带面板的对称干硬填筑坝与混凝土面板堆石坝的比较

2014-09-08M.E.

水利水电快报 2014年3期

[] M.E.

1 概述

设计一座新坝，首要的一步就是要根据现场独特的地形地质条件来确定合适的坝型, 然后根据技术、经济、环境条件和社会因素等确定大坝的最优设计。

对于不良坝基的坝址，大坝断面最好设计成梯形断面，这样，其自重一般就比常规重力坝更重而无需靠建基面上的高抗剪强度来满足抗滑安全要求。带面板的对称干硬填筑坝(FSHD)和混凝土面板堆石坝(CFRD)，其断面均为对称的梯形，上游铺设的混凝土面板，能防止库水透过坝体向下游渗漏。

本文重点对FSHD和CFRD两种坝型的特性进行比较与评估。方法为采用有限元分析软件对这两种坝型分别进行静态和动态分析，并评估两种坝型在承受静荷载和动荷载情形下的安全性。最后，从技术上和经济上对这两种坝型进行比较和评估。

研究成果表明，FSHD和CFRD都能很好地承受外荷载，但FSHD的变形比CFRD小，另外在多发性洪水的河流上，建FSHD比CFRD更经济。

2 两种坝型的特点

FSHD是一种较新的坝型，1992年由日本首建，称作CSG，即胶凝砂砾石坝。这种坝是采用低成本的胶凝砂砾石材料建成，称为干硬填筑坝。FSHD有下列一些优点：安全性高、抗震性强、坝基要求不高、施工简便、工期不长，而且对环境的负面影响最小。

由于大坝断面为梯形，所以这种坝型的自重量和抗剪强度面比传统的重力坝要大得多(见图1)。同时由于坝基抗剪强度较高，无需再满足抗滑稳定的安全要求，这也就意味着这种坝甚至可建在不良的坝基上。

图1 胶凝砂砾石坝断面

CFRD当然更受青睐，现已风行全世界，特别是在大雨或暴雨经常光顾和不透水黏土缺乏的地带更是如此。CFRD在过去的40 a中之所以得以广泛运用，原因就在于与内置土心墙的堆石坝相比，其成本更低，性能更高。

现代堆石坝的设计，包括CFRD现代设计的精髓，都已载入坝工设计的史册，因此，往往有必要根据历史上其他大坝的实际性能资料来评判现代大坝的特性。近年来，人们对CFRD的特性、设计、施工和性状等进行了大量的研究。现在，CFRD高坝遍布世界各地，例如，1967年美国建的155 m高的新埃克斯钱吉(New Exchanger)坝、1993年墨西哥建的187 m高的阿瓜米尔帕(Aguamilpa)坝、2008年中国建的233 m高的水布垭坝等。

3 FSHD和CFRD的有限元模型

为评估FSHD和CFRD这两种坝型承受外荷载的安全性，作者采用有限元模型进行了研究，并选用了伊朗卡海尔(Kahir)坝的常规特性(几何形态)、坝基材料特性、坝高和库水位等参数，建立了两个模型(两坝型研究的详细数据见表1和表2)。

表1 FSHD和CFRD模型的几何特性

表2 有限元模型的特性参数

卡海尔坝建在伊朗东南部的卡海尔河上，按预定计划于2012年开工。该坝68 m高，坝顶宽4 m，坝底宽71.9 m。上下游坝坡均为0.7H∶1V，是伊朗的第一座FSHD。坝址所在的流域面积为4 596 km2，流域年均降水量为150 mm。

采用了ANSYS有限元分析软件对该FSHD进行模拟。建立了二维有限单元，分别进行静态和动态分析。坝体(干硬填筑坝体)、混凝土面板和坝基，均采用实体结构单元PLANE82，共8个结点。采用接触面单元模拟坝体和混凝土面板间的单元。有限元模型具有平面变形的特性。另外还假定坝体、混凝土面板和坝基均为弹性材料。

采用PLAXIS有限元软件进行CFRD的模拟，并建立2D有限元模型进行静态和动态分析。坝体、混凝土面板和坝基采用6结点单元。坝体和混凝土面板间的单元为接触面单元。有限元模型具有平面变形的特性。同样假设混凝土面板和坝基为弹性材料，坝体模型为摩尔-库仑(塑性)模型。

对两种坝型的有限元模型进行静态和动态分析时所加的外部荷载为:

(1) 坝体自重;

(2) 上游面的静水压力；

(3) 坝底扬压力；

(4) 上下游水压力作用下的坝体惯性力(动荷载)；

(5) 大坝上游侧的动水压力。

两种坝型的地震系数都设为0.15。

4 FSHD和CFRD的技术评估

FSHD在动荷载作用下，坝体和混凝土面板的最大变形比CFRD要小得多，其最大水平和垂直变形分别为1∶11和1∶14，而且FSHD的面板安全性比CFRD高。表3列出了FSHD的主应力和安全系数。在静荷载和动荷载两种情形下，FSHD坝体应力分布的安全系数分别为3和1.5。坝体的拉应力和压应力比容许应力要小得多。因此可以得出结论，这种大坝安全状态良好。此外，FSHD可采用水泥标号较低的干硬填筑材料。

表3 FSHD的主应力状况

CFRD的有限元模型表明，坝体中分布的拉应力和压应力很小，最大拉应力和压应力分别为-0.5 MPa和0.3 MPa，可见大坝安全状态良好。

坝底局部抗滑安全系数公式为:

K=(Σσf+cA)/τ

式中，σ为坝底垂直方向上的法向应力；f为抗剪断摩擦力;c为抗剪断凝聚力;A为坝底宽；τ为坝底剪应力。

图2 CFRD和FSHD两种坝型的坝底抗滑安全系数分布

FSHD和CFRD坝底抗滑安全系数分别为2.1和3.25。图2分别示出了CFRD和FSHD两种坝型的坝底局部抗滑安全系数的分布情况。从结构稳定性的角度分析，由于CFRD的自重量和滑动面上具有抗阻滑作用的坝底宽度比FSHD大得多，所以CFRD的安全系数比FSHD高。从安全系数成果分析，CFRD的抗滑安全性比FSHD要高50%左右，但两种坝型都不会有抗滑安全问题。

5 FSHD和CFRD的经济评估

对FSHD和CFRD进行了经济评估。从具体实施来讲，建坝有6个最主要的方面:

(1) 导流建筑物;

(2) 坝基和坝肩开挖并按需调整；

(3) 截水墙施工;

(4) 坝体施工;

(5) 溢洪道(或泄洪道)施工；

(6) 监测仪器布设。

如果FSHD和CFRD坝址基本一样，则实施项目和相关成本就相同，对两种坝型而言，第2项和第3项也都相同。

堆石坝(包括土石坝)导流建筑物设计洪水标准一般为7～10 a，而RCC坝则为3～5 a。这是因为堆石坝施工期比RCC坝长，因此CFRD的导流标准在成本上就高于FSHD。

坝基、坝肩开挖成本和截水墙的施工成本可认为是恒定不变的。

对于FSHD和CFRD两种坝型，其坝体和溢洪道的施工是不同的。FSHD的坝体加混凝土面板所用的材料量(干硬填筑料)为696 654 m3，CFRD所用的堆石料为1 604 138 m3，CFRD和 FSHD的混凝土面板方量分别为15 564 m3和10 070 m3。

根据以上工程量，计算了FSHD和CFRD坝体和面板施工的总成本。FSHD的总成本为14 537 820美元, 其中坝体为13 933 080美元，混凝土面板为604 200美元。CFRD的总成本为11 360 737美元，其中坝体为10 426 897美元，混凝土面板为933 840美元(见表4)。

上述中的总成本未包括溢洪道的成本。对于CFRD来说, 溢洪道与坝体是分开建的，溢洪道成本约占工程总成本的30%～35%。而对于FSHD来说,溢洪道是建在坝体当中，其成本很低，仅占工程总成本的5% 左右，因此总体而言，CFRD成本比FSHD高。