楊澤艷,周建平,王富強,吳毅瑾,孫永娟
(1. 水電水利規(guī)劃設計總院,北京市西城區(qū) 100120;2. 中國電力建設集團有限公司,北京市海淀區(qū) 100048)
中國混凝土面板堆石壩發(fā)展30年
楊澤艷1,周建平2,王富強1,吳毅瑾1,孫永娟1
(1. 水電水利規(guī)劃設計總院,北京市西城區(qū) 100120;2. 中國電力建設集團有限公司,北京市海淀區(qū) 100048)
2015年是中國引進現代筑壩技術建設混凝土面板堆石壩的第30年。30年來,中國混凝土面板堆石壩技術穩(wěn)步、快速發(fā)展,走過了一條“引進、發(fā)展、創(chuàng)新、超越”之路。中國面板堆石壩數量最多,幾乎遍布全國,技術難度、工程規(guī)模和最大壩高都處于世界前列。在設計、施工、監(jiān)測、科研和惡劣自然條件建壩等方面積累了豐富的經驗,壩體變形控制、滲流控制、面板防裂等方面也取得了矚目的成就,筑壩技術走向成熟,并正在向超高面板堆石壩方向發(fā)展。本文從建設成就、技術進展、經驗教訓、發(fā)展趨勢等方面進行簡要總結。
面板堆石壩;建設成就;技術進展;經驗教訓;發(fā)展方向
從1985年引進現代面板堆石壩技術以來,中國面板堆石壩筑壩技術穩(wěn)步、快速發(fā)展,走過了一條“引進、發(fā)展、創(chuàng)新、超越”之路。據2016年中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會統(tǒng)計[1]~[3],截至2015年底,中國壩高30m以上面板堆石壩已建約270座,在建約60座,擬建約80座,總數超過400座。
中國已建、在建和擬建的面板堆石壩(壩高≥30m)分布在29個?。▍^(qū)、市)。主要分布情況見圖1。其中,新疆、浙江面板堆石壩超過50座,貴州、云南超過40座,湖北、四川超過30座,重慶超過20座,其他?。▍^(qū)、市)約占30%。
圖1 中國面板堆石壩主要分布情況Fig.1 Distribution of CFRDs in China
水布埡壩仍是目前中國和世界上最高的面板堆石壩;天生橋一級壩壩頂長超過1km,填筑量約1800萬m3,面板面積約18萬m2,是規(guī)模最大的壩。九甸峽壩是已建趾板置于深厚覆蓋層上最高的壩,銅街子左副壩覆蓋層防滲處理深度超過70m。猴子巖壩、龍首二級壩(也稱西流水)的長高比僅約1.3,是在建和已建河谷最狹窄的100m以上高壩。洪家渡壩左岸趾板邊坡最高約310m,是已建河谷極不對稱且趾板邊坡高陡的壩。吉林臺一級壩抗震設計烈度達9度,是已建抗震設計烈度最高的壩。紫坪鋪壩是已經受9~10度高地震烈度考驗的壩。蓮花壩址極端最低氣溫為-45.2℃,是已建位于氣溫最低及溫差最大地區(qū)的壩;查龍壩壩頂高程為4388m,是海拔最高的壩;吉勒布拉克壩所處緯度高于北緯48度,是緯度最高的壩。
中國面板堆石壩涉及各種不利的地形地質條件和氣候條件,因其安全性、經濟性和適應性良好得到較普遍的推廣應用,幾乎遍布全國??傮w而言,中國面板堆石壩的工程設計和建設是成功的,也積累了應對各種困難情況的經驗和教訓。中國面板堆石壩數量占全球面板堆石壩總數的一半以上,技術難度、工程規(guī)模和最大壩高等方面均處于世界前列。
1985年,中國啟動西北口面板堆石壩設計和施工國家科技攻關試點工程。以此為標志,一般認為中國現代面板堆石壩技術起步于1985年。中國的現代面板堆石壩,按技術發(fā)展,大致可分為“引進消化、自主創(chuàng)新和突破發(fā)展”等三個階段[4](圖2)。
圖2 中國面板堆石壩發(fā)展示意圖Fig.2 Schematic diagram for development of CFRDs in China
中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會對中國混凝土面板堆石壩的壩址選擇和壩體布置、壩體斷面分區(qū)及筑壩材料、壩體防滲結構、壩基處理、導流與度汛、主體工程施工、安全監(jiān)測、試驗及計算、壩身溢流及壩體加高、惡劣自然條件筑壩等方面的主要技術進展進行了較為系統(tǒng)的總結,2010年完成綜述性論文《中國混凝土面板堆石壩25年》[4]。近年來,面板堆石壩筑壩技術又有了新進展。
天生橋一級、洪家渡、三板溪、水布埡、巴貢等面板堆石壩的建設經驗表明,200m級面板堆石壩筑壩技術是成功的、可靠的,相關壩體布置、壩體分區(qū)、筑壩材料、防滲結構、基礎處理、導流度汛、填筑分期、堆石填筑、面板澆筑、試驗研究與計算分析、安全監(jiān)測等技術可供300m級高面板壩建設參考和借鑒。
面板堆石壩設計的技術難題之一就是選擇與壩址地形地質條件和筑壩材料特性相適應的堆石料設計指標?!痘炷撩姘宥咽瘔卧O計規(guī)范》(DL5016—2011)明確提出按壩高選擇設計孔隙率或相對密度(見表1)。
表1 筑壩材料設計孔隙率或相對密度選擇表Tab.1 Design porosity or relative density for rockfills
根據已有經驗,對于狹窄河谷面板堆石壩、陡壩肩邊坡附近的堆石增模區(qū)一般選擇下限值。正在建設的猴子巖面板堆石壩(高223.5m)、江坪河面板堆石壩(高219m)均位于狹窄河谷地區(qū),上下游硬巖~超硬巖堆石料區(qū)設計孔隙率要求均小于19%。
試驗表明,現場原級配試驗的最大、最小干密度均大于室內試驗值,計算相對密度均小于1。參考200m級高面板堆石壩實踐經驗,并根據茨哈峽現場筑壩料碾壓試驗分析,中國工程師研究提出了300m級高面板堆石壩壩料碾壓參數及施工控制指標的建議:對于250m級以上超壩堆石料孔隙率宜按17%~19%控制;砂礫石料相對密度宜大于0.90,按照0.92~0.95控制。
高面板壩堆石壩安全可分歸納為整體安全、穩(wěn)定安全、結構安全等三個層次。第一層次為整體安全,包括洪水設計、抗震設計標準、壩頂超高等,第二層次為穩(wěn)定安全,包括變形穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定等,難點是變形穩(wěn)定,第三層次為結構安全,包括筑壩材料、壩體結構等相關要求。
高面板堆石壩的主要包括不利地形地質條件,壩頂漫流,壩體變形過大,面板結構性裂縫和擠壓破壞,壩體和壩基滲漏及滲透破壞,地震引起的面板破壞、止水失效,計算和分析理論不足等風險因素。隨著壩高增加,壩坡安全系數和可靠度呈降低趨勢,250m級以上高面板堆石壩需增加壩坡穩(wěn)定可靠性,可適當放緩壩坡。
高面板堆石壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數可按1.6和1.7控制,對應壩坡抗滑穩(wěn)定目標可靠指標正常工況可達4.45~4.7。初步探索表明,壩體變形可靠指標在蓄水期和竣工期分別為2.02和2.22,面板撓度可靠度指標蓄水期為1.766,大于歐洲結構設計規(guī)范Eurocode 0的指標1.5。高壩滲透穩(wěn)定具有足夠的安全裕度,滲透穩(wěn)定可靠度指標可達9.91。
針對古水、茨哈峽、馬吉和如美等超高面板堆石壩的工程特點,中國工程師開展了面板壩設計研究[5],包括壩體布置、材料設計、壩料分區(qū)、防滲結構、基礎處理等。超高面板堆石壩比高面板堆石壩在筑壩材料選擇、斷面設計、材料分區(qū)、設計指標、面板結構等方面有更高的要求。改進后的超高面板堆石壩,壩體抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、應力變形均可控制在已有經驗范圍內。
中國工程師歸納總結提出300m級面板堆石壩的安全標準及其控制指標。安全標準涉及樞紐整體安全、滲流安全、變形安全和抗滑穩(wěn)定安全,安全量化控制指標包括防洪標準、抗震設計標準、壩頂安全超高、大壩滲流控制指標、壩體變形控制指標、面板變形及應力控制指標、接縫變形安全控制指標、抗滑穩(wěn)定控制指標等。
超高面板堆石壩樞紐整體安全措施包括選擇較高的設計標準、適當的壩頂超高,壩體變形安全措施包括壩料級配、接縫可靠性、壩體整體和不均勻沉降等,抗滑穩(wěn)定安全措施和抗震安全措施包括較大的壩頂寬度、上部壩高放緩壩坡、上部壩體下游壩坡加筋、加強護坡、提高壩體壓實密度等。
《300m級高面板堆石壩安全性及關鍵技術研究》[5]對筑壩材料顆粒破碎特性、材料強度的影響、堆石料的流變特性、復雜應力路徑的影響,開展了大量室內三軸試驗。隨著堆石料孔隙率減小,模型參數提高,壩體變形明顯減??;試驗揭示,堆石料K值小于砂礫石料;≥5mm的顆粒含量越多,破碎率越高,在高圍壓條件,顆粒粒徑越小,顆粒破碎越不明顯。
研究表明,堆石料的顆粒破碎表現為大顆粒易于破碎和大試件材料參數低于小試件、大顆粒的咬合作用強于小顆粒和大試件材料參數高于小試件等兩種與尺寸有關的細觀機制??s尺效應由這兩種機制之間的綜合作用決定。高壩的實際變形值大于計算值,大壩堆石的實際變形參數低于室內三軸試驗值已為實際安全監(jiān)測所證實。
研究表明,導致縮尺效應的主要原因之一是高圍壓條件下顆粒破碎,這在室內大型試驗、現場試驗、數值計算模擬試驗三種方法得到相互補充和驗證。綜合試驗表明,當堆石料最大粒徑增大,摩擦角衰減值Δφ增加明顯,初始摩擦角φ0稍有增加;最大圍壓越大,縮尺效應越明顯;當最大粒徑增加,體變模量減小明顯,楊氏模量系數變化相對較小。堆石料的流變量和流變趨穩(wěn)時間均有所增加,但應力路徑對堆石料強度的影響不大。
超高面板堆石壩需采用與壩高相適應的應力變形分析的數值計算模型和計算方法。對200m級高面板堆石壩的計算分析程序改進包括[5]堆石材料的流變特性及相應的數值分析模型;反應堆石顆粒破碎特性的堆石本構模型;堆石與混凝土材料的非線性接觸特性及相關模擬方法;堆石材料特性的時效變化規(guī)律及其相應的數值模擬方法;精細化建模及大規(guī)模數值計算的并行計算方法。
典型高面板堆石壩的數值計算分析表明,只要壩體材料及其碾壓參數選擇適當, 特高面板堆石壩的應力變形規(guī)律與超高面板堆石壩的基本相當,但面板的應力和堆石體的位移均有較為明顯的增大。首次通過研究來揭示高混凝土面板壩面板擠壓破損機理,宏觀原因是過大的堆石體變形,直接原因是面板沿縱縫的位移和轉動接觸擠壓。
茨哈峽、古水、馬吉、如美4座面板堆石壩工程采用改進后的應力變形計算分析表明,大壩應力變形分布規(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200m級高面板堆石壩大致相當的水平。由于馬吉和如美壩壩高相對較高,蓄水后面板局部部位的應力偏大,可通過設置縫間柔性材料、平順兩岸趾板地形等措施來解決。
采用滲透變形試驗方法驗證了茨哈峽和古水壩的過渡區(qū)與墊層區(qū)的反濾關系。有過渡區(qū)的保護,在超高水頭下墊層料承受滲透梯度可超過200而不發(fā)生滲透破壞。滲流分析成果表明,當墊層料滲透系數達到10-4cm/s量級時,如果沒有面板保護,墊層料在過渡料的保護下不會發(fā)生滲透破壞,但需要適當采取措施對下游堆石料的滲流出口做好保護。
文獻[6]針對300m級高面板堆石壩計算和分析確定的接縫位移量值和位移特點,提出適應更大變形的接縫止水結構型式及止水材料。評價現行止水結構對300m級高面板堆石壩的適應性和改進措施,提出解決方向和方案。
通過總結已建工程,分析面板和趾板對300m級高面板堆石壩的適應性,提出混凝土原料選擇、混凝土配合比方案、相關施工措施,評價高寒地區(qū)面板混凝土耐久性及工程措施對300m級高面板堆石壩的適應性。開展混凝土面板耐久性防滲加強技術措施研究。
通過深入研究[5],真非線性模型、廣義塑性本構模型、循環(huán)本構模型及三維彈塑性接觸面本構模型得到改進和發(fā)展。研究還提出了高面板壩波函數組合法的非一致地震輸入和波動分析方法、非線性大壩與庫水耦合及涌浪的精細化分析方法、面板塑性損傷分析方法。
通過GPU加速技術、MPI并行計算、內存優(yōu)化、多任務和高效求解算法等先進技術及前述理論與方法,集成了三維靜動力分析軟件,效率高、大規(guī)模。建立了基于應力分析、變形分析、穩(wěn)定分析的高面板壩抗震安全性評價方法、評價標準以及極限抗震能力分析方法;論證了古水壩壩頂下游壩坡加鋼筋網、面板中部壓性豎縫內間隔填充復合橡膠板、面板上部設置永久性水平縫等抗震措施的有效性。
近年面板堆石壩填筑碾壓設備重量有較大發(fā)展,猴子巖壩、江坪河壩采用振動碾達到32t。文獻[6]重點對水布埡、三板溪、洪家渡、天生橋一級4個面板壩工程的施工技術和質量控制要求進行總結。依托天生橋、古水面板堆石壩分析研究堆石體分期填筑高差、填筑超高、預沉降期等確定壩體填筑程序的技術指標與面板變形控制的關系。
結合古水、馬吉、如美、茨哈峽水電站的具體設計工作,提出300m級高混凝土面板堆石壩適應度汛、提前蓄水發(fā)電,同時兼顧變形要求的施工方案,初選了碾壓機具,提出了壩體預沉降控制措施。
文獻[5]通過對國內200m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術進行深入調查,總結了高堆石壩安全監(jiān)測技術特點、難點,對主要監(jiān)測措施的有效性和存在的問題進行分析。對已有面板堆石壩安全監(jiān)測關鍵技術及儀器設備進行深化研究,對新技術、新儀器設備進行研究。通過研究提出適應高面板堆石壩1000m級監(jiān)測管線的變形監(jiān)測方案,包括監(jiān)測儀器結構形式、材料工藝、技術指標、埋設技術要求等,為300m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術研究提供技術支撐。
對高面板堆石壩監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預測系統(tǒng)進行研究。通過全面的調研并基于已有科研成果及現場監(jiān)測資料,提出蓄水期和運行期的監(jiān)測安全指標;對監(jiān)測數據進行合理評價及綜合分析,考慮時空效應結合多尺度有限元計算進行反演分析,獲得大壩材料的合理參數,并預測大壩在不同條件下的安全裕度及工作性態(tài);根據監(jiān)測和分析成果修正和完善不同時期各級警戒值和安全評價指標,提出相應的應急預案與措施。
文獻[4]對面板混凝土溫度和干縮裂縫、面板結構性裂縫及擠壓破壞、滲透破壞或水力沖蝕、接縫止水失效等方面的經驗教訓進行了較為系統(tǒng)的總結。近年來,仍有面板堆石壩筑壩出現類似的工程事故。
湖南白云面板堆石壩工程,壩高120m。1992開建,1998年完工并下閘蓄水。蓄水后前10年滲漏觀測顯示正常,2008年5月后滲漏量加大,最大達1200L/s。2015年完成加固處理。初步分析主要原因有:壩體與兩岸基巖變形不協調,大壩填筑體密實度不足、變形量過大,止水結構缺陷或者耐久性差,趾板基礎處理不到位,大壩填料分區(qū)不合理,各分區(qū)級配不良等。
四川布西面板堆石壩工程,壩高135.8m。2008年開建,2010年完工并下閘蓄水。一期蓄水后,發(fā)現大壩滲漏明顯偏大。水庫蓄水水位快速上升過程中,出現大壩沉降量加大及面板開裂異常情況。實測最大滲漏量1982L/s。檢查發(fā)現部分面板間出現錯臺、局部隆起,面板高程3300m附近出現局部橫向裂縫。
云南普西橋和甲巖面板堆石壩工程,壩高分別為140m和146m,初期蓄水后均出現壩后滲漏量較大情況,同時伴隨有壩體變形較大等情況。采取了降低庫水位檢查、加強岸坡帷幕灌漿、壩前拋灑粘土鋪蓋等工程措施進行處理。
面板堆石壩的任何設計和施工缺陷在施工期或運行期會毫無保留地顯露出來。面板堆石壩設計和施工關鍵還在于借鑒已有工程經驗,遵照客觀規(guī)律,開展深入細致的地質勘查和設計研究,提出與地形地質條件、筑壩材料特性相適應的設計和施工參數,保證施工質量,才能確保不出現壩體變形大、面板擠壓破壞、滲漏量過大等問題。
由于河流梯級水電開發(fā)及水資源合理配置的需要,未來我國西部還將建設一批調節(jié)性能好的高壩大庫工程。近期,古水、茨哈峽、拉哇和大石峽等工程均已在可行性研究或初步設計階段推薦面板堆石壩為選定壩型(見表2)。
這些工程壩址位于西部高山峽谷、交通不便、經濟不發(fā)達地區(qū);屬高壩大庫,庫容大于12億~41億m3,工程規(guī)模大;水庫大都具有較好的調節(jié)能力,為梯級中的控制性水庫和關鍵梯級;泄洪量900m3/s~13000m3/s,泄洪問題可通過岸邊溢洪道和泄洪洞加以解決;場地基本烈度為7度,地震設計烈度大于8度。這些工程壩址區(qū)工程地質條件復雜,設計和建設具有相當的難度,雖然前期設計階段均結合300m級高面板堆石壩適應性、安全性及技術對策和關鍵技術進行了研究,實施階段還需結合具體工程特點開展深入的研究。
新疆葉爾羌河干流上的阿爾塔什水利樞紐工程面板堆石壩最大高度164.8m[7],水庫總庫容約22.4億m3,電站裝機容量755MW。工程于2015年6月開工建設,預計2021年5月完工。工程具有高地震烈度、高邊坡、高壩及深厚覆蓋的“三高一深”特點[8]。
阿爾塔什面板堆石壩采用砂礫石和堆石料筑壩,上游壩坡1:1.7,下游壩坡1:1.6。河床覆蓋層最大厚度94m,趾板建在深厚覆蓋上。壩基覆蓋層采用全封閉混凝土防滲墻進行防滲處理。該工程建成后將是世界上趾板建在深厚覆蓋層上最高的面板堆石壩工程。
(1)中國面板堆石壩數量超全球總數的一半,技術難度、工程規(guī)模和壩高都處于世界前列。面板堆石壩在中國已成為土石壩中的主導壩型。
(2)中國面板堆石壩技術的發(fā)展大致經歷了“引進消化、自主創(chuàng)新和突破發(fā)展”三個階段。未來隨著中國水資源開發(fā)利用,還將促進更多面板堆石壩的建設。
(3)中國面板堆石壩在設計、施工、監(jiān)測、科研、惡劣自然條件筑壩等方面都積累了豐富經驗,形成了完整的工業(yè)化體系和技術標準化體系。
(4)中國從溝后潰壩事件,株樹橋等壩面板破損事故中吸取教訓,壩體變形控制、滲透控制以及混凝土面板防裂技術取得新的突破。
(5)中國面板堆石壩將向基巖上250m~300m級高壩、深覆蓋層上200m級高壩方向發(fā)展。大壩信息化筑壩技術、防震抗震研究設計、大壩安全監(jiān)測技術將邁上新臺階。
表2 擬建超高面板堆石壩主要特性表Tab.2 Main characteristics of the proposed super-high CFRDs in China
圖3 阿爾塔什面板砂礫石堆石壩剖面示意圖Fig.3 Section of Aertashi concrete face sand-gravel rockfill dam
[1] 中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會. 中國30m以上已建混凝土面板堆石壩統(tǒng)計表(截至2015年底).
[2] 中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會. 中國30m以上在建混凝土面板堆石壩統(tǒng)計表(截至2015年底).
[3] 中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會. 中國30m以上擬建混凝土面板堆石壩統(tǒng)計表(截至2015年底).
[4] 中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會. 中國混凝土面板堆石壩25年[A]. 混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測技術實踐與進展[C]. 北京: 中國水利水電出版社,2010:1-20.
[5] 水電水利規(guī)劃設計總院、中國水電工程顧問集團有限公司、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. 300m級高面板堆石壩安全性及關鍵技術研究[R]. 2016.
[6] 中國水電工程顧問集團公司、華能瀾滄江水電有限公司、云南華電怒江水電開發(fā)有限公司. 300m級高面板堆石壩適應性及對策研究[R]. 2010.
[7] 范金勇. 阿爾塔什深厚覆蓋上高面板砂礫石堆石壩壩體變形控制設計[J]. 水利水電技術,2016(47):29-32.FAN Jinyong. Design of Deformation Control on High Concrete Face Sandy Gravel-rockfill Dam Built on Aertashi Deep Overburden[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2016, 47(3): 29-32.
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The 30 Years’ Development of Concrete Face Rockfill Dam in China
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, Beijing,100048, China)
2015 is the 30th anniversary for introduction of modern technologies in constructing concrete face rockfill dams (CFRD)in China. In the past 30 years, construction techniques developed fast and a path of ‘introduction, development, innovation, and breakthrough’ is discovered to design and construct CFRD in China. The quantity, dam height, project scale and technical difficulty of CFRD in China are all at the forefront of the world.Plentiful and valuable experiences are accumulated and remarkable achievements are achieved in the design, construction, scientific research, safety monitoring. and dam construction under unfavorable natural conditions. Technologies of CFRD construction matured and develop to face greater challenges from the super-high dams. Brief summary is put forward in this paper on construction profile, technical progress, experience and lessons and development direction of CFRD.
concrete face rockfill dam, achievements of CFRD construction, technical development, experience and lessons,development direction
TV641
A
570.25
10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.001
2016-09-13
2017-01-11
楊澤艷(1962—),男,湖北老河口人,教授級高級工程師,全國勘察設計大師,副總工程師,主要研究方向:水電工程技術研究與設計、咨詢。E-mail: yangzy@creei.cn
周建平(1962—),男,湖南常德人,教授級高級工程師,總工程師,主要研究方向:水電工程技術研究及建設管理。zjp@powerchina.cn
王富強(1983—),男,山東單縣人,博士,高級工程師,主任助理,主要研究方向:水電工程技術研究與設計、咨詢、審查、驗收。E-mail: wfq@creei.org
吳毅瑾(1964—),女,江蘇宜興人,教授高級工程師,主要研究方向:水電工程技術研究與設計、咨詢、安全鑒定。
孫永娟(1943—),女,山東即墨人,教授高級工程師,主要研究方向:水電工程設計和科技管理。