超高堆石壩工程設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新

郭軍

【摘 要】超高堆石壩經(jīng)常出現(xiàn)面板受擠壓破損、彎曲裂縫以及拉伸裂縫等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性損壞，為改進(jìn)這種狀況，必須做好工程設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新工作。文章針對天生橋石壩工程進(jìn)行研究，探究了工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】超高堆石壩；工程設(shè)計(jì)；技術(shù)創(chuàng)新

我國自20世紀(jì)中葉起，從建成82.5米到310米高的石壩，證明了我國石壩工程建設(shè)的巨大進(jìn)步。但是，超高堆石壩工程的建設(shè)仍存有很多問題。超高面板壩經(jīng)常受外力擠壓和拉伸，造成結(jié)構(gòu)變形。超高堆石壩的設(shè)計(jì)，必須在原有設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，充分考慮它的特殊性，建立專屬的設(shè)計(jì)原則，解決擠壓破壞問題。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)技術(shù)，需要進(jìn)行大量的系統(tǒng)研究。

一、超高堆石壩工程概況

本文以天生橋一級面板堆石壩為研究對象。壩高178米，壩頂長為1104米，面板面積是17.27萬平方米，石壩填筑量為1800萬立方米，水庫的總?cè)萘渴?02.6億立方米。右岸的放空隧道與溢洪道構(gòu)成泄水建筑，泄流量最大分別可達(dá)到每秒1766立方米與每秒21750立方米。泄水建筑采用挑流消能加護(hù)方式提高穩(wěn)定性。壩高、面板面積以及壩體體積處于世界前列，給工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。

二、超高堆石壩工程設(shè)計(jì)

第一，主堆石壓縮模量值?？刂泼姘鍝隙?，并減少面板擠壓。壓應(yīng)變和壩高的平方呈正相關(guān)，和堆石壓縮模量呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)面板的壓應(yīng)變超過混凝土石壩可承受的最大壓應(yīng)變，面板就會(huì)出現(xiàn)破損。所以，超高堆石壩面板受擠壓變形的可能是存在的。測試天生橋一級壩面板的壓應(yīng)變可知，面板臨界壓應(yīng)變?yōu)?00×10-6，但是垂直縫處應(yīng)力集中，實(shí)際壓應(yīng)變值較高。垂直縫對面板結(jié)構(gòu)的連續(xù)性也有一定破壞，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮垂直縫對面板結(jié)構(gòu)的影響。面板的撓度和壩高的平方呈正相關(guān)，和堆石壩壓縮模量呈負(fù)相關(guān)?？刂泼姘宓姆€(wěn)定撓度不超過臨界撓度，就能有效控制面板壓應(yīng)變值。

第二，主堆石區(qū)的寬度。為施工方便，一般在壩頂只設(shè)主堆石區(qū)，在距離壩頂30米以外，設(shè)置主次堆石區(qū)。因水壓力產(chǎn)生的面板撓度，受主堆石區(qū)的寬度以及次主堆石的壓縮模量比影響。若模量比是0.5，則分界線應(yīng)設(shè)置在壩軸線上，增加主堆石的壓縮模量，保障面板撓度不變。當(dāng)分界線位于壩軸線時(shí)，壩體受自身重力影響，主次堆石發(fā)生差異沉降，差值與壩高呈正相關(guān)。受超高石壩高度影響，堆石頂部的上游面極易受力拉伸產(chǎn)生變形，面板頂部甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫。例如，在178米高的天生橋一級壩的墊層料部位，就產(chǎn)生了水平方位的拉伸裂縫。它的分界線頂部位于壩軸線上，模量比是0.5。而分界線傾下游1：0.5，模量比是0.2的薩爾瓦欣鈉壩卻沒有出現(xiàn)問題。所以，可以將主堆石區(qū)的寬度進(jìn)行加寬，減輕面板承受的拉伸力。同時(shí)，超高堆石壩主次堆石分界線可以采用傾下游的1：0.5。

第三，堆石壓縮模量比?？刂拼沃鞫咽膲嚎s模量比，可以避免墊層料部位因拉伸產(chǎn)生裂縫。天生橋一級壩的次主堆石區(qū)的壓縮量分別是22兆帕和45兆帕，模量比是0.49，主次堆石區(qū)分界線位于壩軸線上，墊層料出現(xiàn)了拉伸裂縫；而分析辛戈壩可知，它的次主堆石區(qū)的壓縮量分別為20兆帕和32兆帕，模量比是0.63，墊料層沒有出現(xiàn)拉伸裂縫。因此，在設(shè)計(jì)模量比時(shí)，應(yīng)確定模量比不小于0.65。

第四，蓄水計(jì)劃。水位升到墊層料裂縫出錢，墊層料停止拉伸，就會(huì)避免面板與墊層之間產(chǎn)生摩擦力，從而降低面的出現(xiàn)裂縫的可能。因此，制定科學(xué)的蓄水計(jì)劃，是降低超高堆石壩出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。

第五，制定科學(xué)的堆石預(yù)沉降時(shí)間。分析實(shí)測資料可知，拔釘?shù)男熳兂两盗亢蛪胃叱收嚓P(guān)，超高堆石壩的面板在水平方向易出現(xiàn)彎曲裂縫。并且裂縫的產(chǎn)生使其為初期，所以在慢板澆筑之前設(shè)定科學(xué)的堆石預(yù)沉降時(shí)間，可以避免面板破損。目前，我國設(shè)定的預(yù)沉降時(shí)間是3到6個(gè)月，平均每月沉降5毫米。

第六，滲流控制。要嚴(yán)格控制下游堆石的細(xì)料以及細(xì)料含量，保障堆石不變形。墊層料粒中要有35%到50%的顆粒粒徑小于5毫米，有5%到8%的顆粒粒徑小于0.75毫米。為減少細(xì)料流失，過渡料和下游堆石中粒徑小于5毫米的顆粒含量小于20%；粒徑小于0.075毫米的顆粒含量小于5%。

三、技術(shù)創(chuàng)新

（一）增強(qiáng)周邊縫止水系統(tǒng)的自愈功能

對接縫防滲進(jìn)行科學(xué)研究，分析各種止水材料的性能，全面分析接縫位置的受力情況，通過使用底部銅片、橡膠止水帶以及無粘性填料，增強(qiáng)止水系統(tǒng)的自愈功能。銅止水片能承受較大的切向位移，并且在1.3兆帕水壓下不發(fā)生繞滲。無粘性填料在水流的帶動(dòng)下可以充實(shí)周邊縫，具有較好的止水功能，并且無粘性填料老化慢，使用周期長。接縫設(shè)計(jì)需要遵循三項(xiàng)原則：第一，混凝土與止水片的粘結(jié)力要超過庫水壓力；第二，止水片尺寸與接縫位移相匹配；第三，高壩需配備自愈系統(tǒng)。

（二）壩體分期填筑，分期蓄水

在超高堆石壩工程建設(shè)完成之前進(jìn)行分期蓄水，可以對壩體施加預(yù)壓，有效控制壩體的變形。

（三）創(chuàng)新監(jiān)測技術(shù)

超高堆石壩工程的施工量大，施工難度系數(shù)高，需要全面考慮工程自身特點(diǎn)，完善安全監(jiān)測項(xiàng)目，使用先進(jìn)的觀測儀器，來檢測工程的質(zhì)量。設(shè)計(jì)初期，在壩體底部埋設(shè)水平垂直位移計(jì)，測量堆石體的內(nèi)部位移；在后期，為了觀測超高堆石壩工程特有的應(yīng)以應(yīng)變與變形，在設(shè)計(jì)中增加面板脫空觀測技術(shù)和墊層料坡面裂縫觀測技術(shù)，選用適宜的觀察儀器并進(jìn)行合理布置；在面板混凝土中埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，觀測面板的彎矩，對于面板受力機(jī)理研究有著重要意義。

（四）在壩基面延伸墊層料與過渡料長度

參照反濾保護(hù)的設(shè)計(jì)原理，將墊層料與過渡料的長度向下游延展0.3H，形成0.3H的壩基面條帶，增強(qiáng)地基的抗?jié)B透能力。

四、結(jié)語

在建設(shè)超高堆石壩工程時(shí)，合理運(yùn)用當(dāng)?shù)剀泿r料以及建筑物開挖料，分區(qū)設(shè)計(jì)壩體，實(shí)現(xiàn)挖與填的平衡，對于節(jié)省工程投資具有重要意義。在進(jìn)行大壩滲流控制設(shè)計(jì)時(shí)，科學(xué)制定墊層料的級配，使用壩基面設(shè)置0.3H條帶技術(shù)提高滲流控制性能。此外，在大壩建設(shè)中應(yīng)用到的分期填筑和分期蓄水手段，既可以實(shí)現(xiàn)工程的度汛需求，又能夠促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益快速提高。endprint