高面板堆石壩安全性研究技術(shù)進(jìn)展

馬洪琪，遲福東*

高面板堆石壩安全性研究技術(shù)進(jìn)展

馬洪琪，遲福東*

Huaneng Lancang River Hydropower Inc., Kunming 650214, China

a r t i c l e i n f o

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Received 18 March 2016

Revised form 29 June 2016

Accepted 24 August 2016

Available online 20 September 2016

高面板堆石壩

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比選壩型。中國面板堆石壩技術(shù)取得了200 m級高壩的成功經(jīng)驗，為250～300 m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200 m級高面板堆石壩的成功經(jīng)驗及暴露的主要問題，論述了250～300 m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和思路。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 前言

中國西部地區(qū)水電資源豐富，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240 m)、如美(壩高315 m)、馬吉(壩高277.5 m)、茨哈峽(壩高257.5 m)等一批250～300 m級高壩，在條件許可時應(yīng)將面板壩作為優(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[1–3]，截至2013年底，中國共有壩高超過30 m的面板壩325座；世界上壩高超過200 m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233 m，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178 m，2000 年)、洪家渡面板壩(壩高179.5 m，2005年)、三板溪面板壩(壩高185.5 m，2006年)、水布埡面板壩(壩高233 m，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250～300 m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200 m級現(xiàn)代高面板壩的成功經(jīng)驗和暴露出的主要問題，系統(tǒng)論述了250～300 m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，提出了今后的研究重點、思路和建議。

2. 200 m級面板壩出現(xiàn)的主要問題和取得的成功經(jīng)驗

2.1.出現(xiàn)的主要問題

庫克、謝拉德等人認(rèn)為面板壩是經(jīng)驗壩，2000年以前建設(shè)的多座200 m級面板壩，主要按照經(jīng)驗壩的理念設(shè)計建設(shè)[4–7]，運(yùn)行以后出現(xiàn)墊層料及面板裂縫、面板與墊層料間脫空、面板壓縫擠壓破壞以及滲漏量偏大等現(xiàn)象。

2.1.1. 阿瓜密爾帕面板壩

阿瓜密爾帕(Aguamilpa)面板壩位于墨西哥，壩高187 m，壩頂高程235 m，壩頂長660 m，正常蓄水位220 m。壩軸線上游主堆石區(qū)采用天然砂礫石料；中間設(shè)置模量漸變區(qū)；下游壩體采用花崗巖工程開挖料，為次堆石區(qū)。大壩建成于1995年。

當(dāng)水庫蓄水至218.8 m高程時，大壩滲漏量高達(dá)257.7 L·s–1，同時很多細(xì)密的水平彎曲裂縫出現(xiàn)在距離壩頂約30 m的面板部位，另外在距壩頂50 m附近出現(xiàn)一條長160 m、寬15 mm的水平拉伸裂縫。

庫克[7]認(rèn)為，上下游堆石區(qū)過大的沉降差造成了阿瓜密爾帕壩的水平結(jié)構(gòu)性裂縫。上游堆石區(qū)壓縮模量260 MPa，漸變區(qū)136 MPa，而下游堆石區(qū)僅有47 MPa，上下游模量差高達(dá)5倍，因而導(dǎo)致沉降差過大。根據(jù)阿瓜密爾帕壩、薩爾瓦欣壩等的工程經(jīng)驗，庫克提出礫石、堆石混合壩的上游礫石區(qū)的最小寬度應(yīng)為底部壩寬的2/3以上[7]。

中國的工程師分析認(rèn)為，阿瓜密爾帕壩面板彎曲裂縫還與堆石預(yù)沉降時間不足有關(guān)。假若等待面板頂部沉降率降至6 mm·月–1后再澆筑面板，那么面板頂部撓度可降低至15 mm，從而可以大大降低面板產(chǎn)生水平彎曲裂縫的可能性[8]。

2.1.2. 天生橋一級面板壩

天生橋一級面板壩位于中國貴州，最大壩高178m，壩頂長1104 m，壩頂高程791 m，正常蓄水位780 m。壩軸線上游為主堆石區(qū)，采用溢洪道開挖的石灰?guī)r料，下游堆石區(qū)采用砂巖和泥巖的開挖料，壓縮模量分別為45 MPa和22 MPa，建設(shè)及運(yùn)行初期主要出現(xiàn)了以下問題：

墊層料裂縫。在進(jìn)行第六期填筑過程中，748～768 m高程的墊層料出現(xiàn)37條裂縫，最長達(dá)96 m，最寬5 cm，最深1.5 m，分析認(rèn)為主要由上下游堆石填筑順序不當(dāng)致使上下游的沉降差過大造成。

面板脫空以及面板水平裂縫。由于堆石體沉降過大，共有104塊面板與墊層料脫空，脫空長度最大達(dá)10 m，脫空深度最深達(dá)15 cm。受堆石體過大變形及墊層料脫空的雙重影響，面板失去有效支撐，進(jìn)而出現(xiàn)許多水平裂縫，據(jù)統(tǒng)計僅748.6 m高程以上的面板裂縫就達(dá)4537條[9]。

面板擠壓破壞。2003年7月最長面板L3及L4塊之間的垂直縫兩側(cè)混凝土出現(xiàn)擠壓損壞，從787.3 m高程一直延伸至748.2 m高程，破損部位最大寬度4 m，平均寬度1 m，破損深度最大30 cm，平均24 cm。后將L3/L4縫壓損段改造為膨脹縫，同時內(nèi)嵌橡膠板，修補(bǔ)之后運(yùn)行狀況良好。

滲漏量偏大。壩體滲漏量達(dá)80～140 L·s–1，滲漏量基本隨庫水位的波動而變化[10]。

2.1.3. 坎潑斯諾瓦斯面板壩

巴西坎潑斯諾瓦斯(Campos Novos)[11]面板壩最大壩高202 m，壩頂長590 m，正常蓄水位高程為660 m。2005年底水庫蓄水至642 m高程以上時，中部17/18面板垂直縫出現(xiàn)擠壓破壞，破壞快速向上及向下發(fā)展。同時中部面板脫空深度達(dá)4 cm，滲漏量高達(dá)1300 L·s–1。隨后22/23、25/26號垂直縫也出現(xiàn)局部擠壓破壞。2006年水庫放空后發(fā)現(xiàn)，在二三期面板之間出現(xiàn)長達(dá)300 m的水平裂縫，裂縫處混凝土嚴(yán)重擠壓剝落，鋼筋鼓出變形，研究認(rèn)為水平裂縫主要由順坡向的高擠壓應(yīng)力造成并與面板脫空有關(guān)。

2.1.4. 巴拉格蘭德面板壩

巴西巴拉格蘭德(Barra Grande)[11]面板壩最大壩高185 m，壩頂長665 m，正常蓄水位高程647 m。2005年9月當(dāng)庫水位達(dá)634 m高程時滲漏量達(dá)到428 L·s–1，中部19/20面板垂直縫發(fā)生擠壓破壞，破壞延伸至水面以下約100 m處。面板破壞部位發(fā)現(xiàn)面板脫空，脫空間隙最大達(dá)12 cm。2005年11月，滲漏量甚至高達(dá)1284 L·s–1。通過水下檢查發(fā)現(xiàn)在中部壩高部位存在水平方向的擠壓破壞。

以上4座200 m級面板壩普遍出現(xiàn)了面板脫空、裂縫、擠壓破壞、止水失效和滲漏量偏大等現(xiàn)象，直接原因是堆石壩體的過量沉降及不均勻變形。分析更深層次的原因，主要集中在如下3個方面。

(1) 堆石體壓實密度較低。天生橋一級面板壩的上下游堆石區(qū)壓實標(biāo)準(zhǔn)分別按孔隙率22 %、24 %控制，上游堆石區(qū)碾壓層厚80 cm，采用10 t自行式振動碾碾壓6遍；下游碾壓層厚160 cm，采用18 t牽引式振動碾碾壓6遍。振動碾噸位低及碾壓遍數(shù)偏低，從而導(dǎo)致堆石密實度偏低。

(2) 上下游堆石區(qū)模量差較大。天生橋一級壩，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)123 m，汛期結(jié)束后要求以每日升高1 m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

以上4座出現(xiàn)問題的高面板壩案例分析表明，200 m級高面板壩已經(jīng)突破了經(jīng)驗壩的范疇，應(yīng)按變形控制的理念設(shè)計和建設(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)

200 m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，同時提高堆石填筑密實度，以上3座壩上游堆石區(qū)的孔隙率控制在19 %～20 %。一般采用25 t 的振動碾，有的工程采用32 t 振動碾，洪家渡工程采用沖碾壓實機(jī)(擊振力達(dá)200～250 t)，并加大碾壓遍數(shù)，從而顯著提高了堆石體的壓實度。另一方面，采用GPS實時碾壓質(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)驗教訓(xùn)，注意將填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個月左右的預(yù)沉降期，當(dāng)沉降速率小于5 mm·月–1時方可澆筑面板，同時要求一期面板的頂高程低于堆石體20 m左右。

2.2.5. 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 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，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)在以下幾個方面。

(1) 大壩變形的計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”雙屈服面彈塑性模型等本構(gòu)模型，均基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，對堆石料的散粒體特性進(jìn)行了概化處理，難以完整準(zhǔn)確刻畫堆石體的所有力學(xué)行為。

(2) 堆石材料試驗的縮尺效應(yīng)尚未解決。面板壩設(shè)計過程中通常利用室內(nèi)普通三軸試驗、大三軸試驗等手段獲取堆石體的材料參數(shù)，但受制于試驗設(shè)備的尺寸和加載能力，實驗室內(nèi)獲得的材料參數(shù)與真實大壩堆石體的參數(shù)之間差異明顯?？s尺效應(yīng)的存在，往往導(dǎo)致高壩變形計算值較實際觀測值偏小，低壩變形計算值較實際觀測值偏大，這也是高壩變形預(yù)測不夠準(zhǔn)確的主要原因之一。

(3) 面板壓縫擠壓破損的科學(xué)機(jī)理尚未得到很好的解釋。定性分析認(rèn)為主要原因是堆石體變形過大導(dǎo)致垂直縫閉合受壓，堆石和面板間的摩擦力進(jìn)一步增大了縫面擠壓應(yīng)力，垂直縫止水結(jié)構(gòu)削弱了面板的有效承載厚度等。但擠壓破壞的真實科學(xué)機(jī)理，并未開展精細(xì)化的研究，也未給出定量的控制指標(biāo)。

3. 250～300 m級高面板壩安全性研究新進(jìn)展

2010年以來，由于西部水電開發(fā)的需要，中國壩工界圍繞250～300 m級高面板壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)問題，尤其是變形預(yù)測控制技術(shù)問題開展了進(jìn)一步的研究，取得了豐富的創(chuàng)新性研究成果。

3.1. 安全控制標(biāo)準(zhǔn)及評價方法

以國內(nèi)外已建200 m級高面板壩研究為基礎(chǔ)，結(jié)合瀾滄江古水、如美，黃河茨哈峽，怒江馬吉4座典型工程開展研究，歸納總結(jié)并提出了高面板壩的安全控制原則及指標(biāo)，主要包括防洪、抗震、壩頂安全超高、壩體變形、面板變形及應(yīng)力、接縫變形、抗滑穩(wěn)定、大壩滲流等，為250～300 m級高面板壩的安全評價及控制提供了參考[13]。

除采用確定性評價方法外，嘗試采用風(fēng)險分析方法，開展了典型高面板壩的風(fēng)險辨識及分析。對堆石料抗剪強(qiáng)度變異特性和鄧肯–張 E–B模型參數(shù)變異性進(jìn)行了概率特性統(tǒng)計，按統(tǒng)計的參數(shù)計算，典型面板壩的變形可靠度指標(biāo)在竣工期和蓄水前分別為2.223和2.016，蓄水期面板擾度可靠度指標(biāo)為1.766[14]。研究建議250～300 m的堆石壩正常運(yùn)行工況下壩坡抗滑穩(wěn)定可靠度指標(biāo)取4.7(相應(yīng)的失效概率為10–6)，與壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.7大致相當(dāng)[14]。

3.2. 筑壩材料及大壩斷面分區(qū)

瀾滄江古水、如美，黃河茨哈峽，怒江馬吉4個工程壩高240～315 m，面板堆石壩方案擬采用級配良好、碾壓密實的中硬巖(或砂礫石)材料。4個工程推薦壩坡范圍為1∶1.4～1∶1.7，較200 m級面板壩有所放緩。結(jié)合4個工程各自的具體建設(shè)條件，提出了300 m級面板壩堆石壓實控制標(biāo)準(zhǔn)，堆石料孔隙率宜為17 %～20 %，砂礫石料相對密度宜為0.95～0.98。其中，古水面板壩上下游堆石區(qū)均擬按孔隙率18 %控制；如美面板壩上下游堆石填筑孔隙率均擬按19 %控制；馬吉面板壩上下游堆石區(qū)擬分別按孔隙率19 %、20 %控制；茨哈峽面板壩上游砂礫石區(qū)擬采用相對密度0.95控制，下游堆石區(qū)按孔隙率17 %控制。以上4座面板壩壓實度指標(biāo)總體上比已建成的200 m級高面板壩有所提高，圖1為古水面板壩材料分區(qū)圖。

值得一提的是，江蘇溧陽抽水蓄能電站上庫面板壩，采用25 t 振動碾，鋪層厚度60～80 cm，增模區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)的孔隙率已分別達(dá)到16.8 %、18 %、18.6 %。因此在現(xiàn)有施工條件下，以上4座高面板壩的設(shè)計壓實度指標(biāo)是可以實現(xiàn)的。

圖1.古水面板壩材料分區(qū)圖。

3.3. 材料試驗技術(shù)

圍繞堆石料材料試驗縮尺效應(yīng)為核心的問題，通過大比尺室內(nèi)試驗、現(xiàn)場原位試驗、數(shù)值剪切試驗等多種途徑開展了探索性的對比研究。

(1) 大比尺室內(nèi)試驗。依托古水、茨哈峽、馬吉和如美4個工程平行開展了筑壩料室內(nèi)大三軸剪切試驗(300 mm直徑)，系統(tǒng)分析了堆石料在高應(yīng)力復(fù)雜路徑條件下的應(yīng)力應(yīng)變特性、強(qiáng)度特性、縮尺效應(yīng)、顆粒破碎特性以及流變特性等堆石料變形機(jī)理和規(guī)律。

(2) 現(xiàn)場原位試驗。對于超高堆石壩，堆石最大粒徑達(dá)到600～800 mm，因此有必要在現(xiàn)場開展大尺度試驗。茨哈峽工程結(jié)合筑壩料現(xiàn)場碾壓試驗開展了平洞內(nèi)應(yīng)力路徑試驗(見圖2)，試驗最大加載量6.0 MPa，承壓板面積為1.72 m2，最大荷載為10 320 kN[15]。

(3) 數(shù)值剪切試驗。近年來，許多學(xué)者通過顆粒體離散元等數(shù)值方法，模擬堆石體的細(xì)觀組構(gòu)，開展數(shù)值試驗(見圖3)。數(shù)值試驗?zāi)軌蜻M(jìn)行大量的敏感性分析，研究堆石體組構(gòu)的細(xì)觀演化過程，為研究堆石料細(xì)觀力學(xué)行為及縮尺效應(yīng)提供了有效手段。

(4) 堆石料縮尺效應(yīng)機(jī)制新探索。堆石料的縮尺效應(yīng)影響因素有縮尺方法、壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)、顆粒自身性質(zhì)等。

圖2.茨哈峽平洞應(yīng)力路徑試驗裝置。

圖3.細(xì)觀數(shù)值剪切試驗加載示意圖。

采用細(xì)觀數(shù)值模型，對古水、如美和茨哈峽等工程堆石體進(jìn)行數(shù)值剪切試驗，結(jié)果表明：與室內(nèi)試驗結(jié)果相比，E–B模型變形參數(shù)k、n、kb均隨著試樣尺寸的增加而減小，古水、如美壩料k值的下降幅度在10 %～17 %，kb值的下降幅度在17 %～19 %，茨哈峽下游堆石料的k值和kb值的下降幅度分別為25 %和29 %，縮尺效應(yīng)明顯。茨哈峽上游砂礫料k值和kb值的下降幅度分別為4 %和10 %，縮尺效應(yīng)較小[15]。另外，圍壓越大，堆石料的縮尺效應(yīng)越明顯；母巖強(qiáng)度越高，縮尺效應(yīng)越明顯。室內(nèi)三軸試驗(試件直徑最大為300 mm)發(fā)現(xiàn)，隨試件尺寸的增大，堆石料的E–B模型變形參數(shù)有所增大。

研究認(rèn)為[15]，堆石料的顆粒破碎存在兩種與尺寸有關(guān)的細(xì)觀機(jī)制：一是大顆粒易于破碎，導(dǎo)致大試件材料參數(shù)低于小試件；二是大顆粒的咬合作用強(qiáng)于小顆粒，導(dǎo)致大試件材料參數(shù)高于小試件。

筆者認(rèn)為，在堆石壩中兩種機(jī)制同時存在且交替作用。受碾壓振動、堆石自重及水荷載等的影響，堆石組構(gòu)承受圍壓。當(dāng)圍壓相對較低時，堆石顆粒的咬合作用(骨架效應(yīng))維持堆石組構(gòu)穩(wěn)定；當(dāng)圍壓增大并超出堆石組構(gòu)的承載能力時，堆石發(fā)生顆粒破碎，組構(gòu)變化并進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)；如此反復(fù)作用，直至堆石組構(gòu)趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在上述過程中，堆石顆粒的咬合作用和顆粒破碎兩者之間的強(qiáng)弱對比決定了縮尺效應(yīng)。

對現(xiàn)代高面板堆石壩而言，碾壓過程中采用重型碾壓設(shè)備，堆石料不可避免地會發(fā)生顆粒破碎；施工和蓄水期堆石自重及水荷載的聯(lián)合產(chǎn)生的高圍壓使堆石顆粒發(fā)生二次破碎，材料濕化劣變進(jìn)一步加劇了堆石破碎變形，堆石顆粒破碎效應(yīng)總體強(qiáng)于骨架效應(yīng)。而目前室內(nèi)三軸試驗尺寸較小，難以反映高面板壩堆石材料的真實工作狀態(tài)。從大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)看，即表現(xiàn)為高壩的實際變形值大于計算預(yù)測值，高壩堆石的變形參數(shù)低于室內(nèi)三軸試驗值。

3.4. 堆石本構(gòu)模型及精細(xì)化數(shù)值模擬方法

在對堆石材料工程特性研究的基礎(chǔ)上，基于破碎能耗的概念，通過對“南水”雙屈服面模型中切線體積比的修正，得到了能夠較為合理地反映堆石材料的體積變形的本構(gòu)模型。采用直接定義塑性流動方向、加載方向和塑性模量的方法，構(gòu)建了堆石材料的廣義塑性本構(gòu)模型。基于室內(nèi)大型接觸面試驗，開發(fā)了堆石與混凝土非線性接觸面模型以及相應(yīng)的接觸力學(xué)計算方法；提出了可模擬施工填筑和面板細(xì)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)化建模方法，并通過大規(guī)模并行計算，實現(xiàn)了高面板壩變形、應(yīng)力的精細(xì)化仿真計算[16]。

3.5. 超高面板壩應(yīng)力變形規(guī)律探索

利用標(biāo)準(zhǔn)面板壩計算模型，系統(tǒng)分析了200～300 m典型高面板壩應(yīng)力變形特點。結(jié)果表明：當(dāng)壩高從200 m增加到300 m時，壩體、面板的變形大約增加1倍，堆石應(yīng)力、面板應(yīng)力顯著增加[16]。

通過精細(xì)化模擬計算發(fā)現(xiàn)，古水、茨哈峽、如美、馬吉4座高面板壩的應(yīng)力變形分布規(guī)律符合高面板壩的一般規(guī)律。對于古水和茨哈峽面板壩，由于壩高相對略低，在采取一定的變形控制措施后，壩體變形總量可以控制到與200 m級面板壩大致相當(dāng)?shù)乃?，其筑壩安全性可以得到保證。對于馬吉和如美，由于壩高相對較高，蓄水后混凝土面板的應(yīng)力偏大，需進(jìn)一步研究改善面板應(yīng)力的措施。

3.6. 面板壓損破壞機(jī)理探索

研究認(rèn)為，造成高面板壩面板垂直縫擠壓破壞的宏觀因素是過大的堆石體變形，而直接原因是面板沿縱縫的接觸擠壓和轉(zhuǎn)動擠壓[16](見圖4)；造成面板水平縫擠壓破壞的原因除堆石體的過大變形外，還有面板局部彎曲變形[17]。

最新研究成果認(rèn)為，由于墊層料、過渡料、堆石料均為散粒體材料，其力學(xué)行為具有明顯的“非連續(xù)、非均勻、非同性”的特點，因此其變形宜分為宏觀變形和細(xì)觀變形兩部分。宏觀變形即為大壩尺度的變形，可采用反映宏觀力學(xué)行為的本構(gòu)模型予以分析評價，細(xì)觀變形為顆粒尺度的變形，需要采用細(xì)觀力學(xué)模型加以描述。墊層料、過渡料與面板之間的非均勻接觸力是面板局部壓損的影響因素之一，而墊層料和過渡料的顆粒級配和厚度對面板承載時的局部應(yīng)力狀態(tài)有影響。通過顆粒體離散元模擬面板—墊層區(qū)—過渡區(qū)之間細(xì)觀傳力過程，發(fā)現(xiàn)接觸力的不均勻性隨墊層料和過渡料厚度的增大而減小。以古水面板堆石壩為例，當(dāng)墊層料和過渡料的最小厚度分別達(dá)到2 m和4 m以上時，面板和墊層間接觸力的非均勻系數(shù)趨于收斂。

圖4.位移擠壓及轉(zhuǎn)動擠壓。

3.7. 滲流穩(wěn)定及控制標(biāo)準(zhǔn)

墊層作為大壩防滲系統(tǒng)的第二道防線，其設(shè)計原則是在面板完全破壞時不發(fā)生滲透破壞。建議300 m級高面板壩的墊層滲透系數(shù)采用10–4cm·s–1，通過試驗研究，推薦了墊層料顆粒級配(見圖5)：dmax= 40～100 mm，小于5 mm的細(xì)粒含量為35 %～50 %，小于1.0 mm的細(xì)粒含量為20 %～32 %，d20= 0.35～1.0 mm。從施工質(zhì)量的均勻性、壩體的變形及允許水力比降分析，300 m級的高面板壩墊層料的水平寬度以不小于5 m為宜[16]。過渡料對墊層料應(yīng)具有反濾層的功能，應(yīng)按反濾準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。

圖5.推薦的300 m級高面板壩墊層料設(shè)計級配。

3.8. 抗震工程措施

提出樞紐合理布置、選擇堅實壩基和堅硬筑壩材料、預(yù)留壩頂超高、減緩頂部壩坡、上部壩坡加筋、混凝土框架梁、加強(qiáng)面板和止水結(jié)構(gòu)等綜合性的抗震措施。古水面板壩擬采用減緩頂部壩坡、壩頂加鋼筋網(wǎng)等抗震措施(見圖1)。最近大連理工大學(xué)提出了釋放面板地震應(yīng)力的組合措施，即設(shè)置局部永久水平縫(見圖6)，并通過數(shù)值分析確定了永久水平縫的合理有效區(qū)域[18]：高程方向為0.75H～0.85H(H為最大壩高)，允許向外延伸±0.05H，水平方向為0.3L(L為壩軸線長度)。同時，提出在高動應(yīng)力區(qū)的面板采用鋼纖維混凝土，以提高面板在地震作用下的抗裂性能。

圖6.面板設(shè)置永久水平縫結(jié)構(gòu)示意圖。

3.9. 安全監(jiān)測新技術(shù)

200 m級面板壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)和儀器設(shè)備由于自身固有的缺陷以及安裝埋設(shè)工藝所限，難以滿足300 m高面板壩的要求。為滿足300 m級高面板壩安全監(jiān)測的需要，研究了InSAR變形監(jiān)測技術(shù)、管道機(jī)器人、柔性測斜儀、土石壩監(jiān)測廊道等新技術(shù)[19]。

InSAR是微波成像遙感與干涉技術(shù)的結(jié)合，能夠精確測量地表目標(biāo)的三維空間位置及雷達(dá)視線向微小形變，可實現(xiàn)大范圍的連續(xù)覆蓋，有希望應(yīng)用于300 m級面板壩的表面變形監(jiān)測。柔性測斜儀由多節(jié)測斜儀首尾串聯(lián)而成，通過測量各軸的傾斜以獲取每節(jié)測斜儀頂點相對于其底部點的空間坐標(biāo)從而獲取被監(jiān)測結(jié)構(gòu)沿傳感器任意位置的變形，儀器精度滿足300 m級高堆石壩監(jiān)測要求。管道機(jī)器人結(jié)合計算機(jī)視覺技術(shù)和縫寬測量技術(shù)，以實現(xiàn)對壩體內(nèi)部水平位移的監(jiān)測。土石壩內(nèi)監(jiān)測廊道便于解決土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測問題，同時還可以減少對大壩的填筑影響，方便監(jiān)測儀器設(shè)備維護(hù)和更換，便于堆石壩內(nèi)監(jiān)測儀器電纜的牽引和保護(hù)。

4. 結(jié)語

過去10余年里，中國在200 m級高面板壩的建設(shè)方面取得了成功經(jīng)驗。近年來對250～300 m級超高面板壩的適應(yīng)性、安全建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)開展了系統(tǒng)的研究，取得了豐富的創(chuàng)新性成果，基本論證了250 m級超高面板壩的安全性和工程措施的有效性。下階段，應(yīng)著重對堆石料本構(gòu)模型及材料縮尺效應(yīng)、基于細(xì)觀力學(xué)的大壩應(yīng)力變形分析、墊層料和過渡料的不均勻變形傳遞機(jī)理、面板擠壓破壞機(jī)理及防治措施、大尺度試驗技術(shù)、300 m級高壩安全監(jiān)測設(shè)備實用化等方面開展進(jìn)一步的深入研究。

隨著瀾滄江古水、黃河茨哈峽等工程前期研究工作的開展，中國高面板壩技術(shù)正實現(xiàn)從230 m級到250 m級的突破。我們相信，通過產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，分臺階上升，中國將實現(xiàn)從230 m級到250 m級，250 m級到270 m級的不斷突破，最終安全建設(shè)和成功運(yùn)行300 m級超高面板堆石壩。

致謝

本研究得到國家科技支撐計劃（2013BAB06B02）資助，特此致謝！

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Hongqi Ma and Fudong Chi declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

[1] Technical Committee of the Concrete Face Rock-fill Dam of China Society for Hydropower Engineering. Appendix A: the statistics of concrete face rockfill dams above 30 m which have been built in China (by the end of 2013). In: Zhou J, Yang Z, editors Proceedings of the 2014 Symposium on Safety Research on Concrete Face Rockfill Dam and the Technical Progress of Soft-rock Damming; 2014 Sep 25?26; Nanjing, China; 2014. p. 232?4. Chinese.

[2] Technical Committee of the Concrete Face Rock-fill Dam of China Society for Hydropower Engineering. Appendix B: the statistics of concrete face rockfill dams above 30 m which are under construction in China (by the end of 2013). In: Zhou J, Yang Z, editors Proceedings of the 2014 Symposium on Safety Research on Concrete Face Rockfill Dam and the Technical Progress of Soft-rock Damming; 2014 Sep 25?26; Nanjing, China; 2014. p. 235. Chinese.

[3] Technical Committee of the Concrete Face Rock-fill Dam of China Society for Hydropower Engineering. Appendix C: the statistics of concrete face rockfill dams above 30 m which are planned to construct in China (by the end of 2013). In: Zhou J, Yang Z, editors Proceedings of the 2014 Symposium on Safety Research on Concrete Face Rockfill Dam and the Technical Progress of Softrock Damming; 2014 Sep 25?26; Nanjing, China; 2014. p. 236. Chinese.

[4] Cook JB, Sherard JL, editors. Concrete face rock-fill dams—design, construction, and performance. New York: American Society of Civil Engineers; 1985.

[5] Cooke JB, Sherard JL. Concrete-face rockfill dam: II. design. J Geotech Engrg 1987;113(10):1113—32.

[6] Cooke JB. Empirical design of the CFRD. Int J Hydropower Dams 1998;5(6): 24—7.

[7] Cooke JB. Developments in high concrete face rockfill dams. Int J Hydropower Dams 1997;4(4):69—73.

[8] Ma H, Cao K. Key technical problems of extra-high concrete faced rock-fill dam. Sci China Ser E-Technol Sci 2007;50(Supp 1):20—33.

[9] Zhang Z, Feng Y, Wang Y. Design and practice of Tianshengqiao-1 concrete face rock-fill dam. In: Proceedings of the 2007 Hydrology and Sediment Professional Committee of China Society for Hydropower Engineering Annual Conference and High Panel Technology Seminar; 2007 Dec 18—19; Kunming, China; 2007. Chinese.

[10] China Hydropower Engineering Consulting Group Corporation, Huaneng Lancang River Hydropower Co. Ltd., Yunnan Huadian Nujiang River Hydropower Development Co. Ltd. Research report of 300 m grade concrete faced rockfill dam adaptability and countermeasures. 2010. Chinese.

[11] Pinto NL. Very high CFRD dams—behavior and design features. In: Proceedings of the 3rd Symposium on CFRD Dams; 2007 Oct 25?27; Florianopolis, Brazil; 2007. p. 3?16.

[12] Ma H. 300 m grade concrete faced rockfill dam adaptability and counter-measures. Eng Sci 2011;13(12):4?8. Chinese.

[13] Hydro China Kunming Engineering Corporation Limited, Hydro China Beijing Engineering Corporation Limited, Hydro China Northwest Engineering Corporation Limited, Hydro China Guiyang Engineering Corporation Limited. The research report of design and safety standards and engineering measures about 300 m grade high face rockfill dam. 2014. Chinese.

[14] Hydro China Guiyang Engineering Corporation Limited, China Hydropower Engineering Consulting Group Corporation, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing Jiaotong University. The research report of safety evaluation methods about 300 m grade high face rockfill dam. 2016. Chinese.

[15] Hydro China Northwest Engineering Corporation Limited, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Nanjing Hydraulic Research Institute, Wuhan University, Hohai University. The research report of rockfills engineering characteristics and constitutive relation on 300 m grade high face rockfill dam. 2015. Chinese.

[16] China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Tsinghua University, Wuhan University, Hohai University, Nanjing Hydraulic Research Institute. The research report of deformation characteristics and engineering measures on 300 m grade high face rockfill dam. 2016. Chinese.

[17] Deng G, Wang X, Wen Y, Yu S, Chen R. Study on conceptualization method of deformation pattern and horizontal breakage of face slab of concrete faced rockfill dam. J Hydraul Eng 2015;46(4):396—404. Chinese.

[18] Dalian University of Technology, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Tsinghua University, Hydro China Kunming Engineering Corporation Limited. The research report of anti-seismic safety and engineering measures on 300 m grade high face rockfill dam. 2014. Chinese.

[19] Hydro China Kunming Engineering Corporation Limited, Nanjing Hydraulic Research Institute, Tsinghua University, Wuhan University, China Geokon Instruments Co. Ltd. The research report of key technology of safety monitoring on 300 m grade high face rockfill dam. 2014. Chinese.

* Corresponding author.

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3): 332—339

Hongqi Ma, Fudong Chi. Technical Progress on Researches for the Safety of High Concrete-Faced Rockfill Dams. Engineering, http://dx.doi.

org/10.1016/J.ENG.2016.03.010

安全性

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