秘鲁查格亚CFRD的主要设计特点

［秘鲁］A.M.卡尔齐纳 等

查格亚(Chaglla)电站坐落于瓦努科，地处安第斯山脉和秘鲁亚马逊河流域之间。电站装机容量为456 MW，其发电量占秘鲁发电量的10%。工程于2011年4月开工，预计2016年2月完建。

工程主要建筑物为高211 m的混凝土面板堆石坝(CFRD)，水库库容为815万m3，坝顶长270m。左岸布置有一条1113 m长的发电引水隧洞，3条总长为2518 m的泄洪洞，由下游闸门控制，最大泄洪能力为5630m3/s。另外还布置有一座装机6 MW的小水电站，此电站的发电引水隧洞毗邻泄洪洞，从进口到电站主厂房约14.5 km。

鉴于查格亚CFRD的某些特征，采用了类似于新建高坝工程(150m至200m以上)的设计准则，以保证大坝良好的性能。本文给出了三维有限元分析结果及其在大坝设计中所起的作用，同时提出了接缝和止水的设计与布设理念。

1 地质与建基面特征

从地质的角度来看，坝区属于普卡拉(Pucará)组，主要由石灰岩组成。

坝址区的瓦亚加河谷是不对称的，河床附近左侧边缘为一狭窄的冲积台地，而右侧边缘直接形成峭壁。由于岩壁陡峭，没有多的覆盖层形成。

现场调查表明，河床有20m厚的冲积层，但随着继续开挖，证明平均厚度仅为10m。基于此，将趾板改为修建在18 m高的混凝土块上。

混凝土块前20m坐落在风化的灰岩上，在坝肩部位，趾板建在弱风化岩石上，根据RMR比尼奥斯基(Bieniawski)分类法为Ⅱ和Ⅲ类岩石。

坝肩部位的地基处理，考虑采用加密灌浆孔间距的方法进行灌浆。河床部位的灌浆帷幕延伸到混凝土块。

2 大坝简介

趾板根据基岩的质量和水力梯度进行设计，并受山谷形状的制约，特别是右岸。左右坝肩的坡度分别为50°和70°，不容许趾板延伸到下游段。为了维持约H/15的水力梯度 (H为库水位)，并减少开挖量，与水平段相连的趾板需与灌浆帷幕相适应，而垂直段满足其所需宽度。在右坝肩，从El.1080.0处开始，趾板变为垂直方向，不仅减少了开挖量，最重要的是减少了开挖高度。沿此轮廓线，施工人员利用悬挂的绳索进行趾板的开挖。

为得到期望的堆石变形模量，采用重型碾压机械(介于18～21 t之间，超过49 kN/m)进行薄层碾压，加水量为150～200L/m3。

根据设计，大坝按渐进的刚度进行材料分区，面板下填筑2B区材料形成一个较硬的区域和一个填筑砾石的区域，此区域砾石比临近右坝肩堆石料的模量更高，如图1所示。

图1 大坝过渡区

大坝填筑料采自河床和采石场，通过爆破或开挖获得。鉴于查格亚坝址形貌和陡峭的峡谷，石料的开采方式为从斜坡的上部爆破，向山下倾倒石料，使其自然成堆，然后应用到不同的大坝分区。

考虑到堆石料生产的难度，大坝中部采用特殊材料，形成占大坝总体积约20%的T区。T区材料由破碎岩石外加部分风化料，形成良好的级配曲线，其不均匀系数高于40且细骨料少于15%。

T区材料孔隙率约为0.2，是目前所得材料中最低的，材料模量预计可达到80MPa。

T区材料铺筑在反滤层上，目的是防止细骨料被带入邻近材料中。

3 三维有限元分析

为了评估大坝性状和山谷形状，采用MIDAS GTS软件进行三维有限元模拟，基于承包商提供的施工工序计划和水库蓄水方案，用增量法作为分析标准，采用线弹性本构模型。

分析结果得出了两种主要的趋向，面板应力状态和堆石体拱效应，据此需对设计进行调整。

图2给出了面板的压应力区和拉应力区，可用于划分受压面板、受拉面板和接缝。

图2 面板的拉应力和压应力

可以看出，右坝肩的拉应力较高，因此在右坝肩处增加了部分砾石(见图1)，使趾板基础和面板之间形成渐进的刚度，从而减少不均匀沉降。

尽管山谷高陡，但由于河床的宽度为30～40m，观测到的堆石体的拱效应低于预期。

4 接缝与止水

为保证防渗控制系统的安全性，需进行接缝和止水系统设计，可参考水布垭坝等高CFRD的成功经验。

(1)周边缝。周边缝主要采用了两种不透水构件作为保护系统，同时将缝密封。这两种构件为“D”型铜止水和波纹状橡胶止水，分别置于面板的底部和顶部。

(2)垂直压缝。通过观测近期所建大坝的力学性状，设计了此类缝。

(3)垂直拉伸缝。两种主要的止水层用于拉伸缝。这种构件由安装在顶部的波纹状止水构成，长为30cm。同时，“D”型铜止水安装在底部，此止水部件允许缝间出现25.2 cm的位移，从而避免了铜止水中出现拉应力。