高寒地區(qū)面板壩設(shè)計中的特殊問題與對策

李遠程，張利娟， 史海英，周 偉，韓 健

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,鄭州 450003;2.武漢大學(xué),武漢 430072)

1 國內(nèi)外建設(shè)現(xiàn)狀

混凝土面板堆石壩以其充分利用當(dāng)?shù)夭牧?、適應(yīng)性廣、施工簡單、工期較短、造價較低等優(yōu)點，成為水電站設(shè)計中最富有市場競爭力的主流壩型，因而在國內(nèi)外得到了廣泛的采用和迅速的發(fā)展。隨著“西部大開發(fā)”和“一帶一路”的推進，在高寒、強蒸發(fā)、大溫差等惡劣自然環(huán)境下建造面板壩的工程正在增多?？上仓?，在我國的西北、華北、東北、西南及其他高海拔的嚴寒、寒冷地區(qū)，已率先建成了許多混凝土面板堆石壩，可供借鑒：最著名的是高緯度的黑龍江蓮花壩,壩高72 m,位于北緯42 ℃，極端溫差82.7 ℃；新疆的吉勒布拉克壩,壩高140.3 m,在北緯48 ℃左右, 最低氣溫分別為-49 ℃，是目前已建成高寒地區(qū)最高的面板壩；在高寒高海拔地區(qū)的工程有，西藏查龍水電站，壩高38.6 m，壩頂高程4 386 m，最低氣溫-41.2 ℃，松楚水電站，壩高40 m，壩頂高程4 190 m。國外的高寒地區(qū)面板壩，有美國的Courtright壩, 壩高98 m，位于高程2 500 m處； CabinCreek，壩高55 m，位于高程3 360 m處，最低氣溫都在-40 ℃，但在建造時沒有采取特殊抗凍措施。其中CabinCerek壩建20世紀60年代，已安全運行了幾十年；冰島Karahnjukar混凝土面板堆石壩，壩高198 m，也處于寒冷地區(qū)，冬季氣溫可達-25 ℃。表1給出了國內(nèi)部分建成高寒地區(qū)面板壩的資料。

表1 國內(nèi)部分建成在建高寒地區(qū)面板壩統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of CFRD built in the high-cold area

早期修建的工程因?qū)錃夂驐l件的負面影響認識不足，工程多少出現(xiàn)了一些問題，經(jīng)采取一些針對性的措施，修補處理后能正常運行。在此過程中積累了很多寶貴經(jīng)驗, 但也有不少教訓(xùn), 總結(jié)分析高寒地區(qū)面板堆石壩的筑壩經(jīng)驗和教訓(xùn),并提出相應(yīng)的新對策，避免后續(xù)工程重蹈覆轍，且對我國青海、新疆、西藏、云南等地的高寒地區(qū)面板堆石壩建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

2 墊層料級配和滲透系數(shù)問題

高寒地區(qū)面板壩主要爭議集中在墊層料的半透水性或全透水性。文獻[1]指出格里拉斯壩(位于哥倫比亞安第斯山區(qū)高程3 000.0 m) 墊層料含砂最平均值為25%，美國阿拉斯加州恐怖湖壩墊層料含砂量為29%～40%，僅具半透水性，由于墊層較薄，又是傾斜布置在壩體中，位于其后的過渡層、主堆石料的滲透系數(shù)較墊層料大數(shù)十倍以上，進入墊層的滲水在重力作用下，滲流基本上是垂直向下的，很容易排出，故水位變動面板下墊層料僅有潮氣，并非飽和態(tài),墊層區(qū)或小區(qū)料發(fā)生凍脹的可能性不大。文獻[2]指出嚴寒和寒冷地區(qū)的面板堆石壩墊層料壓實后滲透系數(shù)宜為1×10-2～1×10-3cm/s。文獻[3]指出設(shè)計有必要將墊層按水位進行分區(qū)，對于冬季可能受凍部位，設(shè)計中重點解決防凍脹的問題，對于非受凍部位，應(yīng)注重第二道防滲和防凍功能的共同發(fā)揮，指出高寒地區(qū)存在水的凍脹問題，為保證面板穩(wěn)定, 要求水位變幅區(qū)附近的墊層料有較好的排水性能，需適當(dāng)加大其滲透系數(shù)。然而，匹配滲透系數(shù)一項主要工作是墊層料級配的選擇，關(guān)門山壩和蓮花壩按照全透水性進行墊層料級配設(shè)計，即滲透系數(shù)K≥10-3cm/s, 表2給出了其級配曲線主要參數(shù)。文獻[4]給出最近新疆等地修建的混凝土面板砂礫石壩(如烏魯瓦堤壩)，從加強滲流控制、保證墊層的滲透穩(wěn)定性出發(fā)，加強調(diào)墊層料的半透水性和墊層作為第二道防滲線的作用，要求墊層料為連續(xù)級配料，其最大粒徑不超過80 mm，小于5 mm粒徑含量控制在35%～50%，小于0.1 mm粒徑含量不超過8%，滲透系數(shù)大多控制在10-3～10-4cm/s范圍內(nèi)。

表2 2座面板壩墊層料級配曲線主要參數(shù)Tab.2 Major parameters of grading curve with two CFRD bedding materials

通常認為，墊層料的滲透特性與其小于5 mm的顆粒含量直接相關(guān)，但進一步研究發(fā)現(xiàn)，針對小于5 mm粒徑百分比相同的兩組不同試樣，5 mm以下顆粒組成若有較大的不同，仍然導(dǎo)致滲透系數(shù)差別較大。文獻[5]表明，墊層料滲透性主要取決于細料含量，特別是d20的粒徑值，當(dāng)小于1 mm的粒徑含量小于20%時，滲透系數(shù)將大于10-3cm/s。

因此，為兼顧高寒地區(qū)面板壩墊層料保持一定的透水性和防滲性，墊層料小于5 mm的粒徑含量宜控制在25%～45%，小于1 mm的粒徑含量宜控制在15%～25%，可以確保墊層料滲透系數(shù)能夠達到5×10-2～5×10-4cm/s。圖1給出了推薦的高寒地區(qū)、溫和地區(qū)和國際大壩委員會修正的墊層級配曲線?？芍?，高寒地區(qū)墊層料下限已經(jīng)突破國際大壩委員會推薦的墊層料下包絡(luò)線，即國際大壩推薦的墊層料級配曲線并不能考慮高寒地區(qū)墊層料的特殊要求。

圖1 高寒地區(qū)、溫和地區(qū)和國際大壩委員會修正的墊層級配曲線Fig.1 The grading curve comparisons of high-cold area、 temperate area and modified by ICOLD

3 面板混凝土設(shè)計指標問題

在我國的高寒地區(qū)，往往伴隨著高蒸發(fā)的氣候特征，面板混凝土除了滿足抗凍要求外，還需具備抗干縮、冷縮等防裂要求。察汗烏蘇面板壩面板澆筑30 d后的裂縫條數(shù)為711條，分析原因是，澆筑面板時風(fēng)速大、濕度低、水化熱溫升快[6]。柳樹溝面板壩吸取了前者經(jīng)驗，選擇了溫和少風(fēng)季節(jié)澆筑、加強流水養(yǎng)護，并摻加羅賽纖維素，共發(fā)現(xiàn)裂縫27條。積石峽面板壩為減小水和膠凝材料的用量，面板混凝土出機坍落度為2～4 cm，且選用“祁連山”牌強度等級為42.5 MPa的中熱硅酸鹽水泥，面板澆筑30 d后的裂縫條數(shù)僅為71條。

混凝土的凍融破壞是影響其耐久性的另外一項主要因素。設(shè)計要考當(dāng)?shù)氐臉O端最低溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、晝夜溫差、溫度年變幅等要素, 特別是每年的凍融次數(shù)對混凝土壽命的影響甚至比極端最低氣溫更大。如北京十三陵抽水蓄能電站上水庫, 當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁丶s為-25 ℃,而每年凍融次數(shù)卻達到140余次,比東北地區(qū)的混凝土凍害更為嚴重。為此在面板混凝土設(shè)計上,一般都采用較高的混凝土強度等級,如C30F300。適度增加鋼筋含量,雙層雙向配筋,或上部面板配表層鋼筋。

建議在高寒地區(qū)面板壩的混凝土配比設(shè)計中, 要優(yōu)選低/中熱硅酸鹽水泥，使用高效減水劑和引氣劑；采用低坍落度,建議為3～5；盡量降低水灰比，宜小于0.45；減少用水量, 使用減水劑摻加聚丙烯纖維等措施, 以提高混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗裂性能；混凝土的強度等級應(yīng)大于C30，抗凍等級應(yīng)大于F300。表3給出了部分工程面板混凝土技術(shù)指標性能匯總。

表3 部分工程面板混凝土技術(shù)指標性能匯總Tab.3 Capability of concrete indexes with some CFRD

4 面板表面抗冰凍涂隔離層的設(shè)置

西藏查龍水電站，在運行期混凝土面板出現(xiàn)了嚴重的冰蝕，粗骨料大面積暴露和滾落。

實驗室和現(xiàn)場觀測資料都顯示，在高寒地區(qū)，每年一旦進入冰凍期，面板壩庫區(qū)首先結(jié)冰形成不連續(xù)冰膜，隨氣溫進一步降低，冰膜在庫面上迅速擴展并封庫，封庫之后在冰層的增厚過程中，由于自身體積膨脹會對面板產(chǎn)生擠壓力和摩擦力，稱為靜冰壓力，靜冰壓力可經(jīng)由混凝土面板均勻傳遞給下部堆石體，轉(zhuǎn)化為變形，能量被耗散，這部分作用力對面板的損傷有限；進入第二年，氣溫回升，面板與冰蓋脫開，受風(fēng)浪作用冰塊和面板發(fā)生反復(fù)撞擊，砸傷面板混凝土，部分特殊地區(qū)，春汛來臨，河流攜帶大量冰塊進入庫區(qū)，即便有排冰泄洪設(shè)施，仍會對混凝土面板形成沖擊，甚至影響防浪墻，這部分力稱為動冰壓力，這部分作用力對面板的損傷非常嚴重，可造成面板表面局部脫落和裂縫；第三種破壞力：面板混凝土中的微裂隙水，在冰凍過程中產(chǎn)生內(nèi)部膨脹力，在消融過程中，形成滲透壓力，在兩種綜合壓力反復(fù)交替的過程中，出現(xiàn)了由表及里的剝蝕破壞，若任其發(fā)展，則破壞加速，稱為凍融力。綜上所述，動冰壓力和凍融力是破壞面板混凝土的主要荷載，在設(shè)計過程中應(yīng)減弱其破壞力，因此嚴寒和寒冷地區(qū)的混凝土面板堆石壩，宜提高裂縫處理標準，以防發(fā)生凍融力，同時，國內(nèi)對高寒地區(qū)面板表面涂刷抗冰凍隔離層材料的工程實例日益增多，目的是阻斷冰體和面板的直接接觸。

因此，建議在高寒地區(qū)面板表面涂刷改性瀝青、聚脲、水泥基滲透結(jié)晶型材料、彈性聚氨酯等憎水隔離層?？驴聛喢姘宥咽瘔蚊姘灞韺油克㈦p組分彈性聚氨酯防水黏結(jié)材料，顯著提高了混凝土的抗凍性能。新疆JLBLK水電站在死水位以上面板表層涂刷彈性聚氨酯，國內(nèi)在建工程中，四道溝(壩高80.16 m)、西黑溝(壩高44 m)、馬拉臺(壩高71 m)均在混凝土表面涂刷彈性聚氨酯防水黏結(jié)材料，表4給出了彈性聚氨酯技術(shù)要求。

表4 JLBLK面板壩彈性聚氨酯的技術(shù)指標Tab.4 The technical index of elastic polyurethane with JLBLK CFRD

5 面板表層止水問題

已建的豐寧水電站、黑龍江蓮花壩、吉林小山壩、西藏查龍壩、新疆察汗烏蘇壩在早期運行過程中，進入冬季，水位波動區(qū)域的面板頂面表層止水系統(tǒng)不銹鋼錨栓被拔出、按壓表層蓋板的角鋼被拉彎，甚至拉斷、表層橡膠(不銹鋼)蓋板遭到撕裂、塑性填料被擠出，整個表層止水系統(tǒng)遭遇全方位破壞。

究其原因，如本文第4節(jié)所述風(fēng)浪作用下的動冰頻繁碰撞塑性止水，造成不銹鋼錨栓的疲勞性損傷，最終松動，庫水輕易流入螺栓與螺栓孔的縫隙中，在負溫下，水結(jié)成冰并在縫隙中膨脹，最終由于這種凍脹導(dǎo)致不銹鋼錨栓拔出失效，完全放松了表層止水的固定方式，這是表層止水破壞的第一步。從冰膜向冰蓋發(fā)展過程中，靠近面板的冰蓋受到側(cè)向約束，無法向下游膨脹，勢必會沿上游壩坡向防浪墻方向發(fā)生移動，在沿面板推頂?shù)倪^程中，對止水鼓包、角鋼產(chǎn)生牽引，使之發(fā)生破壞，稱為牽引破壞；冬春季節(jié)入庫徑流減小，而發(fā)電和灌溉的需求增加，導(dǎo)致庫水降低，剛性的冰蓋不能隨之下降，必然會懸掛在面板表面，在冰蓋消融過程中，面板與冰蓋接觸面率先解凍，冰蓋產(chǎn)生向下位移，對角鋼、橡膠蓋板、產(chǎn)生向下的拖曳，止水必然破壞，稱為拖曳破壞；如若庫水降落速度加快，冰蓋則會出現(xiàn)迅速斷裂，在混凝土面板表面發(fā)生翻滾、滑移等，會對橡膠蓋板、塑性填料產(chǎn)生較大撞擊和沖切，稱為撞沖破壞。

綜上所述，冰蓋的牽引、拖曳和撞沖對面板壩表層止水體系破壞巨大，為此，需盡量減小表層止水與冰面的接觸面積，即將角鋼換成扁鋼、采用下沉式塑性止水、減小鼓包表面積延長表層蓋板的長度，使用黏接強度更高效的錨固劑。圖2給出了目前國內(nèi)較為認可的高寒地區(qū)面板壩表層止水基本結(jié)構(gòu)。

圖2 高寒地區(qū)面板壩表層止水推薦形式Fig.2 The surface watertight seal recommended of CFRD in high-cold area

6 其 他

雖然是堆石壩，但面板壩在負溫條件下仍然不易灑水碾壓，部分工程冬季停工，影響了工期，目前的對策是可在冬季提高碾壓標準，在暖季對大壩進行大量補水或浸泡來彌補冬季未完成的濕化變形；擠壓邊墻低標號混凝土因氣溫過低，強度無法增長，制約了墊層料的施工強度，早期工程使用暖棚供暖，但供熱效率低，目前工業(yè)用電熱毯可供參考使用；早期工程發(fā)生了大量的安全監(jiān)測設(shè)備因冰凍發(fā)生破壞，這些問題都需要特別對待。

7 總 結(jié)

系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)高寒地區(qū)面板壩成功經(jīng)驗和教訓(xùn)，主要結(jié)論如下：

(1)區(qū)別常規(guī)面板壩，高寒地區(qū)面板壩主要有以下特殊性：墊層料容易發(fā)生凍脹破壞，影響面板穩(wěn)定；面板混凝土的抗凍、防裂問題突出；庫區(qū)冰蓋對面板的破壞效應(yīng)顯著；常規(guī)表層止水難易適應(yīng)冰蓋作用力。

(2)通過限定小于5 mm、1 mm粒徑的顆分組成，給出了匹配墊層料排水、防滲雙重功能的級配曲線。

(3)面板混凝土應(yīng)具有高強、高抗凍指標，配合比設(shè)計應(yīng)考慮實施減少水化熱溫升的措施及摻加防裂材料。

(4)分析研究冰蓋對面板混凝土、表層止水的損傷機理，給出了面板、止水防冰凍破壞的對策。

□