏通常發(fā)生在第一次蓄水時，這是因為水荷載導致面板接縫或裂縫處的大變形。對于大多數處于大規(guī)模河流上的水庫來說，每秒幾十升的滲漏不僅是經濟價值的損失，更是對運行安全的威脅。

圖11顯示了泄漏量與壩高的關系。長期漏失率一般以首次充注結束后的年為單位給出。當壩高小于122 m時，面板堆石壩的長期滲漏率一般小于10 L/s，但當壩高超過125 m時，它迅速增加到45～200 L/s。對于大多數大壩泄漏量在50 L/s以內，具體取決于水庫水位。因此，一般都需要在第一次蓄水時就修復面板接縫。如果發(fā)生裂縫和平板破裂現象，必須立即進行鉆探和灌漿等修復工作，還要在接縫區(qū)域傾倒淤泥砂質材料。根據這些經驗，可以得出結論，超過125 m的面板堆石壩在第一次蓄水期間以及蓄水之后可能存在泄漏問題。這種現象可能是由水荷載引起的面板變形引起的。

圖11 泄漏量與壩高的響應關系

4 結語

本論文對面板堆石壩的案例進行了多方面的研究，特別是對施工后變形和滲漏進行了分析和討論，并得出以下結論。

(1)長期壩頂沉降與壩體高度的比值通常低于0.3%。在第一次蓄水期間，約有10%～40%的長期壩頂沉降發(fā)生。而且?guī)r石硬度越高，首次注水發(fā)生沉降的占比越低。

(2)施工后10 a頂部沉降與面板的法向變形具有類似的變化趨勢。但是，當壩高小于100 m時，壩頂沉降大于面板的法向變形，而壩高超過100 m時，壩頂沉降相對較小。

(3)在第一次蓄水時，水荷載引起的板的最大壓應變和最大拉應變分別出現在混凝土面板的中心和趾部附近。

(4)當壩高小于122 m時，面板堆石壩的長期滲漏率一般小于10 L/s，但當壩高超過125 m時，它迅速增加到45～200 L/s。