300m級高混凝土面板堆石壩的可行性分析

P.T.克魯茲

1 CFRD分區(qū)

B·庫克等學(xué)者于1987年對CFRD進(jìn)行了初步分區(qū)，見圖1。其目的是便于設(shè)計人員和建設(shè)人員之間的溝通，簡化對大壩斷面的描述。當(dāng)提到3B、T和3C區(qū)時，讀者就會知道其在大壩中的位置。有時T區(qū)也作為3B或3C區(qū)的延伸。基礎(chǔ)上的第1層應(yīng)當(dāng)作為可自由排水的排水層。

圖1 CFRD分區(qū)

隨著2003年坎普斯諾武斯(Campos Novos)高CFRD的建設(shè)，3個區(qū)域的厚度急劇減少。“新建”大壩的沉降和混凝土面板位移顯著減少。中部壓縮面板上壓縮材料(氯丁橡膠，三元乙丙橡膠)的應(yīng)用以及止水和粘結(jié)劑的應(yīng)用，減少了因裂隙、裂縫、開口及混凝土面板失效所引起的滲漏。

2 碾壓堆石料的特性

2.1 壓應(yīng)力與抗壓強度

如果用土力學(xué)術(shù)語來描述材料的性能，則碾壓堆石料性能類似于預(yù)固結(jié)材料。壓應(yīng)力或剪應(yīng)力增加時，壓縮模量E和抗剪強度會降低。圖2示出了4種堆石料的壓縮模量E隨著壓應(yīng)力的增加而降低的變化趨勢。這些參數(shù)是通過大壩現(xiàn)場觀測得到的。

圖2 堆石料豎向應(yīng)力與壓縮模量關(guān)系

2.2 滲透性與抗沖刷能力

堆石料的滲透性主要取決于填充孔隙的細(xì)骨料含量。滲透系數(shù)可以在10～3 cm/s到10cm/s間變化，代表了堆石料滲透的極限值。堆石料的一個重要特性就是不論受壓或受剪都不會產(chǎn)生超孔隙水壓力。

當(dāng)細(xì)骨料含量超過正常值20%，或者骨料粒徑小于4號篩孔徑的8%～10%，或者小于200號篩的孔徑時，壩體的滲透性將會降低。當(dāng)重型卡車碾壓時會出現(xiàn)“車轍”，如果“車轍”能壓實，也就不會影響大壩的整體性能。堆石料抗水流沖刷能力較強，但不能漫頂。

3 更高壩可行性分析

3.1 穩(wěn)定性分析

雖然很多CFRD的設(shè)計未見相關(guān)的穩(wěn)定性分析，但可對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析并可作為參考。

表1列出了300m級高CFRD的安全系數(shù)，這些堆石壩是用不同的堆石或礫石料建造的，有3種不同的壩坡。根據(jù)Bishop穩(wěn)定性分析法計算得到的安全系數(shù)是合適的，查爾斯等學(xué)者在1984年發(fā)表的文章也證實了這一點。圖3為兩種分析方法的臨界滑動面。從表1可以看出，300m級高CFRD壩需用具有高抗剪強度的材料來滿足安全系數(shù)要求。

大壩的高度亦對安全系數(shù)有影響，對于抗剪強度 τ =1.13，σ =0.85 ，壩坡為1.4∶1.0的堆石壩，100，200，300m級 CFRD對應(yīng)的安全系數(shù)分別為2.09，1.33，1.26。

圖3 臨界滑動面

3.2 變形分析

如果在現(xiàn)代數(shù)值計算模型中引入可變壓縮模量，并對CFRD的位移進(jìn)行預(yù)測，將有助于確定面板接縫以及趾板和壩肩的接觸界面內(nèi)止水和其他保護材料的尺寸。

通過估算壓縮縫中的壓應(yīng)力，有助于選擇合適的填充材料，也有助于選擇面板尺寸和確定狹窄河谷中靠近壩肩的面板減少量。

3.3 滲流分析

3.3.1 施工期

通過在諸如低滲透性的堆石體外設(shè)置“豎向反濾層加水平排水層”，可收集雨季或施工期堆石體表面的水，使得堆石體的滲流降到最低。

表1 300m級高CFRD不同巖性堆石料的抗剪強度指標(biāo)與安全系數(shù)

3.3.2 汛期

在鋪設(shè)混凝土面板之前，或在運行期，或地震及其他突發(fā)事件發(fā)生之前，處于擠壓邊墻正下部的2A和2B區(qū)(破碎巖塊與砂)上游側(cè)的堆石料可作為半滲透層，以降低浸潤線，并減少汛期壩體滲流量。

若因地震導(dǎo)致部分面板失效或因面板之間過大的壓應(yīng)力導(dǎo)致面板失效，2B區(qū)將以同樣的方式防止壩體內(nèi)出現(xiàn)大量滲流。

由土和礫石組成的1A和1B區(qū)亦可減少因裂縫和裂隙或者部分面板破壞產(chǎn)生的滲漏。

4 結(jié)語

在300m級高CFRD的設(shè)計中，適當(dāng)參考上述數(shù)據(jù)和工程實例是很重要的。

研究表明，減少填筑層厚、使用硬巖作為筑壩材料、填筑料加水200～300L/m3、使用重型振動碾(＞5 t/m)等，對于降低CFRD的堆石體變形模量E以及減少壩體滲漏是有效的。

基于大量類似大壩堆石料的研究成果，建議在大壩施工期進(jìn)行基于堆石體試樣剪切試驗性與壓縮試驗的穩(wěn)定性與壓縮分析。

大壩施工期需安裝大量觀測儀器并讀取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于數(shù)學(xué)模型的修正，并可表明大壩剖面和壩坡的自然變化，也是成功修建越來越高大壩的寶貴資料。

研究、觀測和實踐三者緊密結(jié)合，是實現(xiàn)300m級高CFRD成功設(shè)計和運行的前提。