高面板堆石壩安全性研究技術(shù)進(jìn)展

1、Engineering2(2016)xxx–xxxResearchHydroProjects—Article高面板堆石壩安全性研究技術(shù)進(jìn)展馬洪琪，遲福東HuanengLancangRiverHyowerInc.Kunming650214Chinaarticleinfo摘要Articlehisty:Received18March2016Revisedfm29June2016Accepted24August2016Availableonli

2、ne20September2016混凝土面板堆石壩直接利用當(dāng)?shù)夭牧?，適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，是西部地區(qū)一批擬建高壩的重點(diǎn)比選壩型。中國面板堆石壩技術(shù)取得了200m級高壩的成功經(jīng)驗(yàn)，為250~300m超高面板堆石壩的發(fā)展提供了必要的技術(shù)儲備條件。本文分析了中國及世界上主要200m級高面板堆石壩的成功經(jīng)驗(yàn)及暴露的主要問題，論述了250~300m級超高面板堆石壩安全建設(shè)面臨的主要技術(shù)問題和研究取得的最新進(jìn)展，并提出了今后的研究重點(diǎn)和思路。?2

3、016THEAUTHS.PublishedbyElsevierLTDonbehalfofChineseAcademyofEngineeringHigherEducationPressLimitedCompany.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBYNCNDlicense(:creativecommons.glicensesbyncnd4.0).關(guān)鍵詞高面板堆石壩安全性技術(shù)進(jìn)展1.前言中國西部地區(qū)水電

4、資源豐富，開發(fā)潛力大，但壩址大多位于高海拔地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，交通不便，地震烈度高，當(dāng)?shù)夭牧辖▔尉哂休^強(qiáng)的適應(yīng)性。尤其是混凝土面板堆石壩(簡稱面板壩)可以充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，減少外來物資運(yùn)輸，適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，抗震能力優(yōu)良，是最有前景的壩型之一。中國西部地區(qū)準(zhǔn)備建設(shè)的古水(壩高240m)、如美(壩高315m)、馬吉(壩高277.5m)、茨哈峽(壩高257.5m)等一批250~300m級高壩，在條件許可時(shí)應(yīng)將面板壩作

5、為優(yōu)先選擇壩型。目前世界上已建、在建和擬建的面板堆石壩約600多座，其中中國數(shù)量最多。據(jù)中國水力發(fā)電工程學(xué)會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會的統(tǒng)計(jì)[1–3]，截至2013年底，中國共有壩高超過30m的面板壩325座；世界上壩高超過200m的面板壩有16座，其中中國有10座。中國水布埡面板壩于2008年建成，壩高233m，是當(dāng)前世界上已建成運(yùn)行的最高面板壩。自20世紀(jì)80年代以來，中國通過引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，通過建設(shè)天生橋一級面板壩(壩高

6、178m，2000年)、洪家渡面板壩(壩高179.5m，2005年)、三板溪面板壩(壩高185.5m，2006年)、水布埡面板壩(壩高233m，2008年)等多座工程，面板壩建設(shè)技術(shù)取得長足進(jìn)步，處于世界先進(jìn)水平，為250~300m超高面板壩的發(fā)展提供了必要的技術(shù)儲備條件。本文分析總結(jié)了中國及世界上200m級現(xiàn)代高面板壩的成功經(jīng)驗(yàn)和暴露出的主要問題，系統(tǒng)論述了250~300m級超高面板堆石壩安全建設(shè)面臨的主要關(guān)鍵技術(shù)和最新研究進(jìn)展，提出

7、了今后的研究重點(diǎn)、思路和Crespondingauth.Emailaddress:fudch@20958099?2016THEAUTHS.PublishedbyElsevierLTDonbehalfofChineseAcademyofEngineeringHigherEducationPressLimitedCompany.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBYNCNDlicense(:creativ

8、ecommons.glicensesbyncnd4.0).英文原文:Engineering20162(3):332339引用本文:HongqiMaFudongChi.TechnicalProgressonResearchesftheSafetyofHighConcreteFacedRockfillDams.Engineering:dx.doi.g10.1016J.ENG.2016.03.010Contentslistsavailable

9、atScienceDirectjournalhomepage:locateengEngineering358Authnameetal.Engineering2(2016)xxx–xxx下游堆石區(qū)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)分別按孔隙率22%、24%控制，上游堆石區(qū)碾壓層厚80cm，采用10t自行式振動(dòng)碾碾壓6遍；下游碾壓層厚160cm，采用18t牽引式振動(dòng)碾碾壓6遍。振動(dòng)碾噸位低及碾壓遍數(shù)偏低，從而導(dǎo)致堆石密實(shí)度偏低。(2)上下游堆石區(qū)模量差較大。天生橋一

10、級壩，下游堆石區(qū)壓縮模量僅為上游堆石區(qū)的一半；阿瓜密爾帕壩，上下游模量相差甚至高達(dá)5倍，加劇了上下游沉降的不均勻性。(3)斷面填筑順序不合理。為使壩體能夠及時(shí)擋水度汛，經(jīng)濟(jì)斷面要求上游填筑進(jìn)度快于下游。如天生橋一級壩，施工度汛期上游擋水?dāng)嗝媾c下游堆石高差達(dá)123m，汛期結(jié)束后要求以每日升高1m的速度將下游堆石區(qū)填平，由此引起上下游堆石區(qū)產(chǎn)生過大的沉降差。2.2.主要成功經(jīng)驗(yàn)以上4座出現(xiàn)問題的高面板壩案例分析表明，200m級高面板壩已經(jīng)突

11、破了經(jīng)驗(yàn)壩的范疇，應(yīng)按變形控制的理念設(shè)計(jì)和建設(shè)。2000年以后成功建設(shè)的三板溪、洪家渡、水布埡等高面板壩，正由于采取工程技術(shù)措施控制壩體變形，前述現(xiàn)象和問題已經(jīng)顯著減少，大壩運(yùn)行狀況總體良好。主要成功的變形控制技術(shù)措施如下。2.2.1.堆石材料分區(qū)200m級面板壩的部分水荷載穿過壩軸線向下游堆石區(qū)傳遞，考慮到這一因素，上述3座壩的上下游堆石分區(qū)線向下游傾斜(坡比范圍值為1∶0.2~1∶0.5)，從而擴(kuò)大了上游堆石區(qū)的范圍。要求盡量減小上

12、下游堆石區(qū)的模量差，減少壩體上下游之間的不均勻變形。為協(xié)調(diào)壩體變形，在壩體上部高程和較陡岸坡部位設(shè)置特別碾壓區(qū)(也稱增模區(qū))。為使下游水位以上的壩體保持干燥狀態(tài)，在壩體內(nèi)設(shè)置豎向和水平向排水區(qū)。2.2.2.堆石填筑密實(shí)度要求堆石體采用中等以上硬度并且級配良好的石料，同時(shí)提高堆石填筑密實(shí)度，以上3座壩上游堆石區(qū)的孔隙率控制在19%~20%。一般采用25t的振動(dòng)碾，有的工程采用32t振動(dòng)碾，洪家渡工程采用沖碾壓實(shí)機(jī)(擊振力達(dá)200~250t

13、)，并加大碾壓遍數(shù)，從而顯著提高了堆石體的壓實(shí)度。另一方面，采用GPS實(shí)時(shí)碾壓質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)和附加質(zhì)量法等技術(shù)手段，確保填筑質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。檢測資料表明：三板溪、洪家渡、水布埡面板壩的上游堆石區(qū)孔隙率分別達(dá)到17.62%、19.6%和19.6%，下游堆石區(qū)孔隙率分別達(dá)到19.48%、20.02%和20.7%，總體上比天生橋一級面板壩的孔隙率降低了2%~4%[12]。2.2.3.堆石體填筑程序充分吸取了天生橋一級面板壩的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，注意將填

14、筑分期與壩體變形控制結(jié)合起來，要求壩體填筑盡量做到上下游、左右岸均衡上升。不可“前高后低”，條件允許時(shí)可“后高前低”，以利用壩體沉降位移變化規(guī)律減輕對混凝土面板拉伸變形的不利影響。2.2.4.混凝土面板澆筑時(shí)機(jī)通過預(yù)沉降控制措施避開堆石體沉降速率高峰，使混凝土面板施工后堆石體變形不致引起面板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。面板施工前一般預(yù)留6個(gè)月左右的預(yù)沉降期，當(dāng)沉降速率小于5mm月–1時(shí)方可澆筑面板，同時(shí)要求一期面板的頂高程低于堆石體20m左右。2.

15、2.5.混凝土面板壓縫及止水結(jié)構(gòu)為防止面板擠壓破壞，壓縫面板預(yù)留了容許變形的寬縫，縫內(nèi)填充富有彈性且具備吸收變形能力的嵌縫材料；除提高混凝土強(qiáng)度外，在壓縫端部一定范圍內(nèi)設(shè)抗擠壓鋼筋；減小底部銅止水鼻子高度，盡可能減小對面板有效受壓面積的削弱。接縫止水結(jié)構(gòu)形式向止水與自愈相結(jié)合型發(fā)展，在加強(qiáng)表面止水的前提下可取消中部止水，止水銅片多采用軟紫銅，塑性填料形成了GB和SR兩大類產(chǎn)品。2.3.暴露出的突出問題2000年以后，上述3座典型的200

16、m級面板堆石壩在變形控制工程技術(shù)方面取得了成功經(jīng)驗(yàn)，一定程度上解決了面板和堆石體的裂縫問題，但涉及變形控制的核心問題——變形預(yù)測，暴露出若干科學(xué)問題未得到很好的解決，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)大壩變形的計(jì)算理論和方法亟待突破。堆石料是散粒體材料，其力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有明顯的非線性、應(yīng)力路徑相關(guān)性、剪脹(縮)性、流變性，同時(shí)還存在濕化劣化、高圍壓下顆粒破碎等更復(fù)雜的特性。目前常用的鄧肯–張E–B模型、清華非線性解耦K–G模型、“南水”雙