江坪河水电站高面板堆石坝变形特点及设计研究

王国辉，殷彦高，张嘉明

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

江坪河水电站位于澧水一级支流溇水上游河段湖北省鹤峰县走马镇境内，工程以发电为主，兼顾防洪。水库正常蓄水位470 m，水库总库容13.66亿m3，具有多年调节性能。电站装机容量450 MW，多年平均年发电量9.64亿kW·h，为一等大(1)型工程。

电站枢纽建筑物主要有大坝、泄洪建筑物、引水发电系统。大坝布置于峡谷中部；泄洪建筑物集中布置于右岸，溢洪道为2条平行布置的隧洞泄槽式结构，溢流堰采用开敞式，孔口尺寸14 m×22 m(宽×高)，泄洪放空洞平行布置于溢洪道左侧，由进水口、有压洞、弧形闸门竖井及无压洞组成，控制断面6 m×6 m(宽×高)，泄洪建筑物采用挑流消能；引水发电系统布置在左岸，采用单机单洞供水方式，设2条直径为6.4 m的引水隧洞。岸坡式地面厂房安装2台混流式机组，单机容量225 MW。

1 坝体结构设计

混凝土面板堆石坝坝顶高程476 m，坝顶宽10 m，坝顶长414 m，最大坝高219 m。坝顶上游设“L”形防浪墙，下游设混凝土挡墙；大坝上游坡比为1∶1.4，下游综合坡比为1∶1.4，局部坡比1∶1.36，设置4级马道。

大坝分区设计：从上游至下游依次为上游盖重区(1B)、粘土铺盖区(1A)、垫层区(2A)、特殊垫层区(2B)、过渡区(3A)、堆石区(3B)和下游面块石护坡。其中，1A区顶高程378 m，宽5.0 m，上游坡比1∶1.6；1B区顶高程380 m，宽7.4 m，上游坡比1∶2.0；2A区水平宽4.0 m；3A区水平宽6.0 m，等宽布置。

混凝土面板高程400 m以下采用不等厚面板设计，以上为等厚面板，最大厚度1.05 m，最小厚度0.55 m。两岸受拉区面板分缝间距6 m，中部受压区为12 m。面板分三期浇筑，在高程360 m设置施工缝，高程430 m设置永久水平缝。其中，一期面板混凝土强度等级采用C35，二、三期面板为C30，抗渗等级W12，抗冻等级F100。趾板采用坝前设标准板，下接防渗板的结构形式。

周边缝止水系统采用三道止水加自愈系统，即“粉煤灰与表层塑性填料—中部铜止水—底部铜止水”的止水结构，高程380 m以上取消中部铜止水；面板垂直缝底部设“W”形铜止水，表面设置塑性止水。

表1 冰碛砾岩物理力学性质

表2 堆石料E-B模型参数

图1 主堆石料室内三轴试验应力-应变关系

2 填筑料特性及填筑参数

2.1 填筑料特性

坝体填筑石料主要为震旦系冰碛砾岩，属坚硬岩石，岩石压缩模量和抗剪强度较高。冰碛砾岩物理力学性质见表1。

为了解冰碛砾岩坝料的工程力学特性，通过室内大型三轴试验测定了坝料应力应变参数。试验强度破坏值原则：若主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1关系曲线有峰值时，取峰值作为破坏强度；若无峰值，则取ε1=15%时的(σ1-σ3)值作为破坏强度。根据应力-应变关系曲线整理的邓肯E-B模型参数见表2。

此外，为进一步了解江坪河水电站面板坝堆石料的力学特性，将目前世界上几座高面板坝主堆石料的室内三轴试验成果进行了对比，见图1。图中，同1种材料4条应力变形曲线的围压分别为0.5、1.0、1.5 MPa和2.0 MPa。从图1可知，各区堆石材料的应力、应变参数与密度增大、孔隙率减小有较好的正面效应。在高应力状态下强度呈非线性，各堆石区密度较高时，剪切过程中出现剪胀现象，低围压下剪胀性更为明显。经分析可知，堆石料冰碛砾岩变形模量较高，破坏变形相对较小，材料脆性较强。

2.2 爆破碾压试验及填筑参数

针对坝体填筑料进行了3次爆破碾压试验，其中，第3次为生产性爆破碾压试验。共进行了5场爆破试验，8场碾压试验，其中，第4场和第6场为推荐碾压场次。推荐场次碾压试验参数及碾后试验成果见表3、4。第4场碾压试验碾压前、后颗粒级配曲线见图2。通过分析爆破碾压数据可得：

(1)爆破料级配基本达到设计要求，整体上存在爆破料中P5含量和大于400 mm颗粒含量偏低的问题。

(2)不均匀系数、曲率系数、干密度等指标试验成果满足设计要求，整体上颗粒级配较好；但P5含量偏低，碾压后颗粒级配大于400 mm颗粒含量偏少。

(3)由碾压遍数与累积沉降率关系分析可知，碾压8～10遍，沉降量基本趋于稳定。

根据爆破碾压试验成果，确定坝体各区填筑参数及碾压技术指标，见表5。

表3 推荐场次碾压试验参数

表4 推荐场次碾压试验成果

图2 第4场碾压试验颗粒级配

表5 坝体各分区碾压技术指标

3 大坝应力变形特性分析

建立大坝三维模型进行非线性有限元计算分析。堆石料、垫层料和过渡料选用邓肯E-B模型，混凝土面板与垫层料间设置Goodman接触面单元，计算过程中考虑堆石体的流变效应，荷载逐级施加。由于江坪河水电站坝址区岸坡陡峻，考虑了坝体与岸坡间的摩擦接触作用，在坝体与岸坡之间设置了接触面单元，见图3。

图3 坝基与地基间的接触面

整个坝体结构共剖分得到总结点9 926个，总单元7 662个。其中，实体单元5 670个，面板单元451个，面板与垫层之间的接触面单元451个，坝基地基之间的接触面单元1 054个，竖缝单元431个，周边缝单元56个。坝体整体剖分网格见图4。

图4 大坝剖分网格

考虑堆石体运行期蓄泄循环作用下，坝体变形与应力的有限元计算极值见表6。大坝面板变形计算极值见表7。典型断面的变形和应力见图5～8。

表6 大坝有限元计算极值

表7 大坝面板变形计算极值

图5 坝体最大断面沉降(单位：cm)

江坪河水电站大坝的河谷宽高比仅1.8，且高程375 m以下为深切陡峭岸坡的河谷地形，为狭窄河谷上建设的典型高面板堆石坝。经过大坝三维静动力有限元分析，得到如下结论：

(1)狭窄河谷地形导致堆石体具有明显的拱效应[1-3]。不同计算条件下堆石体主应力最大值仅为1.96 MPa，仅占堆石体自重的40%左右；堆石体的最大沉降为149 cm，占坝高的0.7%；水库蓄水后面板的最大挠度为81.9 cm。

(2)分析狭窄河谷堆石体与基岩之间的相互作用表明，考虑狭窄河谷堆石体与基岩之间的滑移时，堆石体的最大主应力从1.87 MPa增大到1.96 MPa；堆石体的变形量也有所增大；面板的应力也有增大的趋势，更符合大坝的实际工作性态。

(3)堆石体的流变导致坝体的变形和应力均增加。满蓄后堆石体的沉降从138.3 cm增大到149.5 cm；面板挠度从77 cm增加到81.9 cm。堆石体流变使面板呈现进一步压紧的趋势，导致面板应力也有所增加。

(4)考虑运行期水库蓄泄循环荷载作用的流变过程，坝体的变形与应力都有所增大。堆石体最大沉降从128.2 cm增大到146.2 cm；面板挠度从54.0 cm增大到65.5 cm；面板顺坡向应力增大到18.6 MPa。

(5)大坝面板分别设置2条、1条和不设永久水平缝时，顺坡向压应力极值分别为12.20、13.81、14.23 MPa。设置永久水平缝可减小面板顺坡向压应力，均化面板应力分布；设置2条水平缝比设置1条更能改善面板工作性状。

图6 坝体最大断面水平位移(单位：cm)

图7 坝体最大断面大主应力(单位：MPa)

图8 大坝面板稳定期顺坡向应力(单位：MPa)

(6)坝址区地形复杂，如两岸扭曲的冲沟、陡坎和主河床在坝轴线位置的漏斗状河谷地形，导致坝体应力与变形较为复杂。

4 坝体变形控制措施

面板是大坝的主要防渗体。为避免200 m级高面板堆石坝容易产生的面板脱空、面板结构性裂缝、面板垂直缝挤压破坏等情况，针对江坪河水电站面板坝坝料(冰碛砾岩)、坝高(219 m)和河谷狭窄的特点，为减小大坝变形和不均匀变形，减少坝体沉降，主要采取以下措施：

(1)合理选择坝料。堆石料的选择是限制过大变形的主要手段，岩石类型是影响总变形量的决定性因素，较坚硬的岩石具有较小的变形，硬岩堆石流变变形速率的减少比软岩堆石快[4- 6]。江坪河水电站坝料主要采用冰碛砾岩，属坚硬岩石，强度适中，由占50%～59%碎屑和占41%～50%杂基2种矿物质组成。饱和单轴抗压强度为41.3～107 MPa，平均值为71.1 MPa；岩石的软化系数为0.55～0.78，平均值为0.65。

(2)提高填筑标准。坝体填筑标准从严要求，主堆石料和下游堆石料孔隙率采用了比已建200 m级高面板堆石坝更小的指标，即孔隙率小于或等于18.8%。坝体孔隙率在规范要求的填筑标准基础上提高约10%。

(3)合理坝体分区。在坝体分区方面，堆石体采用均质坝结构，有利于控制坝体变形与不均匀沉降。根据料源实际情况，主堆石料和下游堆石区均为同一种料，即冰碛砾岩，设计指标和碾压参数均相同，并在冲沟和两岸接头部位采用过渡料设置低压缩区。

(4)选择合适的碾压机具及碾压工艺。通过多场次爆破碾压试验，对碾压机具、碾压参数等提出了比以往面板堆石坝施工更高、更严的要求，首次提出了“32 t振动碾、60 cm铺层厚度、碾压12遍、洒水15%”的碾压机具和填筑碾压参数。

(5)减小河谷形状的不利影响。坝址岸坡陡峻，为漏斗状地形。为减小坝体拱效应，控制坝体不均匀沉降，修整陡坎使趾板下游边坡成为较平顺的连续面，避免较大的陡坡突变；填筑分区上使大坝不同部位的变形能平缓过渡。

(6)大坝填筑上下游均衡上升。大坝分期施工时，除坝内临时断面外，采取了均衡上升的填筑方式，尽量使坝体均衡沉降，减少坝体不均匀对周边缝和面板应力变形的不利影响。

(7)面板浇筑时机与分期。为减轻后期填筑的堆石体对先期面板位移的不利影响，面板分三期浇筑；面板浇筑采用双指标控制：一是，控制堆石体自沉降时间不少于6个月；二是，控制下部坝体沉降速率不大于5 mm/月。此外，在面板高程430 m设置1条永久水平缝，以减小面板顺坡向压应力，均化面板受力，改善其工作性态。

5 结 语

在狭窄河谷采用超硬岩填筑高混凝土面板堆石坝，坝体应力变形复杂，技术难度大[7-9]。本文在介绍江坪河水电站大坝结构设计与填料设计的基础上，通过研究填筑料的物理力学特性，提出了用于大坝应力变形预测的本构模型参数，通过现场爆破碾压试验，提出了大坝填筑参数及碾压技术指标，并分析了狭窄河谷高面板坝应力变形特性、变形产生的原因，以及采取的应对措施，可为狭窄河谷高混凝土面板堆石坝的建设积累经验。