魏匡民 李 媛 李國英 黨振虎 米占寬

(1.南京水利科學研究院 巖土工程研究所,南京 210024;2.水利部 土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,南京 210029;3.中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

我國土石壩筑壩技術快速發(fā)展,設計、建設能力已得到國外市場認可,近些年在海外承擔了一批高土石壩建設項目[1-4].由于國內外技術規(guī)范體系、工程人員設計理念、重大工程實踐經(jīng)驗等方面存在差異,我國土石壩技術走向海外還面臨一些問題.一方面,在標準體系上應與國外標準全面對接;另一方面,應加大推廣國內已積累的實踐經(jīng)驗優(yōu)勢,在技術決策上占有主導地位.老撾南俄3面板堆石壩壩高210m,是“一帶一路”重要項目,由中國電建西北院設計、水利水電第十工程局承擔建設,受業(yè)主委托,法國ARTELIA 咨詢公司擔任監(jiān)理、咨詢工作.由于該壩壩高已接近世界第一高面板堆石壩-水布埡面板堆石壩(壩高233m),且壩料為片麻巖和風化粉砂巖混合料,模量較低,后期變形偏大,面板存在擠壓破壞、拉裂破壞、翹曲脫空等多個問題,給大壩安全帶來嚴峻挑戰(zhàn).

設計建設初期,ARTELIA 咨詢團隊就面板應力變形安全、壩體-地基摩擦接觸效應、面板脫空問題提出了質疑.根據(jù)咨詢意見,承建單位對該壩結構安全以及工程措施進行了計算論證,計算采用了雙方均認可的計算理論模型和參數(shù),并對面板脫空、壩體地基接觸摩擦、面板抗擠壓破壞、抗拉裂破壞措施等方面進行了分析,確定了最終的大壩設計、施工方案.在南俄3面板壩設計論證過程中,經(jīng)與國外團隊交流,深感國內在高壩設計、施工實踐經(jīng)驗上存在領先的優(yōu)勢,但在計算模擬的方法、模型精細化等方面還需向國外借鑒學習.本文詳細闡述了南俄3大壩結構安全論證方法以及工程應對措施,研究方法和技術路線可為海外同類型土石壩工程計算分析提供參考,研究結論可為特高面板堆石壩設計建設提供技術支撐.

1 工程概況

南俄3水電站位于老撾中部賽松本特區(qū)境內,壩址距萬象約265km,壩址以上集水面積3913km2,廠址位于壩址下游約16km 處.

樞紐布置方案主要由混凝土面板堆石壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成.水庫正常蓄水位723m,相應庫容14.11億m3,死水位670m,調節(jié)庫容9.72億m3,屬多年調節(jié)水庫.電站裝機容量480MW,裝3臺160MW 水輪發(fā)電機組.

混凝土面板堆石壩平面布置如圖1所示.壩頂高程729.5m,最大壩高210m,壩頂長度572m,壩頂寬度8m.大壩上游坡1∶1.4,下游壩面綜合坡度為1∶1.5,趾板寬度7.0～10.5m,厚度0.6～1.0m.

圖1 南俄3面板堆石壩平面布置

壩體材料分區(qū)主要由墊層區(qū)(2A)、過渡料區(qū)(3A)、主堆石區(qū)(3B)、下游堆石區(qū)(3C)組成,大壩材料分區(qū)如圖2所示.大壩主堆石料主要采用微新片麻巖和弱風化粉砂巖堆石料,次堆石料主要采用弱風化片麻巖和強風化粉砂巖堆石料.圖3為南俄3大壩建設期實景圖.

圖2 南俄3面板堆石壩材料分區(qū)與填筑次序

圖3 建設中的南俄3面板堆石壩

2 數(shù)值模型

圖4為大壩結構計算分析所采用的數(shù)值模型,其中圖4(a)為大壩整體模型,圖4(b)為面板、趾板、豎縫、周邊縫模擬,圖4(c)為壩體-地基無厚度接觸單元模擬.數(shù)值模型中堆石體和面板采用實體單元模擬,面板與墊層、壩體與地基之間的接觸關系采用Goodman單元模擬,面板接縫采用連接單元模擬[5].

圖4 南俄3面板堆石壩數(shù)值模型

堆石料瞬變模型采用國內外均廣泛使用的Duncan E-B模型[6],參數(shù)見表1,流變模型采用指數(shù)型的7參數(shù)模型[7,8],參數(shù)見表2.壩體-地基接觸面參數(shù)根據(jù)相關工程室內試驗取定[9].大壩施工次序如圖2所示,壩體分三期填筑,填筑至頂后分兩期澆筑面板,I期面板高程650m.壩體填筑共820d,面板澆筑和預沉降時間共用610d,開始蓄水至正常蓄水位共用450 d,計算模擬至正常蓄水后5年.大壩動力計算采用沈珠江動力模型[10]以及非一致的地震動輸入方法[11],參數(shù)見表3.表1中同時列出了水布埡面板堆石壩根據(jù)現(xiàn)場實測資料反演的E-B模型參數(shù)[12].可以看出,兩座堆石壩主堆石k值非常接近,強度參數(shù)和kb值水布埡堆石壩略大于南俄3,因此本工程的沉降率可能接近或略大于水布埡.兩座堆石壩從工程規(guī)模、筑壩料力學參數(shù)都具有較好的可比性,因此可充分借鑒水布埡的相關經(jīng)驗.

表1 筑壩料Duncan E-B模型參數(shù)

表2 筑壩料流變模型參數(shù)

表3 筑壩料沈珠江動力模型參數(shù)

3 面臨的工程技術問題

3.1 運行期面板擠壓破壞

初步設計面板采用C30 混凝土,標準抗壓強度20.1MPa,抗拉強度2.01MPa.計算結果表明,蓄水和運行期面板順坡向壓應力無超標現(xiàn)象,壩軸向應力受流變導致的擠壓變形所致,量值較大,圖5為運行期面板軸向應力超標區(qū)域.

圖5 面板軸向壓應力超標可能導致的破壞區(qū)域

面板擠壓破壞是高面板堆石壩需關注的重點問題,水布埡面板堆石壩2007 年4 月水庫蓄水后,于2007年7月至2015年8月陸續(xù)發(fā)現(xiàn)板間壓性縫兩邊表層混凝土出現(xiàn)擠壓破損[13].

3.2 面板拉裂破壞

計算表明,面板在運行期存在較大范圍的拉應力區(qū)域,這是由于該壩河谷地形特殊,兩岸基巖均為外凸形,如圖4(c)所示,兩岸面板下的堆石體較薄,如圖6所示,在水壓力作用下導致面板出現(xiàn)“反彎”趨勢,在面板底部出現(xiàn)了較大的拉應力.圖7為運行期面板壩軸向和順坡向拉應力超標區(qū)域.

圖6 左岸0+390剖面

圖7 混凝土面板拉應力超標區(qū)域

3.3 面板脫空

面板脫空的形成機理是剛性的混凝土面板和墊層料之間的變形不協(xié)調.未蓄水時,壩體的流變效應可能導致局部面板與壩體分離,蓄水后面板在水荷載作用下整體發(fā)生指向下游的位移,但由于面板在非均布荷載作用下仍可能在壩頂產(chǎn)生翹曲,形成局部面板脫空.如水布埡面板堆石壩在2015年進行了面板脫空檢測,發(fā)現(xiàn)右岸岸坡處面板壩頂區(qū)域存在輕微的脫空現(xiàn)象.

后期變形控制是防止面板脫空的重要方面,南俄3大壩在壩體填筑到頂后再澆筑面板,所以,壩體填筑期的變形對面板不產(chǎn)生影響,有利于面板應力變形控制.另外,在面板澆筑前設置了不小于6個月的預沉降期,同時在壩頂設置了監(jiān)測點用于記錄壩頂沉降,當壩頂沉降率控制在3～5mm/月以內的時候,方能澆筑面板.

第二，對危害國家安全、損害國家利益的行為，要依法打擊。2014年11月11日，習近平總書記簽署中華人民共和國主席令第十六號：《中華人民共和國反間諜法》已由中華人民共和國第十二屆全國人民代表大會常務委員會第十一次會議于2014年11月1日通過，并已公布、施行。[注]《中華人民共和國反間諜法(2014年11月1日第十二屆全國人民代表大會常務委員會第十一次會議通過)》，《人民日報》2014年11月13日，第8版。2016年，在某涉密科研單位工作的黃某，因偷賣90項國家絕密情報獲利70萬美元被判死刑，妻子唐某、姐夫譚某也因“過失泄露國家機密罪”被分別判處五年、三年有期徒刑。

竣工期面板無脫空現(xiàn)象,初次滿蓄時面板脫空最大值為0.39cm,沿順坡向的脫空長度為13.6m.面板脫空較為嚴重的工況為大壩低水位運行時.圖8為低水位(水位高程670m)時面板脫空范圍分布,面板脫空最大值為1.67cm,脫空最大長度為34m,位于左岸坡,這與左岸外凸形的基巖面密切相關.

圖8 低水位運行期面板脫空范圍

3.4 壩體-地基接觸摩擦

由于土石壩壩體與地基模量相差大,一般模擬中不考慮壩體與地基的接觸效應.ARTELIA 咨詢團隊認為南俄3大壩外凸形的河谷具有特殊性,壩體-地基之間存在相對滑移,可能會導致壩體局部破壞或對防滲體不利,應評估大壩-地基的相對滑移.圖9為竣工期壩體與地基相對滑移矢量,最大值為10.5cm,位于左岸594.0m 高程.圖10為壩上0+8.7m 剖面相對滑移矢量分布.

南俄3大壩先填筑壩體后澆筑面板,施工期壩體與地基相對滑移不會影響防滲體安全,圖11為工后壩體-地基接觸位移增量矢量,可見蓄水運行后壩體相對地基的滑移主要指向下游,最大值為2.9cm 位于左岸564.0m 高程處,同時可以看出,河床周邊縫區(qū)域也發(fā)生了一定的水平位移,這會導致河床部位面板周邊縫變形增加,對止水安全不利.

圖11 蓄水運行后壩體-地基相對滑移增量矢量

4 工程措施研究

4.1 面板抗擠壓破壞措施

為了減小軸向壓應力,決定在面板河床區(qū)域設置柔性縫,其中在12～17號、26～31號面板之間設置2.4cm 寬的壓性縫,在17～26號面板之間設5.0cm的壓性縫,如圖12所示.對柔性縫填料模量進行了敏感性分析,結果表明,采用彈性模量E為50～100 MPa的柔性填充料時,面板軸向壓應力能夠滿足要求.圖13為柔性縫填料模量為50MPa時面板軸向應力分布,最大壓應力為16.03MPa.

圖12 面板設置柔性縫

圖13 設柔性縫后運行期面板軸向應力(E=50MPa)

4.2 面板抗拉裂破壞措施

防止混凝土面板出現(xiàn)拉裂縫的工程措施主要有提高混凝土標號和加強配筋.由計算結果可知,面板拉應力出現(xiàn)在面板底部,高程較低部位.決定對620m 高程以下面板混凝土從C30提高至C35,并根據(jù)面板堆石壩設計規(guī)范和同類工程設計經(jīng)驗,加強了620m 高程以下面板配筋,配筋如圖14所示.同時為了防止面板施工期由于溫度、濕度變化引起的表面裂縫,在面板表面配置了一層鋼絲網(wǎng).

圖14 620m 高程以下面板配筋布置

4.3 面板防脫空措施

混凝土面板的脫空容易造成面板的隆起和塌陷,本工程中設計人員建議預留灌漿孔,運行期對面板脫空進行檢測,發(fā)現(xiàn)脫空后予以灌漿.ARTELIA 咨詢團隊認為,面板脫空主要發(fā)生在面板高高程部位,可在面板690m 高程設置一個鉸接的永久縫,如圖15所示,這樣就可以減小面板的脫空.本文對面板設水平縫的可行性進行論證.圖16給出了設置水平永久縫后低水位運行期面板脫空分布,脫空量最大值為1.17cm,脫空最大長度為20m,可見設置永久縫對改善面板脫空有一定效果.但是一些工程技術人員認為水平縫的設置會人為破壞面板的完整性,增加了施工的難度,同時在水壓力和地震荷載下可能產(chǎn)生較大變位引起集中滲漏.

圖15 面板690m 高程設水平縫

圖17為水平永久縫運行期和遭遇地震后水平縫剪切變形值,結果表明,永久縫最大值位于左岸岸坡處,最大值分別達到了9.3mm 和15.8mm,量值雖在正常范圍以內,但考慮到施工的復雜性,以及面板設橫縫缺乏工程實踐經(jīng)驗,不建議設置水平縫.另外,紫坪鋪面板堆石壩震后施工縫上部面板表現(xiàn)出滑動失穩(wěn)趨勢[14],如圖18所示,這表明地震動荷載作用下面板水平縫可能是面板安全的一個薄弱環(huán)節(jié).基于計算成果與咨詢、業(yè)主方討論最終確定面板不設水平縫.

圖17 水平縫剪切變形分布

圖18 震后面板沿順坡向的滑移(紫坪鋪)

5 結論

老撾南俄3面板堆石壩壩高達200m 級,面臨著面板擠壓、拉伸破壞、局部脫空等技術難題.本文研究了南俄3堆石壩存在的技術問題,并提出了相應的解決措施,主要結論如下:

1)南俄3面板堆石壩由于壩料模量偏低、流變變形大、特殊地形條件等因素影響,存在面板擠壓、拉裂破壞和局部脫空的風險.

2)采用對河床部位面板設置壓性縫的工程措施,降低了面板的軸向壓應力,提高中低高程區(qū)域面板的混凝土標號并加配抗拉鋼筋,防止面板底部受拉破壞.

3)建議預留灌漿管作為預防面板脫空的措施,增設面板橫縫對防止面板脫空有一定的作用,但考慮到橫縫止水可能對面板防滲不利,尤其是對地震期面板抗滑穩(wěn)定不利,本工程不予采用.