300m级高混凝土面板堆石坝的可行性分析

P.T.克鲁兹

1 CFRD分区

B·库克等学者于1987年对CFRD进行了初步分区，见图1。其目的是便于设计人员和建设人员之间的沟通，简化对大坝断面的描述。当提到3B、T和3C区时，读者就会知道其在大坝中的位置。有时T区也作为3B或3C区的延伸。基础上的第1层应当作为可自由排水的排水层。

图1 CFRD分区

随着2003年坎普斯诺武斯(Campos Novos)高CFRD的建设，3个区域的厚度急剧减少。“新建”大坝的沉降和混凝土面板位移显著减少。中部压缩面板上压缩材料(氯丁橡胶，三元乙丙橡胶)的应用以及止水和粘结剂的应用，减少了因裂隙、裂缝、开口及混凝土面板失效所引起的渗漏。

2 碾压堆石料的特性

2.1 压应力与抗压强度

如果用土力学术语来描述材料的性能，则碾压堆石料性能类似于预固结材料。压应力或剪应力增加时，压缩模量E和抗剪强度会降低。图2示出了4种堆石料的压缩模量E随着压应力的增加而降低的变化趋势。这些参数是通过大坝现场观测得到的。

图2 堆石料竖向应力与压缩模量关系

2.2 渗透性与抗冲刷能力

堆石料的渗透性主要取决于填充孔隙的细骨料含量。渗透系数可以在10～3 cm/s到10cm/s间变化，代表了堆石料渗透的极限值。堆石料的一个重要特性就是不论受压或受剪都不会产生超孔隙水压力。

当细骨料含量超过正常值20%，或者骨料粒径小于4号筛孔径的8%～10%，或者小于200号筛的孔径时，坝体的渗透性将会降低。当重型卡车碾压时会出现“车辙”，如果“车辙”能压实，也就不会影响大坝的整体性能。堆石料抗水流冲刷能力较强，但不能漫顶。

3 更高坝可行性分析

3.1 稳定性分析

虽然很多CFRD的设计未见相关的稳定性分析，但可对其进行稳定性分析并可作为参考。

表1列出了300m级高CFRD的安全系数，这些堆石坝是用不同的堆石或砾石料建造的，有3种不同的坝坡。根据Bishop稳定性分析法计算得到的安全系数是合适的，查尔斯等学者在1984年发表的文章也证实了这一点。图3为两种分析方法的临界滑动面。从表1可以看出，300m级高CFRD坝需用具有高抗剪强度的材料来满足安全系数要求。

大坝的高度亦对安全系数有影响，对于抗剪强度 τ =1.13，σ =0.85 ，坝坡为1.4∶1.0的堆石坝，100，200，300m级 CFRD对应的安全系数分别为2.09，1.33，1.26。

图3 临界滑动面

3.2 变形分析

如果在现代数值计算模型中引入可变压缩模量，并对CFRD的位移进行预测，将有助于确定面板接缝以及趾板和坝肩的接触界面内止水和其他保护材料的尺寸。

通过估算压缩缝中的压应力，有助于选择合适的填充材料，也有助于选择面板尺寸和确定狭窄河谷中靠近坝肩的面板减少量。

3.3 渗流分析

3.3.1 施工期

通过在诸如低渗透性的堆石体外设置“竖向反滤层加水平排水层”，可收集雨季或施工期堆石体表面的水，使得堆石体的渗流降到最低。

表1 300m级高CFRD不同岩性堆石料的抗剪强度指标与安全系数

3.3.2 汛期

在铺设混凝土面板之前，或在运行期，或地震及其他突发事件发生之前，处于挤压边墙正下部的2A和2B区(破碎岩块与砂)上游侧的堆石料可作为半渗透层，以降低浸润线，并减少汛期坝体渗流量。

若因地震导致部分面板失效或因面板之间过大的压应力导致面板失效，2B区将以同样的方式防止坝体内出现大量渗流。

由土和砾石组成的1A和1B区亦可减少因裂缝和裂隙或者部分面板破坏产生的渗漏。

4 结语

在300m级高CFRD的设计中，适当参考上述数据和工程实例是很重要的。

研究表明，减少填筑层厚、使用硬岩作为筑坝材料、填筑料加水200～300L/m3、使用重型振动碾(＞5 t/m)等，对于降低CFRD的堆石体变形模量E以及减少坝体渗漏是有效的。

基于大量类似大坝堆石料的研究成果，建议在大坝施工期进行基于堆石体试样剪切试验性与压缩试验的稳定性与压缩分析。

大坝施工期需安装大量观测仪器并读取数据，这些数据可用于数学模型的修正，并可表明大坝剖面和坝坡的自然变化，也是成功修建越来越高大坝的宝贵资料。

研究、观测和实践三者紧密结合，是实现300m级高CFRD成功设计和运行的前提。