狭窄河谷高面板堆石坝变形控制与结构安全

2022-07-10王建军方艺翔毕朝达

水利水电科技进展 2022年4期

王建军，李卓，方艺翔，毕朝达

(1.宁夏六盘山水务有限公司，宁夏固原 756000； 2. 南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所，江苏南京 210029；

3.水利部大坝安全管理中心，江苏南京 210029)

近些年，我国面板堆石坝筑坝技术发展迅速[1-4]，已建成一批世界级高坝，同时也面临着优良坝址不断减少，需在复杂河谷地形和地质条件下筑高坝的难题[5-6]。河谷地形是影响面板堆石坝应力变形的重要因素，宽阔河谷对坝体的约束效应较小，应力分布的三维效应较弱；狭窄河谷对坝体的约束效应强，坝体应力呈现明显的“拱效应”，该“拱效应”会导致施工期坝体变形较小而后期变形偏大。另外，由于狭窄河谷区坝体与坝基可能存在更强的剪切滑移和变形梯度，对面板和周边缝变形控制非常不利[7-8]。

20世纪70年代，国外几座修建在狭窄河谷区的面板堆石坝先后发生了渗漏事故。哥伦比亚1978年建成的Golillas大坝[9]，坝高125.0 m，河谷宽高比仅为0.87。该坝1982年6月开始蓄水，第一阶段水位达到1/2坝高前渗漏稳定，但蓄水至2 960 m高程时，渗漏急剧增加至520 L/s。缓慢降低库水位至2 915 m高程时，渗漏量剧减到32 L/s，检查发现主要渗漏源位于周边墙及坝头岩石的接触面，并且面板的不均匀沉降导致了面板周边缝的止水被破坏。哥伦比亚Anchicaya坝也是修建在狭窄河谷上的一座面板堆石坝[9]，坝高140.0 m，河谷宽高比为1.86，水库于1974年10月19日开始蓄水，蓄水位达到溢洪道堰顶高程634 m时坝体渗漏持续增加，最大漏水量达到1 800 L/s。经过检查发现，大部分渗漏发生在周边缝的局部位置，尤以大坝右岸为重。

以上工程案例表明，修建在狭窄河谷区的面板堆石坝由于坝体与地基存在较大的剪切变形梯度，容易引起坝肩与地基接触部位以及周边缝的破坏，坝体变形控制显得至关重要。本文以拟建的狭窄河谷区230 m面板堆石坝为例，系统介绍了狭窄河谷面板堆石坝变形控制技术，并采用三维有限元方法复核了该坝应力变形安全，以期能为同类型工程建设提供参考。

1 工程概况

正在筹划建设的某水利枢纽工程以调控生态输水、灌溉补水为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用。推荐坝型为混凝土面板堆石坝，水库正常蓄水位高程2 170.00 m，坝顶高程2 175.50 m，最大坝高约230.5 m，总库容5.36亿m3，为Ⅱ等大(2)型工程。上游坝坡为1∶1.5，下游坝坡上部为1∶1.5，下部为1∶1.4。坝体填筑分区从上游至下游分别为上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层料区、过渡料区、堆石料区，典型剖面分区如图1所示。

图1 大坝典型材料分区(单位：m)

坝料各分区设计如下：①垫层料区，水平宽度5 m，要求最大粒径Dmax≤80 mm，小于5 mm的含量(质量分数)为35%～55%，小于0.075 mm含量不大于8%，渗透系数为10-2～10-4cm/s，设计孔隙率n≤15%；②过渡料区，水平宽度5 m，Dmax≤150 mm，小于5 mm含量20%～35%，小于0.075 m含量小于5%，级配连续，n≤18%；③堆石区，最大粒径Dmax≤600 mm，小于5 mm粒径的颗粒含量不超过20%，小于0.075 mm粒径的颗粒含量小于5%，n≤18%。垫层料、过渡料、主堆石料均采用P1料场爆破堆石料，主要为志留纪花岗闪长岩、角闪(黑云母)二长花岗岩和英云闪长斑岩，岩石干密度2.47～2.68 g/cm3，自然吸水率0.12%～0.63%，饱和吸水率0.16%～0.72%，饱和抗压强度42.7～94.2 MPa，软化系数0.72～0.95，各项指标满足筑坝要求。

该坝位于狭窄河谷区，河谷宽高比为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，坝体平面布置如图1所示。该坝坝高达230.0 m，库水位为217.00 m，已接近世界第一高水布垭面板堆石坝[10]，但其地形条件较水布垭大坝更为复杂，且地震烈度更高。为了保障大坝结构安全，设计中采取了一系列坝体变形控制措施。

2 狭窄河谷区面板坝变形控制措施

a.河槽区设置混凝土高趾墩。如图2所示，该坝河床部位存在深切陡峭河槽，面板难以布置。一旦面板向下延伸至建基面必然导致面板宽度突变和陡峭的周边缝布设，不利于面板和周边缝结构安全。为了修补地形的缺陷，河槽底部设置一座43 m高重力式高趾墩，顶宽17 m，上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶0.85，顶部设计成趾板形式与混凝土面板连接，高趾墩三维布置如图3。同时，为了保证高趾墩、混凝土面板、堆石料之间的变形协调，改善面板应力变形状态以及高趾墩顶部周边缝的变位，在高趾墩与堆石料之间设置了增模区，并且在高趾墩下游设置干贫混凝土区，如图1所示。

图2 趾板展开示意图(单位：m)

图3 高趾墩三维布置

b.岸坡增模区以及陡峭岸坡修补区。为了确保堆石与岸坡接触带变形均匀，减小陡峻岸坡的不利影响，两岸堆石体地基在趾板内侧到坝轴线范围出露的高陡壁均采用干贫混凝土修补整形，处理后的坡比不陡于1∶0.3～1∶0.5，坝轴线下游区域也进行处理，保证处理后坡比不陡于1∶0.1～1∶0.3。坝体与两岸接触带设置增模区，以避免坝体与岸坡接触带堆石料大颗粒集中，影响填筑质量。坝轴线上游增模区水平厚度设置为3 m，下游增模区水平厚度设置为2 m，如图4所示。

图4 大坝岸坡增模区布置

c.面板分块设计。SL228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》[11]规定混凝土面板竖缝宽度一般为8～16 m。由于狭窄河谷区两岸面板向河床部位的滑移趋势更为明显，为了缓解面板向河床滑移引起的拉应力，对两岸陡峭岸坡处面板宽度进行缩小，以更好适应变形。具体地，将左岸0+0.0 m～0+120.0 m和右岸0+360.0 m～0+500 m区域面板宽度缩减为6 m，并设拉性竖缝，河床部位面板宽度设为12 m，并设压性竖缝。

d.周边缝设计。一般150 m以上的面板坝周边缝应设底、顶部2道止水，也可设底、中、顶部3道止水[11]，考虑到在周边缝中部止水可能会影响面板混凝土的振捣密实，所以只设置顶、底2道止水，其中顶部止水采用V形槽口橡胶/PVC棒+波形止水带+塑性填料止水的结构形式。考虑到该坝铺盖顶高程2 045.00 m以上周边缝因变形过大可能发生剪切破坏，在高程2 045.00～2 082.00 m之间沿周边缝设置无黏性自愈型填料。

e.合理的预沉降期。为了克服狭窄河谷区大坝拱效应强、后期变形大影响面板浇筑的问题，该工程采用3期面板浇筑，并且Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期面板浇筑前分别设置了3个月、3个月和5个月的预沉降期，保证浇筑面板前坝体沉降速率在允许范围以内。

3 狭窄河谷区面板坝变形控制有效性复核

3.1 筑坝料力学性质室内试验

为了评估大坝设计的合理性，本文采用三维有限元方法模拟了该面板堆石坝的应力变形性状。通过大型三轴压缩试验和流变试验测定了垫层区、过渡区、主堆石、次堆石以及覆盖层的瞬变、流变特性，得到的坝料“南水”模型[12]参数见表1，坝料流变模型[13]参数见表2。

表1 筑坝材料“南水”模型参数

表2 筑坝材料流变模型参数

3.2 筑坝料与基岩界面特性试验

堆石区料与岸坡接触面特性试验在大型接触面试验仪上进行。根据地勘提供的岩层粗糙度曲线，取代表性起伏差值的均值作为在混凝土试块表面开凿相应凹槽的深度值，并按照岩层粗糙度曲线的最大起伏数，在混凝土试块表面均匀开凿相应数量的凹槽，采用人工增糙的方法模拟现场边坡的粗糙面。通过大型接触直剪试验得到的Duncan和Clough接触面模型[14]参数：干密度2.17 g/cm3，内摩擦角36.6°，黏聚力70.8 kPa，初始弹性模量系数6 605，孔隙率为0.38，破坏比0.71。

3.3 数值模拟方法

本文建立的230 m级面板堆石坝几何模型如图5所示，包括坝体、地基、高趾墩、坝体与地基之间的接触摩擦单元。面板堆石坝坝体填筑分为7期，面板浇筑分为3期，填筑过程示意如图6所示，施工期约650 d，计算模拟至蓄水运行后8 a。计算中基岩、高趾墩(C25)、面板(C30)均采用线弹性模型，坝料瞬变模型采用“南水”模型[12]，参数见表1，坝料流变模型参见文献[13]，参数见表2，止水接缝模拟方法见文献[15-23]，坝体-地基接触面采用Goodman单元。

图5 面板堆石坝几何模型

图6 面板堆石坝填筑次序(单位：m)

3.4 施工期坝体变形控制

施工期坝体变形控制主要由面板浇筑期的变形速率控制。本工程中Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期面板浇筑前分别设置3个月、3个月和5个月的预沉降期，用于控制面板浇筑前沉降速率。图7(a)～(c)分别给出了面板浇筑前堆石顶部结点沉降速率变化过程。可见本工程预沉降期可将沉降率控制在4.6 mm/月、4.9 mm/月和4.9 mm/月，在面板浇筑前，沉降速率均小于5 mm/月，基本满足面板浇筑要求[16-21]。

图7 3期面板浇筑前堆石顶部结点沉降率过程线(高程单位：m)

3.5 蓄水、运行期坝体结构性状

竣工期、满蓄期、运行期坝体最大沉降分别为183.6 cm、195.0 cm和202.5 cm，最终沉降量约占坝高的0.88%。图8为计算的河床坝顶结点沉降过程，计算结果表明，在大坝填筑到顶后，随着水荷载、坝料流变效应的作用，坝顶沉降随时间不断增加，并在大坝蓄水运行8 a后变形基本收敛，坝顶最终沉降量为36.6 cm。

图8 坝顶结点典型沉降过程

本研究考虑了坝体-地基之间的接触摩擦效应，图9给出了运行期坝体相对基岩的接触摩擦位移，可以看出，接触摩擦变形较大区域位于窄河槽两岸部位，运行期最大滑移量达到了7.03 cm，可见坝体与地基之间的接触摩擦变形较为明显，应在计算中予以考虑。

图9 运行8 a后坝体-地基接触摩擦位移矢量分布

图10为运行期混凝土面板的应力与变形分布。图10(a)为面板轴向位移分布，可以看出面板在坝轴向位移表现为由两岸指向河床的挤压变形，由于该坝位于狭窄河谷使得挤压效应更为强烈，右岸面板指向左岸位移最大值为5.4 cm，左岸面板指向右岸的最大位移为5.3 cm。图10(b)为运行期面板挠度，最大值达到了81.6 cm。图10(c)为运行期面板坝轴向应力分布，可以看出，受水荷载和后期流变效应影响，面板中部发生了较大的压应力，最大值为17.65 MPa，左右岸面板区域存在一定的拉应力，最大值为1.20 MPa。图10(d)为面板顺坡向应力分布，可以看出，由于低高程部位河谷非常狭窄导致顺坡向压应力最大值发生在河谷地形突变部位，最大值达16.69 MPa，而顶部混凝土面板顺坡向应力值较小。从计算结果来看，该工程面板应力在材料允许的强度范围以内，未发生拉、压破坏。但两岸面板的拉应力较大仍需重点关注。

图10 运行期8 a后混凝土面板应力与变形分布

在蓄水、运行过程中面板周边缝会发生三向变位，即沿趾板走向的错动变位、指向坝内的沉陷变位以及周边缝的张开变形。对于位于狭窄河谷区面板坝来说面板向河床部位滑动引起的周边缝错动位移危害最大。表3给出了运行期周边缝错动变位分布，结果表明，错动最大值为32.3mm，位于0+360剖面。该工程中周边缝止水材料变位控制标准为：张开55 mm、沉陷70 mm、错动55 mm，可以看出，周边缝错动变位仍在材料允许范围以内。

表3 运行期周边缝错动变位分布

本文统计了已建的天生桥一级、洪家渡、水布垭、三板溪、Bakun等一批200 m级面板堆石坝沉降率，平均值约为1.03%，本文堆石坝运行期沉降率约为0.88%，小于已建堆石坝平均值；已建的200 m级面板堆石坝的工后沉降率平均值为0.155%，本文230 m堆石坝坝顶工后沉降率约为0.16%，大于已建坝平均值。可见，狭窄河谷区面板坝变形总量小但后期变形大。

为了验证工程措施的有效性，本文同时比较分析了坝体内部不设置增模区、胶凝砂砾石区、基础干贫混凝土区、两岸岸坡增模区时大坝的应力变形性状。表4列出了采取增模措施、不采取增模措施下坝体应力变形极值。可以看出，采用增模措施后坝体和防渗体的变形均有减小，增模措施尤其对于面板顺坡向应力和周边缝的变位改善效果明显。需要指出的是，周边缝是面板堆石坝的“生命线”，尤其是狭窄河谷区的面板堆石坝，周边缝变形控制是重中之重，从表4看出，增模措施设置对周边缝变形改善明显，达到了增模措施设置的目的。另外可以看出，局部增模区用于改善局部变形，对大坝整体应力变形极值贡献有限。

表4 采取和不采取增模措施下坝体应力变形极值(运行期)

4 地震期大坝安全评估

大坝抗震设计烈度为9度，设防类别为甲类，取基准期100 a内超越概率为0.02地震动作为设计地震动，地震峰值加速度为411.0 gal。篇幅所限。计算结果表明，设计地震作用下坝轴向、顺河向和垂直向反应加速度分别为11.88 m/s2、12.17 m/s2和8.00 m/s2，相应加速度放大倍数分别为2.87、2.94和2.91。坝体轴向、顺河向永久变形分别为18.3 cm和52.7 cm，地震引起的面板坝轴向正向、轴向负向、法向增量变形分别为4.2 cm、-3.5 cm和81.7 cm，坝轴向静动叠加后面板压应力、拉应力分别为20.11 MPa和5.24 MPa，顺坡向静动叠加后面板压应力、拉应力分别为19.41 MPa和2.67 MPa，震后周边缝错动、沉陷、张开分别为37.0 mm、41.2 mm和20.8 mm，震后竖缝张开为30.4 mm。地震残余变形是反映土石坝地震安全比较直观的因素，与汶川地震中的紫坪铺面板坝相比，设计地震作用下该工程最大震陷比为0.34%，远小于汶川地震中的紫坪铺面板坝的震陷率0.64%。地震情况下面板压应力在C30材料允许范围内，不会出现压碎破坏，但左右两侧面板上部坝轴向拉应力以及右侧面板顶部顺坡向拉应力较大，出现拉裂破坏的可能性较大。震后面板止水接缝变位在允许范围以内。为保障大坝抗震安全，对地震反应强烈的大坝坝顶采用了土工格栅加固，土工格栅铺设范围为2 172～2 110 m高程坝顶及下游坝坡区域，从下游坡起向上游坝体内部延伸，土工格栅沿坝高方向层间距设置为2.4 m。