豎向排水——地震區(qū)采用新材料修建CFRD的一種安全措施

［巴西］B．馬特恩

?

豎向排水——地震區(qū)采用新材料修建CFRD的一種安全措施

［巴西］B．馬特恩

摘要:隨著建壩經(jīng)驗的不斷累積，混凝土面板堆石壩(CFRD)的設(shè)計水平也在不斷提高。介紹了RCC經(jīng)典分區(qū)、CFRD的抗震性能、用于防止下游壩體飽和的豎向排水，以及中南美國家采用新材料筑壩的設(shè)計理念。研究表明，豎向排水可作為地震區(qū)采用新材料修建CFRD的一種安全措施。

關(guān)鍵詞:混凝土面板堆石壩;壩設(shè)計;抗震設(shè)計

1　概述

自1984年在美國底特律舉辦的專題研討會以來，CFRD設(shè)計與施工技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。當(dāng)時，J．B庫克和J．L．謝拉德兩位專家論述并建議采用國際分區(qū)對CFRD不同新設(shè)計和施工方案進(jìn)行比較。

在過去的30 a內(nèi)(1984～2014年)，由于發(fā)生了很多重大事件，使得設(shè)計方法不斷改進(jìn)，這包括采用不同于堆石料的新材料，以及在地震區(qū)采用更為安全的大壩施工方法。

本文旨在論述現(xiàn)有的經(jīng)驗，在壩體內(nèi)部材料質(zhì)量不良的情況下，通過控制中心排水來保護(hù)下游區(qū)域，甚至防止在極端情況下下游區(qū)域的飽和，以及由于地震破壞趾板的防水性能而導(dǎo)致的大壩上游區(qū)的飽和。

2　CFRD的經(jīng)典分區(qū)

圖1所示為底特律專題研討會(1984年)提出的大壩分區(qū)圖。

1A區(qū):鋪置在主板上的材料，之前采用的是不透水的黏土材料，現(xiàn)采用低塑性淤泥。

1B區(qū):任意石料區(qū)，用來壓實1A區(qū)的任意石料，用專門的壓實設(shè)備壓實。

圖1　底特律研討會建議的CFRD的經(jīng)典分區(qū)(1985年)

材料2:這些石料級配良好，最大粒徑在76～100 mm之間，砂的含量介于35%～60%，細(xì)粒料所占比例小于8%，與謝拉德建議的一致。

材料3A:這是石料2和石料3B之間的過渡區(qū)。在一些有沖積材料的大壩中已經(jīng)除去了材料3A，因為在這些大壩中材料2和材料3B具有很好的自然相關(guān)性。

材料3B:材料級配良好，最大粒徑等于或小于該層厚度。

材料3C:級配良好的高質(zhì)量的細(xì)粒土，最大粒徑等于或小于該層厚度。層厚度大于3B。

材料T:位于大壩中心區(qū)，材料質(zhì)量稍差，其堆積角度取決于材料的質(zhì)量，并且材料通常會壓實到厚度小于3B。

材料4:材料位于下游壩坡，用以保證最后的美觀性。

3　其他材料的使用

沖積材料在大壩施工中的應(yīng)用表明，這些材料具有較好的變形特性，非常適合作為主防滲面板。目前應(yīng)用的國家有哥倫比亞、中國、智利和秘魯，應(yīng)用的大壩包括哥倫比亞的薩爾瓦興娜(Salvajina)壩(148 m)、智利的圣胡安娜(Santa Juana)壩(110 m)和普卡拉羅壩(85 m)，以及中國的柯柯亞壩(120 m)、烏魯瓦提壩(138 m)等。其中一些壩還采用了內(nèi)部斜坡排水，以防萬一滲漏時主壩體出現(xiàn)飽和。還有一些大壩采用深厚沖積層上的連接趾板與地下連續(xù)墻來控制通過河床的滲漏量。這些面板壩運行狀況良好。

使用頁巖材料的澳大利亞袋鼠溪(Kangaroo Creek)壩的觀測結(jié)果被應(yīng)用到哥倫比亞的波爾塞(Porce) III面板壩中。采用水平排水與中央排水相連的方式，可以防止下游壩體飽和。秘魯正在施工的查格亞(Chaglla)壩，在T區(qū)采用了大量的崩積土與細(xì)粒土料。

4　CFRD的抗震性能

地震中的許多觀測結(jié)果，為人們解釋關(guān)于地震高發(fā)區(qū)一帶CFRD的設(shè)計采用防護(hù)措施的重要性提供了參考，最重要的措施總結(jié)如下:

(1)如作者和G．費爾南德斯(2011年)的建議，采用保守的輪廓，如圖2所示，包括一個與中心軸線水平排水相連的豎向排水，這樣在地震引起址板與基巖之間灌漿接觸面破壞時，仍可以保證大壩的安全，同時允許進(jìn)水;

(2)通過常規(guī)的動力穩(wěn)定計算方法檢驗大壩穩(wěn)定性，即賦予壩址位置一定的加速度值，N/A的值=抵抗系數(shù)/最大地震加速度=0．2;

(3)根據(jù)大壩高度，在大壩頂部(25%～30%H)采用坡比為1．5～1．6的較平緩壩坡;

(4)對于150 m高的壩，將大壩頂部拓寬至8 m，對于150～300 m高的大壩，采用公式8+2%H計算拓寬寬度;

(5)大壩分區(qū)考慮下游排水部位質(zhì)量較差的T區(qū)材料，檢驗采用新參數(shù)時的穩(wěn)定性;

(6)用大于20 t的振動碾壓設(shè)備進(jìn)行壓實，轉(zhuǎn)鼓之上最少為12 t，靜止壓力大于5 t/m。如果材料是堆石料，供水大于等于200 L/m3，每層的厚度可為3B=60 cm，T= 45 cm，3C = 80 cm，含有大量細(xì)粒土的材料(t)不需要加水;

(7)設(shè)置一或兩道至少4 m高的防浪墻;

(8)除了水力要求外，額外增加1．3%H的安全超高;

(9)在周邊縫處采用性能良好的止水，防止由于地震可能導(dǎo)致的開裂;

(10)根據(jù)山谷的特性處理壓縮縫和張拉縫。

5　采用中央排水的CFRD

當(dāng)前有很多已建或在建的面板壩采用中央排水，這樣可以防止下游壩體的飽和。以下列舉了一些案例。

5．1埃爾迪奎斯壩(哥斯達(dá)黎加)

埃爾迪奎斯(EL Diquis)壩由哥斯達(dá)黎加電力設(shè)計院(ICE)設(shè)計，壩高165 m，采用沖積材料，上游壩坡為1．4∶1，下游壩坡1．5∶1，中央豎向排水系統(tǒng)寬4 m，并由2 m過渡帶保護(hù)(見圖3)。該壩目前還處于設(shè)計階段，將于幾年之后施工。

圖3　埃爾迪奎斯壩

5．2雷文塔松壩(哥斯達(dá)黎加)

雷文塔松(Reventazon)壩，壩高130 m，正處于施工階段，由哥斯達(dá)黎加電力設(shè)計院(ICE)設(shè)計，堆石采用了沖積材料、礫巖以及已固結(jié)的角礫巖。該壩位于地震區(qū)，水平排水系統(tǒng)與埃爾迪奎斯工程類似，與水平排水系統(tǒng)相連。上游壩坡為1．5∶1，下游壩坡1．6∶1，并設(shè)有一個T區(qū)。該區(qū)是沖積材料與固結(jié)角礫巖的混合物，其比例為3∶1，如圖4所示。排水材料通過一個由拖拉機拖動的金屬模具來填筑，這樣可以防止材料離析。

圖4　雷文塔松壩

5．3波爾塞Ⅲ壩(哥倫比亞)

波爾塞(Porce)Ⅲ壩，壩高150 m，已建成投運。該壩位于地震區(qū)，采用了寬度為4 m的中央豎向排水系統(tǒng)，由從一側(cè)到另一側(cè)的過渡帶保護(hù)，如圖5所示。上游壩坡為1．4∶1，下游壩坡1．5∶1。大壩運行狀況良好。

圖5　波爾塞壩

5．4蓬塔內(nèi)格拉壩(阿根廷)

蓬塔內(nèi)格拉(Punta Negra)壩，壩高129 m，正在施工中，采用了沖積材料。大壩處于地震高發(fā)帶。上游壩坡為1．5∶1，下游壩坡1．65∶1，水平排水在靠近下游壩坡的可透水3C區(qū)終止，與之相連的是一個豎向排水，如圖6所示。

圖6　蓬塔內(nèi)格拉壩

5．5查格亞壩(秘魯)

查格亞壩目前正處于施工中。大壩位于地震區(qū)，采用了石灰?guī)r堆石料和沖積材料，上游壩坡為1．6H∶1V，下游壩坡1．8H∶1V。水平排水在下游壩坡處終止，與之相連的是一個豎向排水(見圖7)。該壩的不同之處在于河床之上的趾板由一個約20 m高的重力墻支撐。位于下游排水處的T區(qū)采用崩積材料填筑，石料最大粒徑為35 cm，15%的細(xì)粒料過200號篩。這些材料經(jīng)20 t的振動壓實設(shè)備(滾筒上的力為12 t)分層壓實，每層厚度為45 cm，無需加水。堆石料用同樣的震動壓實機進(jìn)行壓實，壓實過程加水量為200 L/m3。

圖7　查格亞壩

5．6密西庫尼壩(玻利維亞)

密西庫尼(Misicuni)壩，壩高120 m，目前正處于施工階段，采用了沖積材料。大壩處于地震高發(fā)區(qū)，上游壩坡為1．5H∶1V，下游壩坡1．6H∶1V，水平排水在下游壩坡處終止，與之相連的是一個豎向排水(見圖8)。該壩在海拔3 800 m處進(jìn)行施工。

圖8　密西庫尼壩

6　結(jié)語

在設(shè)計CFRD時，若與水平排水相連的豎向排水位于大壩軸線處，則可以在下游區(qū)域的堆石料中填入質(zhì)量較差的顆粒狀材料，防止下游壩體出現(xiàn)飽和。對位于地震高發(fā)區(qū)的大壩，在地震時可能會破壞趾板的防滲性，水會進(jìn)入大壩上游區(qū)域，對這種情況，設(shè)置中央排水也是一種安全措施。

(徐耀張炬付湘寧編譯)

收稿日期:2015-05-09

文章編號:1006-0081(2015) 08-0022-03

中圖法分類號:TV641．43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A