300 m級(jí)高面板堆石壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

楊澤艷，周建平，王富強(qiáng)，吳毅瑾，孫永娟

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100048)

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300 m級(jí)高面板堆石壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

楊澤艷1，周建平2，王富強(qiáng)1，吳毅瑾1，孫永娟1

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100048)

依托古水、茨哈峽、馬吉、如美等壩高250～300 m級(jí)、正在進(jìn)行可行性研究的水電站工程，對(duì)300 m級(jí)高面板堆石壩安全評(píng)價(jià)方法、壩體設(shè)計(jì)與安全標(biāo)準(zhǔn)和工程措施、堆石料工程特性及本構(gòu)關(guān)系、變形特性及滲透穩(wěn)定性、抗震安全性及措施方案、安全監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了深入研究，取得了系列重要成果。結(jié)果表明，按照特等工程、特級(jí)建筑物設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)超高面板堆石壩是安全可靠、風(fēng)險(xiǎn)可控的。研究提出的相應(yīng)設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)和安全控制指標(biāo)可供高混凝土面板堆石壩建設(shè)借鑒。

300 m級(jí)高混凝土面板堆石壩；安全評(píng)價(jià)；壩體設(shè)計(jì)；變形特性；抗震措施；安全監(jiān)測(cè)

1 研究背景

由于河流梯級(jí)水電開發(fā)及水資源合理配置的需要，未來(lái)我國(guó)西部還將建設(shè)一批調(diào)節(jié)性能好的高壩大庫(kù)工程[1]。有些壩址適宜建設(shè)高堆石壩的水電站，但考慮到土心墻堆石壩方案填筑量大、防滲土料占用耕地多、環(huán)境影響大，有的工程壩區(qū)附近甚至沒(méi)有可利用的防滲土料，從而會(huì)抬高水電站建設(shè)成本，電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)性降低，投資效益變差，故工程建設(shè)各方迫切希望在300 m級(jí)高面板堆石壩筑壩技術(shù)上有所突破。

混凝土面板堆石壩因其適應(yīng)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性良好而得到廣泛應(yīng)用。但由于近年建設(shè)的幾座200 m級(jí)高面板堆石壩在取得成功及寶貴經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，部分工程出現(xiàn)壩體變形比預(yù)計(jì)的偏大、面板出現(xiàn)擠壓破損、壩體滲漏量較大等問(wèn)題，業(yè)內(nèi)一些專家對(duì)能否安全建成250 m級(jí)或更高面板堆石壩表示擔(dān)憂和質(zhì)疑?；炷撩姘宥咽瘔握媾R從200 m級(jí)壩高向300 m級(jí)壩高發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2006年，啟動(dòng)了《300 m級(jí)高面板堆石壩適應(yīng)性及對(duì)策措施研究》工作，并于2011年結(jié)束。適應(yīng)性及對(duì)策研究雖然取得了“在適當(dāng)條件下，采取適當(dāng)?shù)墓こ碳夹g(shù)措施后，建設(shè)300 m級(jí)高面板堆石壩是可行的”結(jié)論意見(jiàn)[2]，但由于受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)等限制，適應(yīng)性課題僅以分析研究為主，未開展大量試驗(yàn)研究，也沒(méi)有回答安全性問(wèn)題。從2012年開始，依托古水、茨哈峽、馬吉、如美等壩高250～300 m級(jí)、正在進(jìn)行可行性研究的水電站工程，開展高面板堆石壩安全建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究。希望通過(guò)研究，提出300 m級(jí)高面板堆石壩安全性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，解答建設(shè)300 m級(jí)高面板堆石壩的安全可靠性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，明確4個(gè)依托工程安全設(shè)計(jì)要求及應(yīng)采取的關(guān)鍵技術(shù)，為大江大河上游、高山峽谷地區(qū)、交通運(yùn)輸不便、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)選定300 m級(jí)高面板堆石壩建設(shè)提供技術(shù)支撐。研究成果可在古水、茨哈峽、馬吉和如美等水電站工程可行性研究階段壩型選擇上應(yīng)用，并可在其他水電站工程上應(yīng)用。

該課題的研究存在如下技術(shù)難題：

(1)堆石體本構(gòu)規(guī)律等基礎(chǔ)理論存在局限性。筑壩堆石料具有明顯的復(fù)雜性、不均勻性和多相耦合性，本構(gòu)規(guī)律極其復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的堆石體本構(gòu)模型很多，目前用得多的還是鄧肯E-B模型、沈珠江雙屈服面模型或清華K-G模型。本構(gòu)模型缺陷已嚴(yán)重制約超高壩應(yīng)力變形預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，通過(guò)研究提出廣泛認(rèn)可、適用超高壩特點(diǎn)并且實(shí)用的本構(gòu)模型是主要技術(shù)難題之一。

表1 課題依托工程特性

序號(hào)壩名地點(diǎn)河流設(shè)計(jì)階段壩高/m壩長(zhǎng)/m泄洪量/m3·s-1正常蓄水位/m庫(kù)容/億m3裝機(jī)容量/MW地震設(shè)防烈度1古水云南德欽瀾滄江可研243430130022651818008度/0286g2茨哈峽青海興海黃河可研2575700911029804120008度0226g3馬吉云南福貢怒江可研2708001410015704742008度/0227g4如美西藏芒康瀾滄江可研3158001340029003730008度/032g

(2)試驗(yàn)檢測(cè)手段受限。三軸試驗(yàn)中堆石料“縮尺效應(yīng)”明顯，堆石料長(zhǎng)期變形性態(tài)、超高圍壓下顆粒破碎很難通過(guò)試驗(yàn)手段準(zhǔn)確檢測(cè)。堆石料試驗(yàn)參數(shù)的檢測(cè)手段有限，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確描述堆石料的力學(xué)特性的變化，也是其主要技術(shù)難題之一。

(3)大壩填筑模擬及應(yīng)力變形計(jì)算手段有限。除受堆石料本構(gòu)模型、材料參數(shù)等的影響外，大壩靜動(dòng)力應(yīng)力變形預(yù)測(cè)精度還取決于計(jì)算方法、網(wǎng)格的精細(xì)程度、邊界條件的簡(jiǎn)化、壩體填筑、擋水、滲流等加載卸載的模擬方式等，是亟需突破的瓶頸之一。

(4)壩體內(nèi)部變形安全監(jiān)測(cè)儀器失效率高。由于線路或設(shè)備結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、施工質(zhì)量及維護(hù)等影響，超高面板堆石壩出現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)儀器失效和耐久性差等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響對(duì)大壩性態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2 研究主要內(nèi)容

2.1 依托工程

本課題依托工程與適應(yīng)性及對(duì)策研究一樣，主要為正處于可行性研究階段的古水、茨哈峽、馬吉和如美等4個(gè)工程，主要工程特性參數(shù)見(jiàn)表1。這些工程地震設(shè)防烈度均較高，壩址都位于交通不便、深山峽谷、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)。

2.2 主要內(nèi)容

本課題研究除包括深化筑壩材料、壩體應(yīng)力變形及滲透穩(wěn)定等內(nèi)容外，增加了抗震安全性和安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)等，不再針對(duì)面板混凝土特性和防裂抗裂技術(shù)、大壩施工技術(shù)等開展研究。課題共分解為6個(gè)專題若干個(gè)子題[3- 9]。

(1)專題1。300 m級(jí)高面板堆石壩安全性評(píng)價(jià)方法研究。主要對(duì)國(guó)內(nèi)外面板堆石壩技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行回顧，說(shuō)明目前面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，分析典型高面板堆石壩存在的問(wèn)題，提出面板堆石壩安全性評(píng)價(jià)方法，開展風(fēng)險(xiǎn)分析及調(diào)控研究。

(2)專題2。設(shè)計(jì)與安全標(biāo)準(zhǔn)和工程措施研究。在總結(jié)200 m級(jí)高面板堆石壩工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)300 m級(jí)高壩的特點(diǎn)開展依托工程面板堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出改進(jìn)措施，量化設(shè)計(jì)控制指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)，明確工程措施。

(3)專題3。堆石料工程特性及本構(gòu)關(guān)系研究。深化壩料工程特性試驗(yàn)研究，通過(guò)多途徑研究提出考慮縮尺效應(yīng)、顆粒破碎影響后統(tǒng)一的計(jì)算模型參數(shù)。包括：依托工程堆石料現(xiàn)場(chǎng)爆破碾壓試驗(yàn)研究、堆石料室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)研究、堆石料數(shù)值剪切試驗(yàn)研究、堆石料工程特性及計(jì)算模型參數(shù)研究等。

(4)專題4。變形特性及滲透穩(wěn)定性研究。采用經(jīng)200 m級(jí)高面板堆石壩反演分析及并經(jīng)進(jìn)一步修正后的計(jì)算模型、方法和統(tǒng)一的壩料參數(shù)，開展壩體變形及接縫位移等常規(guī)及精細(xì)化計(jì)算分析，或必要的模型試驗(yàn)，量化變形預(yù)測(cè)參數(shù)，以及開展堆石體高水頭滲透穩(wěn)定安全性研究。

(5)專題5?？拐鸢踩约按胧┓桨秆芯俊？偨Y(jié)面板堆石壩抗震特性，進(jìn)行壩料動(dòng)力特性試驗(yàn)和計(jì)算及動(dòng)力反應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)和工程措施研究，充實(shí)面板堆石壩抗震安全性。

(6)專題6。安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究?？偨Y(jié)200 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，分析存在問(wèn)題，研發(fā)適應(yīng)300 m級(jí)面板堆石壩較大變形的新型壩體變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3 主要研究成果

3.1 高面板堆石壩安全性評(píng)價(jià)[3，4]

(1)通過(guò)對(duì)高面板堆石壩技術(shù)進(jìn)展的回顧和調(diào)研分析可知，200 m級(jí)面板堆石壩筑壩技術(shù)是成功和可靠的，其壩體布置、壩體分區(qū)及筑壩材料、防滲結(jié)構(gòu)、壩基處理、導(dǎo)流度汛與填筑分期、堆石填筑和面板混凝土澆筑、試驗(yàn)研究與計(jì)算分析、安全監(jiān)測(cè)等實(shí)踐成果及經(jīng)驗(yàn)，可以在300 m級(jí)高面板壩的建設(shè)中參考和借鑒。

(2)高面板壩堆石壩安全性評(píng)價(jià)需從整體安全、穩(wěn)定安全、結(jié)構(gòu)安全等3個(gè)層次進(jìn)行評(píng)價(jià)。整體安全為第一層次，主要包括洪水設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、壩頂超高等方面；穩(wěn)定安全為第二層次，主要包括變形穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定，核心是變形穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)安全為第三層次，主要包括對(duì)筑壩材料和壩體結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求。

(3)研究表明，高面板堆石壩的主要風(fēng)險(xiǎn)因素包括不利地形、地質(zhì)條件，壩頂漫流，蓄水后壩體變形過(guò)大，面板結(jié)構(gòu)性裂縫和擠壓破壞，壩體和壩基滲漏及滲流破壞，地震引起的面板破壞、止水失效，計(jì)算和分析理論不足等。壩坡安全系數(shù)和可靠度都呈現(xiàn)隨壩高增加而降低的趨勢(shì)，對(duì)250 m級(jí)以上的面板堆石壩需要適當(dāng)放緩壩坡，增加壩坡穩(wěn)定的可靠度。

(4)正常工況壩坡抗滑穩(wěn)定目標(biāo)可靠指標(biāo)取4.45～4.7，對(duì)應(yīng)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)可按1.6和1.7控制。變形可靠指標(biāo)在竣工期和蓄水期分別為2.22和2.02，蓄水期面板撓度可靠度指標(biāo)為1.766，大于歐洲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 0的指標(biāo)1.5。壩體滲透穩(wěn)定可靠度指標(biāo)為9.91，說(shuō)明大壩滲透穩(wěn)定具有足夠的安全裕度。

3.2 設(shè)計(jì)與安全標(biāo)準(zhǔn)和工程措施[3，5]

(1)根據(jù)各依托工程特點(diǎn)，開展了面板壩壩體布置、材料設(shè)計(jì)、壩料分區(qū)、防滲結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)處理等方面的設(shè)計(jì)研究；在筑壩料選擇、壩體斷面設(shè)計(jì)、材料分區(qū)及設(shè)計(jì)指標(biāo)、面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面均提出了比200 m級(jí)面板堆石壩更高的要求，計(jì)算結(jié)果表明，壩體抗滑穩(wěn)定、滲流、應(yīng)力變形均在已有經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。

(2)歸納總結(jié)提出適用于300 m級(jí)面板堆石壩的安全控制原則及標(biāo)準(zhǔn)。安全控制原則包括樞紐整體安全、滲流控制安全、變形控制安全和抗滑穩(wěn)定安全，安全量化控制指標(biāo)包括防洪標(biāo)準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、壩頂安全超高、大壩滲流控制指標(biāo)、壩體變形控制指標(biāo)、面板變形及應(yīng)力控制指標(biāo)、接縫變形安全控制指標(biāo)、抗滑穩(wěn)定控制指標(biāo)等。

(3)工程措施包括上限設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、適當(dāng)超高的樞紐整體性安全措施，壩料、接縫滲流控制措施，壩體整體和不均勻變形控制措施，較大的壩頂寬度、上部壩高放緩壩坡、壩內(nèi)加筋、加強(qiáng)護(hù)坡措施、提高壩體壓實(shí)密度等抗震措施。

3.3 堆石料工程特性及本構(gòu)關(guān)系[3，6]

(1)針對(duì)4座依托工程筑壩材料的強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變特性、密度及縮尺效應(yīng)對(duì)筑壩材料強(qiáng)度的影響、顆粒破碎特性、復(fù)雜應(yīng)力路徑的影響、堆石料的流變特性，開展了大量室內(nèi)三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，砂礫石料的K值高于塊石料；隨著孔隙率的減小，模型參數(shù)提高對(duì)抑制壩體變形影響顯著；小于5 mm的顆粒含量越少，破碎率越高，在高圍壓條件，顆粒粒徑越大，顆粒破碎越明顯。

(2)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。兩種機(jī)制之間的綜合作用決定了縮尺效應(yīng)。從實(shí)際安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，表現(xiàn)為高壩的實(shí)際變形值大于計(jì)算預(yù)測(cè)值，大壩堆石的實(shí)際變形參數(shù)低于室內(nèi)三軸試驗(yàn)值。

(3)通過(guò)室內(nèi)大型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算模擬等3種方法相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，結(jié)果表明，高圍壓條件下顆粒破碎是導(dǎo)致縮尺效應(yīng)的主要原因之一，隨堆石料最大粒徑的增大，初始摩擦角φ0稍有增加，摩擦角衰減值Δφ明顯增加，試驗(yàn)最大圍壓越大，縮尺效應(yīng)越明顯，隨最大粒徑的增加，體積變形模量明顯減小，楊氏模量系數(shù)變化相對(duì)較小。應(yīng)力路徑對(duì)堆石料強(qiáng)度影響不大，堆石料的流變量和流變趨穩(wěn)時(shí)間均有所增加。

(4)通過(guò)茨哈峽筑壩料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，并參考已有200 m級(jí)高面板堆石壩實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究提出了300 m級(jí)高面板壩壩料碾壓參數(shù)及施工控制標(biāo)準(zhǔn)。堆石料孔隙率按17%～19%控制為宜；砂礫石料相對(duì)密度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)大于0.90，按照0.92～0.95控制為宜?，F(xiàn)場(chǎng)原級(jí)配試驗(yàn)的最大、最小干密度均大于室內(nèi)試驗(yàn)值，計(jì)算得到的相對(duì)密度均小于1，不會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算得到相對(duì)密度大于的不合理現(xiàn)象。

3.4 變形特性及滲透穩(wěn)定性[3，7]

(1)通過(guò)研究開發(fā)并驗(yàn)證了適應(yīng)于300 m級(jí)高面板堆石壩應(yīng)力變形分析的數(shù)值計(jì)算模型和計(jì)算方法，相比200 m級(jí)面板壩的計(jì)算分析程序主要有如下改進(jìn)：反映堆石顆粒破碎特性的堆石本構(gòu)模型；堆石材料的流變特性及相應(yīng)的數(shù)值分析模型；堆石材料特性的時(shí)效變化規(guī)律及其相應(yīng)的數(shù)值模擬方法；堆石與混凝土材料的非線性接觸特性及相關(guān)模擬方法；精細(xì)化建模及大規(guī)模數(shù)值計(jì)算的并行計(jì)算方法。

(2)通過(guò)典型高面板堆石壩的數(shù)值計(jì)算分析表明，當(dāng)混凝土面板壩壩高達(dá)到300 m量級(jí)時(shí)，壩體和面板的總體應(yīng)力變形規(guī)律與200 m級(jí)壩高的混凝土面板壩基本相當(dāng)，但堆石體的位移和混凝土面板的應(yīng)力均有較為明顯的增大。研究揭示了高混凝土面板壩面板擠壓破損機(jī)理。

(3)根據(jù)對(duì)4座依托工程的應(yīng)力變形計(jì)算分析成果，大壩應(yīng)力變形分布規(guī)律合理，符合高面板堆石壩的一般規(guī)律。對(duì)于古水和茨哈峽壩，在采取一定的變形控制措施后，壩體變形可以控制到與200 m級(jí)高面板堆石壩大致相當(dāng)?shù)乃?；?duì)于馬吉和如美壩，由于壩高相對(duì)較高，蓄水后面板局部應(yīng)力偏大，可通過(guò)平順兩岸趾板地形、設(shè)置縫間柔性材料等措施解決。

(4)通過(guò)滲透變形試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了古水和茨哈峽工程的墊層區(qū)與過(guò)渡區(qū)的反濾關(guān)系。墊層料承受滲透梯度200時(shí)未發(fā)生滲透破壞。滲流分析成果表明，不考慮面板防滲作用，當(dāng)墊層料滲透系數(shù)達(dá)到10-4cm/s量級(jí)時(shí)，墊層料在過(guò)渡料的保護(hù)下不會(huì)發(fā)生滲透破壞，但下游堆石料的滲流出口需要適當(dāng)采取措施做好滲流出口保護(hù)。

3.5 抗震安全性及措施方案[3，8]

(1)改進(jìn)和發(fā)展了筑壩堆石料的廣義塑性本構(gòu)模型、真非線性模型、循環(huán)本構(gòu)模型和三維彈塑性接觸面本構(gòu)模型；提出了高面板壩波動(dòng)分析方法和波函數(shù)組合法的非一致地震輸入、面板塑性損傷分析、非線性庫(kù)水與大壩耦合及涌浪的精細(xì)化分析方法。

(2)通過(guò)MPI并行計(jì)算、GPU加速技術(shù)、多任務(wù)、內(nèi)存優(yōu)化、高效求解算法等先進(jìn)技術(shù)，集成了上述理論與方法，發(fā)展、完善了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效、大規(guī)模三維靜動(dòng)力分析軟件。

(3)建立了基于穩(wěn)定分析、變形分析、面板防滲體系的高面板壩抗震安全性評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及極限抗震能力分析方法；結(jié)合古水工程，論證了壩頂下游壩坡加鋼筋網(wǎng)、面板上部設(shè)置永久性水平縫、面板中部壓性豎縫內(nèi)間隔填充復(fù)合橡膠板等抗震工程措施的有效性。

3.6 安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)[3，9]

(1)通過(guò)對(duì)天生橋一級(jí)、洪家渡、三板溪、水布埡和糯扎渡等5個(gè)典型大壩的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備及運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備已不能完全適應(yīng)300 m高面板堆石壩建設(shè)要求。研究有針對(duì)性地提出了300 m級(jí)面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)、表面變形監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等技術(shù)的改進(jìn)方向和新型儀器設(shè)備研發(fā)方向。

(2)針對(duì)300 m級(jí)高面板堆石壩的監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了管道機(jī)器人、柔性測(cè)斜儀、1 000 m級(jí)超長(zhǎng)管路沉降儀、土石壩監(jiān)測(cè)廊道等內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，精度滿足高土石壩監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)深入研究了SAR數(shù)據(jù)的特征以及各類SAR數(shù)據(jù)的特性，建立了相應(yīng)的處理流程，形成了高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)InSAR與D-InSAR處理技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明精度在2 cm以內(nèi)，可滿足高面板堆石壩外部變形監(jiān)測(cè)要求。

(3)在300 m級(jí)高面板堆石壩監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能反饋與預(yù)測(cè)系統(tǒng)方面，設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立方法和演化算法，提出了實(shí)用的預(yù)警預(yù)報(bào)理論和方法、高面板堆石壩的安全指標(biāo)體系和應(yīng)急預(yù)案原則，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的高土石壩智能反饋與預(yù)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)方案，概述了各模塊的具體功能、數(shù)據(jù)和展示要求。

4 主要結(jié)論及建議

4.1 主要結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)外200 m級(jí)高面板堆石壩工程建設(shè)積累了較豐富經(jīng)驗(yàn)，工程實(shí)踐和大量科學(xué)研究更加深化了對(duì)高面板堆石壩的工程特性和運(yùn)行狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，查明了高面板堆石壩變形較大、面板擠壓破損和滲漏量過(guò)大的形成機(jī)理和原因。200 m級(jí)高面板堆石壩建設(shè)總體上是成功的，技術(shù)是可靠的，這為更高面板堆石壩建設(shè)奠定了必要基礎(chǔ)。

(2)高面板堆石壩工程安全評(píng)價(jià)體系涉及防洪安全、抗震安全和大壩穩(wěn)定安全性。高混凝土面板堆石壩的安全評(píng)價(jià)涉及大壩抗滑穩(wěn)定、變形穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定。鑒于300 m級(jí)高面板堆石壩的特殊重要性，研究提出了更高的安全目標(biāo)(可靠性指標(biāo))，建立健全了300 m級(jí)高面板堆石壩安全評(píng)價(jià)方法和安全標(biāo)準(zhǔn)。

(3)通過(guò)大量案例研究，系統(tǒng)甄別了堆石壩樞紐工程及大壩的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，分析評(píng)價(jià)可能造成的危害，研究提出了改進(jìn)工程布置、設(shè)計(jì)和計(jì)算，施工管理和運(yùn)行維護(hù)等的工程技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)防范措施。研究表明，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行管理，更高面板堆石壩的安全性是能夠得到保障的。

(4)綜合開展了堆石料室內(nèi)三軸試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)碾壓和數(shù)值剪切試驗(yàn)，較系統(tǒng)地研究了“縮尺效應(yīng)”及堆石材料的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，初步揭示了堆石體高圍壓情況下，式樣尺寸、顆粒形狀、顆粒破碎、流變以及復(fù)雜應(yīng)力路徑等因素對(duì)本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)參數(shù)的影響，結(jié)合大壩變形反演分析，提出了修正高壩堆石料本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)的意見(jiàn)和建議。

(5)結(jié)合古水、茨哈峽、馬吉、如美等依托工程的條件，研究提出了改進(jìn)后的堆石料靜動(dòng)力本構(gòu)模型及其設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，發(fā)展了三維靜動(dòng)力分析軟件。通過(guò)依托工程大壩數(shù)值模擬計(jì)算和參數(shù)敏感性分析，揭示了高壩應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，應(yīng)力水平和不協(xié)調(diào)變形問(wèn)題，提出了保障工程安全的對(duì)策措施，論證了抗震工程措施的有效性。

(6)為滿足300 m級(jí)高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的需要，研究提出了管道機(jī)器人、柔性測(cè)斜儀等內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)路徑；研究了合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)在大壩變形監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景和技術(shù)改進(jìn)方向。提出了1 000 m級(jí)超長(zhǎng)管路系統(tǒng)和壩內(nèi)廊道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，按照特等工程、特級(jí)建筑物設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)超高面板堆石壩是安全可靠的、風(fēng)險(xiǎn)可控的。研究提出的相應(yīng)設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)和安全控制指標(biāo)可供高混凝土面板堆石壩建設(shè)借鑒。未來(lái)還需要結(jié)合各個(gè)工程的具體條件，進(jìn)一步深入研究筑壩材料特性、壩體結(jié)構(gòu)和壩料分區(qū)，預(yù)測(cè)大壩應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，細(xì)化施工工藝和質(zhì)量控制措施。

4.2 建 議

由于受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，本課題研究中僅對(duì)茨哈峽水電站筑壩材料進(jìn)行了堆石料現(xiàn)場(chǎng)爆破和碾壓試驗(yàn)。對(duì)超高混凝土面板堆石壩而言，還需進(jìn)一步深入地開展研究工作。

(1)針對(duì)壩型選定的面板堆石壩工程，應(yīng)考慮縮尺效應(yīng)和顆粒破碎影響，開展具體壩料工程力學(xué)特性研究，取得計(jì)算分析參數(shù)。

(2)繼續(xù)開展混凝土面板堆石壩大規(guī)模精細(xì)化數(shù)值仿真計(jì)算方法的研究，綜合面板混凝土損傷模型、面板與堆石體非線性接觸模型以及堆石體真實(shí)本構(gòu)模型等，模擬施工、蓄水和地震作用等，精確預(yù)測(cè)大壩應(yīng)力變形的變化。

(3)跟蹤、總結(jié)大茅坡面板堆石壩管道機(jī)器人及羊曲面板堆石壩壩內(nèi)監(jiān)測(cè)廊道的應(yīng)用情況，為下一步在300 m級(jí)高土石壩中的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)300 m級(jí)面板堆石壩研究的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)綜合采用現(xiàn)場(chǎng)碾壓、室內(nèi)三軸、數(shù)值剪切等多途徑，首次揭示了高圍壓、復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下堆石顆粒破碎規(guī)律、“縮尺效應(yīng)”影響物理機(jī)制及規(guī)律，提出了反映堆石顆粒破碎特性的本構(gòu)模型以及考慮縮尺效應(yīng)影響的模型參數(shù)變化規(guī)律。

(2)采用模型壩計(jì)算和參數(shù)敏感性分析方法，揭示了壩高從200 m級(jí)到300 m級(jí)壩體、面板應(yīng)力及變形的差異，壩體最大沉降量與壩高的關(guān)系介于線性與平方關(guān)系之間，量化了中硬巖堆石料級(jí)配、孔隙率等關(guān)鍵因素對(duì)大壩變形的影響。

(3)通過(guò)大規(guī)模精細(xì)化數(shù)值分析，首次揭示了高壩面板擠壓破損機(jī)理。造成面板擠壓破損的宏觀原因是過(guò)大的堆石體變形，細(xì)觀原因是面板縱縫處的接觸擠壓效應(yīng)。接觸擠壓效應(yīng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓和位移擠壓兩個(gè)方面的作用。

(4)開發(fā)了狀態(tài)相關(guān)的廣義塑性模型，集成了人工邊界和等效波動(dòng)方法，對(duì)高面板堆石壩進(jìn)行了強(qiáng)震作用下的動(dòng)力分析，論證了高面板堆石壩順坡向瞬時(shí)動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)集中在0.5～0.9H(H為壩高)和0.2L(L為壩軸向長(zhǎng)度)范圍內(nèi)，提出了局部鋼纖維混凝土面板的抗震措施。

(5)集成研發(fā)了300 m級(jí)面板堆石壩關(guān)鍵監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)構(gòu)建內(nèi)外部相結(jié)合的監(jiān)測(cè)體系，首次提出了大壩內(nèi)部設(shè)置廊道布置儀器的監(jiān)測(cè)新方法，研發(fā)了管道監(jiān)測(cè)機(jī)器人、柔性測(cè)斜儀、1 000 m級(jí)超長(zhǎng)管線沉降及水平位移計(jì)等新型監(jiān)測(cè)儀器。

目前，研究成果已在古水、茨哈峽、馬吉、如美、拉哇和大石峽等水電站壩型選擇和工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用，其中古水、茨哈峽、拉哇和大石峽等工程已確定面板堆石壩為選定壩型。

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

[2]楊澤艷， 周建平， 蘇麗群， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩適應(yīng)性及對(duì)策研究綜述[J]. 水力發(fā)電， 2011， 38(6)： 1- 5.

[3]水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司， 華能瀾滄江水電股份有限公司， 黃河上游水電開發(fā)有限公司， 云南華電怒江水電開發(fā)有限公司. 300 m級(jí)高面板堆石壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)研究[R]. 北京： 水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 2016.

[4]中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩安全性評(píng)價(jià)方法研究成果報(bào)告[R]. 貴陽(yáng)： 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 2015.

[5]中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩設(shè)計(jì)與安全標(biāo)準(zhǔn)和工程措施研究成果報(bào)告[R]. 貴陽(yáng)： 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 2015.

[6]中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩堆石料工程特性及本構(gòu)關(guān)系研究成果報(bào)告[R]. 西安： 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 2015.

[7]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩變形特性及工程措施研究成果報(bào)告[R]. 北京： 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 2015.

[8]大連理工大學(xué)， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩抗震安全性及工程措施研究成果報(bào)告[R]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2015.

[9]中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 等. 300 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究成果報(bào)告[R]. 昆明： 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 2015.

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Research Summary on Safety and Key Technologies of 300 m-Level Face Rockfill Dam

YANG Zeyan1, ZHOU Jianping2, WANG Fuqiang1, WU Yijin1, SUN Yongjuan1

(1. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Power Construction Corporation of China, Ltd., Beijing 100048, China)

For constructing Gushui, Cihaxia, Maji and Rumei hydropower stations which are currently in feasibility study stage and will construct a concrete face rockfill dam with height about 250-300 m respectively, the safety evaluation methods, dam design, safety standards and engineering measures, rockfill material characteristics and constitutive relation, deformation characteristics and seepage stability, aseismic safety and measures, and safety monitoring of 300 m-level face rockfill dam are systematically researched, and a series of results have been achieved. The results of research show that the construction of ultra-high face rockfill dam is safe and reliable when design the dam according to the standards of special-class engineering and structure. The proposed design safety standards and safety control indicators can be referenced by the construction of high concrete face rockfill dam．

300 m-level high concrete face rockfill dam; safety evaluation; dam design; deformation property; aseismic measure; safety monitoring

2016- 08- 01

中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目(GW-KJ-2012-16)，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司、華能瀾滄江水電股份有限公司、黃河上游水電開發(fā)有限公司、云南華電怒江水電開發(fā)有限公司共同組織研究

楊澤艷(1962—)，男，湖北老河口人，教授級(jí)高工，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師，副總工程師，主要從事水電工程設(shè)計(jì)、咨詢及管理工作．

TV641.43

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0559- 9342(2016)09- 0041- 05