帶面板的對(duì)稱(chēng)干硬填筑壩與混凝土面板堆石壩的比較

[] M.E.

1 概 述

設(shè)計(jì)一座新壩，首要的一步就是要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)特的地形地質(zhì)條件來(lái)確定合適的壩型, 然后根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境條件和社會(huì)因素等確定大壩的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

對(duì)于不良?jí)位膲沃罚髩螖嗝孀詈迷O(shè)計(jì)成梯形斷面，這樣，其自重一般就比常規(guī)重力壩更重而無(wú)需靠建基面上的高抗剪強(qiáng)度來(lái)滿足抗滑安全要求。帶面板的對(duì)稱(chēng)干硬填筑壩(FSHD)和混凝土面板堆石壩(CFRD)，其斷面均為對(duì)稱(chēng)的梯形，上游鋪設(shè)的混凝土面板，能防止庫(kù)水透過(guò)壩體向下游滲漏。

本文重點(diǎn)對(duì)FSHD和CFRD兩種壩型的特性進(jìn)行比較與評(píng)估。方法為采用有限元分析軟件對(duì)這兩種壩型分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，并評(píng)估兩種壩型在承受靜荷載和動(dòng)荷載情形下的安全性。最后，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上對(duì)這兩種壩型進(jìn)行比較和評(píng)估。

研究成果表明，F(xiàn)SHD和CFRD都能很好地承受外荷載，但FSHD的變形比CFRD小，另外在多發(fā)性洪水的河流上，建FSHD比CFRD更經(jīng)濟(jì)。

2 兩種壩型的特點(diǎn)

FSHD是一種較新的壩型，1992年由日本首建，稱(chēng)作CSG，即膠凝砂礫石壩。這種壩是采用低成本的膠凝砂礫石材料建成，稱(chēng)為干硬填筑壩。FSHD有下列一些優(yōu)點(diǎn)：安全性高、抗震性強(qiáng)、壩基要求不高、施工簡(jiǎn)便、工期不長(zhǎng)，而且對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小。

由于大壩斷面為梯形，所以這種壩型的自重量和抗剪強(qiáng)度面比傳統(tǒng)的重力壩要大得多(見(jiàn)圖1)。同時(shí)由于壩基抗剪強(qiáng)度較高，無(wú)需再滿足抗滑穩(wěn)定的安全要求，這也就意味著這種壩甚至可建在不良的壩基上。

圖1 膠凝砂礫石壩斷面

CFRD當(dāng)然更受青睞，現(xiàn)已風(fēng)行全世界，特別是在大雨或暴雨經(jīng)常光顧和不透水黏土缺乏的地帶更是如此。CFRD在過(guò)去的40 a中之所以得以廣泛運(yùn)用，原因就在于與內(nèi)置土心墻的堆石壩相比，其成本更低，性能更高。

現(xiàn)代堆石壩的設(shè)計(jì)，包括CFRD現(xiàn)代設(shè)計(jì)的精髓，都已載入壩工設(shè)計(jì)的史冊(cè)，因此，往往有必要根據(jù)歷史上其他大壩的實(shí)際性能資料來(lái)評(píng)判現(xiàn)代大壩的特性。近年來(lái)，人們對(duì)CFRD的特性、設(shè)計(jì)、施工和性狀等進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)在，CFRD高壩遍布世界各地，例如，1967年美國(guó)建的155 m高的新?？怂瑰X(qián)吉(New Exchanger)壩、1993年墨西哥建的187 m高的阿瓜米爾帕(Aguamilpa)壩、2008年中國(guó)建的233 m高的水布埡壩等。

3 FSHD和CFRD的有限元模型

為評(píng)估FSHD和CFRD這兩種壩型承受外荷載的安全性，作者采用有限元模型進(jìn)行了研究，并選用了伊朗卡海爾(Kahir)壩的常規(guī)特性(幾何形態(tài))、壩基材料特性、壩高和庫(kù)水位等參數(shù)，建立了兩個(gè)模型(兩壩型研究的詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2)。

表1 FSHD和CFRD模型的幾何特性

表2 有限元模型的特性參數(shù)

卡海爾壩建在伊朗東南部的卡海爾河上，按預(yù)定計(jì)劃于2012年開(kāi)工。該壩68 m高，壩頂寬4 m，壩底寬71.9 m。上下游壩坡均為0.7H∶1V，是伊朗的第一座FSHD。壩址所在的流域面積為4 596 km2，流域年均降水量為150 mm。

采用了ANSYS有限元分析軟件對(duì)該FSHD進(jìn)行模擬。建立了二維有限單元，分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。壩體(干硬填筑壩體)、混凝土面板和壩基，均采用實(shí)體結(jié)構(gòu)單元PLANE82，共8個(gè)結(jié)點(diǎn)。采用接觸面單元模擬壩體和混凝土面板間的單元。有限元模型具有平面變形的特性。另外還假定壩體、混凝土面板和壩基均為彈性材料。

采用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行CFRD的模擬，并建立2D有限元模型進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。壩體、混凝土面板和壩基采用6結(jié)點(diǎn)單元。壩體和混凝土面板間的單元為接觸面單元。有限元模型具有平面變形的特性。同樣假設(shè)混凝土面板和壩基為彈性材料，壩體模型為摩爾-庫(kù)侖(塑性)模型。

對(duì)兩種壩型的有限元模型進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析時(shí)所加的外部荷載為:

(1) 壩體自重;

(2) 上游面的靜水壓力；

(3) 壩底揚(yáng)壓力；

(4) 上下游水壓力作用下的壩體慣性力(動(dòng)荷載)；

(5) 大壩上游側(cè)的動(dòng)水壓力。

兩種壩型的地震系數(shù)都設(shè)為0.15。

4 FSHD和CFRD的技術(shù)評(píng)估

FSHD在動(dòng)荷載作用下，壩體和混凝土面板的最大變形比CFRD要小得多，其最大水平和垂直變形分別為1∶11和1∶14，而且FSHD的面板安全性比CFRD高。表3列出了FSHD的主應(yīng)力和安全系數(shù)。在靜荷載和動(dòng)荷載兩種情形下，F(xiàn)SHD壩體應(yīng)力分布的安全系數(shù)分別為3和1.5。壩體的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力比容許應(yīng)力要小得多。因此可以得出結(jié)論，這種大壩安全狀態(tài)良好。此外，F(xiàn)SHD可采用水泥標(biāo)號(hào)較低的干硬填筑材料。

表3 FSHD的主應(yīng)力狀況

CFRD的有限元模型表明，壩體中分布的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力很小，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為-0.5 MPa和0.3 MPa，可見(jiàn)大壩安全狀態(tài)良好。

壩底局部抗滑安全系數(shù)公式為:

K=(Σσf+cA)/τ

式中，σ為壩底垂直方向上的法向應(yīng)力；f為抗剪斷摩擦力;c為抗剪斷凝聚力;A為壩底寬；τ為壩底剪應(yīng)力。

圖2 CFRD和FSHD兩種壩型的壩底抗滑安全系數(shù)分布

FSHD和CFRD壩底抗滑安全系數(shù)分別為2.1和3.25。圖2分別示出了CFRD和FSHD兩種壩型的壩底局部抗滑安全系數(shù)的分布情況。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度分析，由于CFRD的自重量和滑動(dòng)面上具有抗阻滑作用的壩底寬度比FSHD大得多，所以CFRD的安全系數(shù)比FSHD高。從安全系數(shù)成果分析，CFRD的抗滑安全性比FSHD要高50%左右，但兩種壩型都不會(huì)有抗滑安全問(wèn)題。

5 FSHD和CFRD的經(jīng)濟(jì)評(píng)估

對(duì)FSHD和CFRD進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)估。從具體實(shí)施來(lái)講，建壩有6個(gè)最主要的方面:

(1) 導(dǎo)流建筑物;

(2) 壩基和壩肩開(kāi)挖并按需調(diào)整；

(3) 截水墻施工;

(4) 壩體施工;

(5) 溢洪道(或泄洪道)施工；

(6) 監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)。

如果FSHD和CFRD壩址基本一樣，則實(shí)施項(xiàng)目和相關(guān)成本就相同，對(duì)兩種壩型而言，第2項(xiàng)和第3項(xiàng)也都相同。

堆石壩(包括土石壩)導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)一般為7～10 a，而RCC壩則為3～5 a。這是因?yàn)槎咽瘔问┕て诒萊CC壩長(zhǎng)，因此CFRD的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)在成本上就高于FSHD。

壩基、壩肩開(kāi)挖成本和截水墻的施工成本可認(rèn)為是恒定不變的。

對(duì)于FSHD和CFRD兩種壩型，其壩體和溢洪道的施工是不同的。FSHD的壩體加混凝土面板所用的材料量(干硬填筑料)為696 654 m3，CFRD所用的堆石料為1 604 138 m3，CFRD和 FSHD的混凝土面板方量分別為15 564 m3和10 070 m3。

根據(jù)以上工程量，計(jì)算了FSHD和CFRD壩體和面板施工的總成本。FSHD的總成本為14 537 820美元, 其中壩體為13 933 080美元，混凝土面板為604 200美元。CFRD的總成本為11 360 737美元，其中壩體為10 426 897美元，混凝土面板為933 840美元(見(jiàn)表4)。

上述中的總成本未包括溢洪道的成本。對(duì)于CFRD來(lái)說(shuō), 溢洪道與壩體是分開(kāi)建的，溢洪道成本約占工程總成本的30%～35%。而對(duì)于FSHD來(lái)說(shuō),溢洪道是建在壩體當(dāng)中，其成本很低，僅占工程總成本的5% 左右，因此總體而言，CFRD成本比FSHD高。

表4 FSHD和CFRD填筑料和面板的總成本

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)對(duì)FSHD和CFRD分別進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估及兩者的相互對(duì)比，得出如下結(jié)論：

(1) FSHD是一種介于重力壩和CFRD之間的新型RCC壩，其性能優(yōu)良，并具有安全性高、抗震性好、對(duì)壩基面要求低、施工簡(jiǎn)便、工期短、成本低、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小等優(yōu)勢(shì)。

(2) CFRD 為對(duì)稱(chēng)的梯形斷面，上游側(cè)鋪設(shè)混凝土面板，防止庫(kù)水滲入壩體。這種壩型適合于建在沖積壩基和礫石料壩基的壩址上，尤其是常遭受暴雨和抗?jié)B黏土不充足的地帶更適合。

(3) 研究表明，F(xiàn)SHD的壩體和混凝土面板變形比CFRD要小。

(4) FSHD壩體的最大水平變形和垂直變形分別為1∶11和1∶14。

(5) 分析成果表明，兩種壩型的體內(nèi)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力比容許應(yīng)力小得多，故兩種壩型的安全性均良好。

(6) 低水泥用量和低強(qiáng)度的干硬填筑材料，都能用于FSHD的施工。

(7) CFRD的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大約為FSHD的50%以上，但兩種壩型都能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

(8) 從大壩的成本估算(包括引水系統(tǒng)、壩體、面板和溢洪道建設(shè)成本)得知，F(xiàn)SHD的總造價(jià)比CFRD低。

(9) 建在季節(jié)性頻發(fā)洪水河流上的大壩，選擇FSHD壩型比CFRD更好，因?yàn)樵陔y以預(yù)測(cè)的季節(jié)性洪水期間，F(xiàn)SHD的安全系數(shù)比CFRD更高。