王建軍，李 卓，方藝翔，畢朝達(dá)

(1.寧夏六盤山水務(wù)有限公司，寧夏 固原 756000； 2. 南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029；

3.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029)

近些年，我國面板堆石壩筑壩技術(shù)發(fā)展迅速[1-4]，已建成一批世界級高壩，同時也面臨著優(yōu)良壩址不斷減少，需在復(fù)雜河谷地形和地質(zhì)條件下筑高壩的難題[5-6]。河谷地形是影響面板堆石壩應(yīng)力變形的重要因素，寬闊河谷對壩體的約束效應(yīng)較小，應(yīng)力分布的三維效應(yīng)較弱；狹窄河谷對壩體的約束效應(yīng)強(qiáng)，壩體應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的“拱效應(yīng)”，該“拱效應(yīng)”會導(dǎo)致施工期壩體變形較小而后期變形偏大。另外，由于狹窄河谷區(qū)壩體與壩基可能存在更強(qiáng)的剪切滑移和變形梯度，對面板和周邊縫變形控制非常不利[7-8]。

20世紀(jì)70年代，國外幾座修建在狹窄河谷區(qū)的面板堆石壩先后發(fā)生了滲漏事故。哥倫比亞1978年建成的Golillas大壩[9]，壩高125.0 m，河谷寬高比僅為0.87。該壩1982年6月開始蓄水，第一階段水位達(dá)到1/2壩高前滲漏穩(wěn)定，但蓄水至2 960 m高程時，滲漏急劇增加至520 L/s。緩慢降低庫水位至2 915 m高程時，滲漏量劇減到32 L/s，檢查發(fā)現(xiàn)主要滲漏源位于周邊墻及壩頭巖石的接觸面，并且面板的不均勻沉降導(dǎo)致了面板周邊縫的止水被破壞。哥倫比亞Anchicaya壩也是修建在狹窄河谷上的一座面板堆石壩[9]，壩高140.0 m，河谷寬高比為1.86，水庫于1974年10月19日開始蓄水，蓄水位達(dá)到溢洪道堰頂高程634 m時壩體滲漏持續(xù)增加，最大漏水量達(dá)到1 800 L/s。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，大部分滲漏發(fā)生在周邊縫的局部位置，尤以大壩右岸為重。

以上工程案例表明，修建在狹窄河谷區(qū)的面板堆石壩由于壩體與地基存在較大的剪切變形梯度，容易引起壩肩與地基接觸部位以及周邊縫的破壞，壩體變形控制顯得至關(guān)重要。本文以擬建的狹窄河谷區(qū)230 m面板堆石壩為例，系統(tǒng)介紹了狹窄河谷面板堆石壩變形控制技術(shù)，并采用三維有限元方法復(fù)核了該壩應(yīng)力變形安全，以期能為同類型工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

正在籌劃建設(shè)的某水利樞紐工程以調(diào)控生態(tài)輸水、灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用。推薦壩型為混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位高程2 170.00 m，壩頂高程2 175.50 m，最大壩高約230.5 m，總庫容5.36億m3，為Ⅱ等大(2)型工程。上游壩坡為1∶1.5，下游壩坡上部為1∶1.5，下部為1∶1.4。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分別為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、堆石料區(qū)，典型剖面分區(qū)如圖1所示。

圖1 大壩典型材料分區(qū)(單位：m)

壩料各分區(qū)設(shè)計如下：①墊層料區(qū)，水平寬度5 m，要求最大粒徑Dmax≤80 mm，小于5 mm的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為35%～55%，小于0.075 mm含量不大于8%，滲透系數(shù)為10-2～10-4cm/s，設(shè)計孔隙率n≤15%；②過渡料區(qū)，水平寬度5 m，Dmax≤150 mm，小于5 mm含量20%～35%，小于0.075 m含量小于5%，級配連續(xù)，n≤18%；③堆石區(qū)，最大粒徑Dmax≤600 mm，小于5 mm粒徑的顆粒含量不超過20%，小于0.075 mm粒徑的顆粒含量小于5%，n≤18%。墊層料、過渡料、主堆石料均采用P1料場爆破堆石料，主要為志留紀(jì)花崗閃長巖、角閃(黑云母)二長花崗巖和英云閃長斑巖，巖石干密度2.47～2.68 g/cm3，自然吸水率0.12%～0.63%，飽和吸水率0.16%～0.72%，飽和抗壓強(qiáng)度42.7～94.2 MPa，軟化系數(shù)0.72～0.95，各項指標(biāo)滿足筑壩要求。

該壩位于狹窄河谷區(qū)，河谷寬高比為2.17，尤其是河床部位有深切河槽，非常不利于面板和趾板布置，壩體平面布置如圖1所示。該壩壩高達(dá)230.0 m，庫水位為217.00 m，已接近世界第一高水布埡面板堆石壩[10]，但其地形條件較水布埡大壩更為復(fù)雜，且地震烈度更高。為了保障大壩結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計中采取了一系列壩體變形控制措施。

2 狹窄河谷區(qū)面板壩變形控制措施

a.河槽區(qū)設(shè)置混凝土高趾墩。如圖2所示，該壩河床部位存在深切陡峭河槽，面板難以布置。一旦面板向下延伸至建基面必然導(dǎo)致面板寬度突變和陡峭的周邊縫布設(shè)，不利于面板和周邊縫結(jié)構(gòu)安全。為了修補(bǔ)地形的缺陷，河槽底部設(shè)置一座43 m高重力式高趾墩，頂寬17 m，上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶0.85，頂部設(shè)計成趾板形式與混凝土面板連接，高趾墩三維布置如圖3。同時，為了保證高趾墩、混凝土面板、堆石料之間的變形協(xié)調(diào)，改善面板應(yīng)力變形狀態(tài)以及高趾墩頂部周邊縫的變位，在高趾墩與堆石料之間設(shè)置了增模區(qū)，并且在高趾墩下游設(shè)置干貧混凝土區(qū)，如圖1所示。

圖2 趾板展開示意圖(單位：m)

圖3 高趾墩三維布置

b.岸坡增模區(qū)以及陡峭岸坡修補(bǔ)區(qū)。為了確保堆石與岸坡接觸帶變形均勻，減小陡峻岸坡的不利影響，兩岸堆石體地基在趾板內(nèi)側(cè)到壩軸線范圍出露的高陡壁均采用干貧混凝土修補(bǔ)整形，處理后的坡比不陡于1∶0.3～1∶0.5，壩軸線下游區(qū)域也進(jìn)行處理，保證處理后坡比不陡于1∶0.1～1∶0.3。壩體與兩岸接觸帶設(shè)置增模區(qū)，以避免壩體與岸坡接觸帶堆石料大顆粒集中，影響填筑質(zhì)量。壩軸線上游增模區(qū)水平厚度設(shè)置為3 m，下游增模區(qū)水平厚度設(shè)置為2 m，如圖4所示。

圖4 大壩岸坡增模區(qū)布置

c.面板分塊設(shè)計。SL228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》[11]規(guī)定混凝土面板豎縫寬度一般為8～16 m。由于狹窄河谷區(qū)兩岸面板向河床部位的滑移趨勢更為明顯，為了緩解面板向河床滑移引起的拉應(yīng)力，對兩岸陡峭岸坡處面板寬度進(jìn)行縮小，以更好適應(yīng)變形。具體地，將左岸0+0.0 m～0+120.0 m和右岸0+360.0 m～0+500 m區(qū)域面板寬度縮減為6 m，并設(shè)拉性豎縫，河床部位面板寬度設(shè)為12 m，并設(shè)壓性豎縫。

d.周邊縫設(shè)計。一般150 m以上的面板壩周邊縫應(yīng)設(shè)底、頂部2道止水，也可設(shè)底、中、頂部3道止水[11]，考慮到在周邊縫中部止水可能會影響面板混凝土的振搗密實，所以只設(shè)置頂、底2道止水，其中頂部止水采用V形槽口橡膠/PVC棒+波形止水帶+塑性填料止水的結(jié)構(gòu)形式?？紤]到該壩鋪蓋頂高程2 045.00 m以上周邊縫因變形過大可能發(fā)生剪切破壞，在高程2 045.00～2 082.00 m之間沿周邊縫設(shè)置無黏性自愈型填料。

e.合理的預(yù)沉降期。為了克服狹窄河谷區(qū)大壩拱效應(yīng)強(qiáng)、后期變形大影響面板澆筑的問題，該工程采用3期面板澆筑，并且Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期面板澆筑前分別設(shè)置了3個月、3個月和5個月的預(yù)沉降期，保證澆筑面板前壩體沉降速率在允許范圍以內(nèi)。

3 狹窄河谷區(qū)面板壩變形控制有效性復(fù)核

3.1 筑壩料力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗

為了評估大壩設(shè)計的合理性，本文采用三維有限元方法模擬了該面板堆石壩的應(yīng)力變形性狀。通過大型三軸壓縮試驗和流變試驗測定了墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石、次堆石以及覆蓋層的瞬變、流變特性，得到的壩料“南水”模型[12]參數(shù)見表1，壩料流變模型[13]參數(shù)見表2。

表1 筑壩材料“南水”模型參數(shù)

表2 筑壩材料流變模型參數(shù)

3.2 筑壩料與基巖界面特性試驗

堆石區(qū)料與岸坡接觸面特性試驗在大型接觸面試驗儀上進(jìn)行。根據(jù)地勘提供的巖層粗糙度曲線，取代表性起伏差值的均值作為在混凝土試塊表面開鑿相應(yīng)凹槽的深度值，并按照巖層粗糙度曲線的最大起伏數(shù)，在混凝土試塊表面均勻開鑿相應(yīng)數(shù)量的凹槽，采用人工增糙的方法模擬現(xiàn)場邊坡的粗糙面。通過大型接觸直剪試驗得到的Duncan和Clough接觸面模型[14]參數(shù)：干密度2.17 g/cm3，內(nèi)摩擦角36.6°，黏聚力70.8 kPa，初始彈性模量系數(shù)6 605，孔隙率為0.38，破壞比0.71。

3.3 數(shù)值模擬方法

本文建立的230 m級面板堆石壩幾何模型如圖5所示，包括壩體、地基、高趾墩、壩體與地基之間的接觸摩擦單元。面板堆石壩壩體填筑分為7期，面板澆筑分為3期，填筑過程示意如圖6所示，施工期約650 d，計算模擬至蓄水運行后8 a。計算中基巖、高趾墩(C25)、面板(C30)均采用線彈性模型，壩料瞬變模型采用“南水”模型[12]，參數(shù)見表1，壩料流變模型參見文獻(xiàn)[13]，參數(shù)見表2，止水接縫模擬方法見文獻(xiàn)[15-23]，壩體-地基接觸面采用Goodman單元。

圖5 面板堆石壩幾何模型

圖6 面板堆石壩填筑次序(單位：m)

3.4 施工期壩體變形控制

施工期壩體變形控制主要由面板澆筑期的變形速率控制。本工程中Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期面板澆筑前分別設(shè)置3個月、3個月和5個月的預(yù)沉降期，用于控制面板澆筑前沉降速率。圖7(a)～(c)分別給出了面板澆筑前堆石頂部結(jié)點沉降速率變化過程。可見本工程預(yù)沉降期可將沉降率控制在4.6 mm/月、4.9 mm/月和4.9 mm/月，在面板澆筑前，沉降速率均小于5 mm/月，基本滿足面板澆筑要求[16-21]。

圖7 3期面板澆筑前堆石頂部結(jié)點沉降率過程線(高程單位：m)

3.5 蓄水、運行期壩體結(jié)構(gòu)性狀

竣工期、滿蓄期、運行期壩體最大沉降分別為183.6 cm、195.0 cm和202.5 cm，最終沉降量約占壩高的0.88%。圖8為計算的河床壩頂結(jié)點沉降過程，計算結(jié)果表明，在大壩填筑到頂后，隨著水荷載、壩料流變效應(yīng)的作用，壩頂沉降隨時間不斷增加，并在大壩蓄水運行8 a后變形基本收斂，壩頂最終沉降量為36.6 cm。

圖8 壩頂結(jié)點典型沉降過程

本研究考慮了壩體-地基之間的接觸摩擦效應(yīng)，圖9給出了運行期壩體相對基巖的接觸摩擦位移，可以看出，接觸摩擦變形較大區(qū)域位于窄河槽兩岸部位，運行期最大滑移量達(dá)到了7.03 cm，可見壩體與地基之間的接觸摩擦變形較為明顯，應(yīng)在計算中予以考慮。

圖9 運行8 a后壩體-地基接觸摩擦位移矢量分布

圖10為運行期混凝土面板的應(yīng)力與變形分布。圖10(a)為面板軸向位移分布，可以看出面板在壩軸向位移表現(xiàn)為由兩岸指向河床的擠壓變形，由于該壩位于狹窄河谷使得擠壓效應(yīng)更為強(qiáng)烈，右岸面板指向左岸位移最大值為5.4 cm，左岸面板指向右岸的最大位移為5.3 cm。圖10(b)為運行期面板撓度，最大值達(dá)到了81.6 cm。圖10(c)為運行期面板壩軸向應(yīng)力分布，可以看出，受水荷載和后期流變效應(yīng)影響，面板中部發(fā)生了較大的壓應(yīng)力，最大值為17.65 MPa，左右岸面板區(qū)域存在一定的拉應(yīng)力，最大值為1.20 MPa。圖10(d)為面板順坡向應(yīng)力分布，可以看出，由于低高程部位河谷非常狹窄導(dǎo)致順坡向壓應(yīng)力最大值發(fā)生在河谷地形突變部位，最大值達(dá)16.69 MPa，而頂部混凝土面板順坡向應(yīng)力值較小。從計算結(jié)果來看，該工程面板應(yīng)力在材料允許的強(qiáng)度范圍以內(nèi)，未發(fā)生拉、壓破壞。但兩岸面板的拉應(yīng)力較大仍需重點關(guān)注。

圖10 運行期8 a后混凝土面板應(yīng)力與變形分布

在蓄水、運行過程中面板周邊縫會發(fā)生三向變位，即沿趾板走向的錯動變位、指向壩內(nèi)的沉陷變位以及周邊縫的張開變形。對于位于狹窄河谷區(qū)面板壩來說面板向河床部位滑動引起的周邊縫錯動位移危害最大。表3給出了運行期周邊縫錯動變位分布，結(jié)果表明，錯動最大值為32.3mm，位于0+360剖面。該工程中周邊縫止水材料變位控制標(biāo)準(zhǔn)為：張開55 mm、沉陷70 mm、錯動55 mm，可以看出，周邊縫錯動變位仍在材料允許范圍以內(nèi)。

表3 運行期周邊縫錯動變位分布

本文統(tǒng)計了已建的天生橋一級、洪家渡、水布埡、三板溪、Bakun等一批200 m級面板堆石壩沉降率，平均值約為1.03%，本文堆石壩運行期沉降率約為0.88%，小于已建堆石壩平均值；已建的200 m級面板堆石壩的工后沉降率平均值為0.155%，本文230 m堆石壩壩頂工后沉降率約為0.16%，大于已建壩平均值?？梢?，狹窄河谷區(qū)面板壩變形總量小但后期變形大。

為了驗證工程措施的有效性，本文同時比較分析了壩體內(nèi)部不設(shè)置增模區(qū)、膠凝砂礫石區(qū)、基礎(chǔ)干貧混凝土區(qū)、兩岸岸坡增模區(qū)時大壩的應(yīng)力變形性狀。表4列出了采取增模措施、不采取增模措施下壩體應(yīng)力變形極值?？梢钥闯觯捎迷瞿４胧┖髩误w和防滲體的變形均有減小，增模措施尤其對于面板順坡向應(yīng)力和周邊縫的變位改善效果明顯。需要指出的是，周邊縫是面板堆石壩的“生命線”，尤其是狹窄河谷區(qū)的面板堆石壩，周邊縫變形控制是重中之重，從表4看出，增模措施設(shè)置對周邊縫變形改善明顯，達(dá)到了增模措施設(shè)置的目的。另外可以看出，局部增模區(qū)用于改善局部變形，對大壩整體應(yīng)力變形極值貢獻(xiàn)有限。

表4 采取和不采取增模措施下壩體應(yīng)力變形極值(運行期)

4 地震期大壩安全評估

大壩抗震設(shè)計烈度為9度，設(shè)防類別為甲類，取基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率為0.02地震動作為設(shè)計地震動，地震峰值加速度為411.0 gal。篇幅所限。計算結(jié)果表明，設(shè)計地震作用下壩軸向、順河向和垂直向反應(yīng)加速度分別為11.88 m/s2、12.17 m/s2和8.00 m/s2，相應(yīng)加速度放大倍數(shù)分別為2.87、2.94和2.91。壩體軸向、順河向永久變形分別為18.3 cm和52.7 cm，地震引起的面板壩軸向正向、軸向負(fù)向、法向增量變形分別為4.2 cm、-3.5 cm和81.7 cm，壩軸向靜動疊加后面板壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別為20.11 MPa和5.24 MPa，順坡向靜動疊加后面板壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別為19.41 MPa和2.67 MPa，震后周邊縫錯動、沉陷、張開分別為37.0 mm、41.2 mm和20.8 mm，震后豎縫張開為30.4 mm。地震殘余變形是反映土石壩地震安全比較直觀的因素，與汶川地震中的紫坪鋪面板壩相比，設(shè)計地震作用下該工程最大震陷比為0.34%，遠(yuǎn)小于汶川地震中的紫坪鋪面板壩的震陷率0.64%。地震情況下面板壓應(yīng)力在C30材料允許范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)壓碎破壞，但左右兩側(cè)面板上部壩軸向拉應(yīng)力以及右側(cè)面板頂部順坡向拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)拉裂破壞的可能性較大。震后面板止水接縫變位在允許范圍以內(nèi)。為保障大壩抗震安全，對地震反應(yīng)強(qiáng)烈的大壩壩頂采用了土工格柵加固，土工格柵鋪設(shè)范圍為2 172～2 110 m高程壩頂及下游壩坡區(qū)域，從下游坡起向上游壩體內(nèi)部延伸，土工格柵沿壩高方向?qū)娱g距設(shè)置為2.4 m。

5 結(jié) 論

a.受河谷效應(yīng)影響，狹窄河谷區(qū)面板堆石壩變形總量較小但后期變形大，對面板和周邊縫等防滲體系的應(yīng)力變形性狀影響尤為不利。

b.狹窄陡峻河谷區(qū)面板堆石壩壩體與基巖之間存在不可忽略的接觸變形，該變形可增加周邊縫的不利變位，在實際計算中應(yīng)予以考慮。

c.數(shù)值仿真表明，本文案例中采用的河床高趾墩、岸坡增模區(qū)、面板分縫優(yōu)化、周邊縫特殊設(shè)計、合理的預(yù)沉降時間等措施，較好地保障了狹窄河谷區(qū)大壩的靜、動力結(jié)構(gòu)安全。這些措施可為同類型的面板堆石壩設(shè)計、建設(shè)提供參考。