300 m級(jí)特高拱壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

王仁坤

300 m級(jí)特高拱壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

王仁坤

PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China

a r t i c l e i n f o

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Received 3 April 2016

Revised form 24 August 2016

Accepted 29 August 2016

Available online 21 September 2016

特高拱壩

優(yōu)化設(shè)計(jì)

整體安全

抗震安全

混凝土溫控

中國(guó)于2000年成功建設(shè)二灘拱壩(高240 m）以來，至2014年年底已建成7座壩高超過200 m的特高拱壩，其中錦屏一級(jí)拱壩（高305 m）、小灣拱壩（高294.5 m）、溪洛渡拱壩（高285.5 m）不僅壩高達(dá)300 m級(jí)，而且因地質(zhì)條件復(fù)雜，水推力巨大，抗震要求高，在安全控制技術(shù)等方面取得了新的突破。本文主要闡述300 m級(jí)特高拱壩的基礎(chǔ)可利用巖體及合理建基面、體形優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、抗震研究與抗震措施、復(fù)雜地基的典型處理、混凝土及施工期溫控防裂等關(guān)鍵技術(shù)。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

近20年來，中國(guó)先后建成了7座壩高超過200 m的特高拱壩[1]。二灘拱壩(高240 m)于2000年建成，是中國(guó)首座突破200 m大關(guān)的特高拱壩；隨后建成的特高拱壩有拉西瓦(高250 m)、構(gòu)皮灘(高230.5 m)、小灣(高294.5 m)、溪洛渡(高285.5 m)、錦屏一級(jí)(高305 m)和大崗山(高210 m)；其中錦屏一級(jí)、小灣、溪洛渡等3座拱壩的高度達(dá)300 m級(jí)，位居世界最高拱壩前3名，見表1。正在建設(shè)或?qū)⒁ㄔO(shè)的特高拱壩有白鶴灘(高289 m)、烏東德(高270 m)等。

特高拱壩對(duì)建基條件要求高，安全控制嚴(yán)。復(fù)雜地基上建設(shè)300 m級(jí)特高拱壩對(duì)結(jié)構(gòu)抗裂、基礎(chǔ)抗滑、工程抗震、施工溫控防裂等要求更高，安全控制難度大。

錦屏一級(jí)拱壩，高305 m，是當(dāng)前世界已建的第一高壩，也是基礎(chǔ)地質(zhì)條件最復(fù)雜的特高拱壩。壩址河谷呈窄V形，壩基巖體主要由大理巖和砂板巖構(gòu)成；大理巖強(qiáng)度高，為整體塊狀結(jié)構(gòu)；砂板巖性狀差，分布于左岸中上部地基，受河谷下切影響傾倒變形突出，變形模量E0為1～2 GPa；加上左岸煌斑巖脈、層間擠壓帶、卸荷松弛帶等地質(zhì)缺陷的影響，構(gòu)成大壩十分復(fù)雜的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。大壩設(shè)計(jì)地震(100年基準(zhǔn)期超越概率2 %，下同)和校核地震(100年基準(zhǔn)期超越概率1 %，下同)的基巖水平峰值加速度分別為269 Gal和317 Gal?；A(chǔ)處理與整體穩(wěn)定是大壩安全控制的關(guān)鍵。

小灣拱壩高294.5 m，壩址河谷呈V形，壩頂弧長(zhǎng)

* Corresponding author.

E-mail address:wrenkun@chidi.com.cn892.79 m，弧高比為3.03，水推力高達(dá)1.8×108kN，是當(dāng)前世界上水推力最大的拱壩。壩基巖體為花崗片麻巖，總體性狀較好，但分布有多條橫河向斷層以及潛伏于壩肩抗力體中的蝕變巖帶。大壩設(shè)計(jì)地震和校核地震的基巖水平峰值加速度分別為313 Gal和359 Gal。

表1.界前10座高拱壩特性表

溪洛渡拱壩高285.5 m，壩址河谷呈U形，壩頂弧長(zhǎng)為681.51 m，弧高比為2.39，總水推力約為1.4×108kN。壩基巖體為多期噴溢的玄武巖，整體塊狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，但層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，產(chǎn)狀平緩。大壩設(shè)計(jì)地震和校核地震的基巖水平峰值加速度分別為362 Gal和431 Gal。壩址位于金沙江即長(zhǎng)江上游干流，樞紐設(shè)計(jì)和校核泄洪流量分別為43 800 m3·s–1和52 300 m3·s–1，壩身布置有7表孔、8中孔和10個(gè)臨時(shí)導(dǎo)流中孔、底孔，共4層25個(gè)孔口，是目前拱壩壩身泄洪孔洞最多，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的特高拱壩，加上地基條件復(fù)雜，抗震要求高，也是特高拱壩設(shè)計(jì)綜合技術(shù)難度最大的拱壩。

針對(duì)300 m級(jí)特高拱壩工程特點(diǎn)，在勘測(cè)設(shè)計(jì)研究與建設(shè)過程中，充分吸取國(guó)內(nèi)外高拱壩建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)代筑壩技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大壩基礎(chǔ)可利用巖體及合理建基面、拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)抗滑與整體穩(wěn)定安全控制，抗震研究與設(shè)計(jì)，復(fù)雜地基處理，混凝土材料及施工溫控防裂等關(guān)鍵技術(shù)開展了一系列科技攻關(guān)，取得多項(xiàng)技術(shù)突破并直接應(yīng)用于工程[2]。小灣、溪洛渡和錦屏一級(jí)拱壩均已建成并經(jīng)歷了3年次及以上正常蓄水位的運(yùn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明大壩工作性態(tài)正常。

現(xiàn)將300 m級(jí)特高拱壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)闡述如下。

2. 壩基可利用巖體及合理建基面研究

300 m級(jí)特高拱壩承受的水壓荷載巨大，對(duì)基礎(chǔ)承載能力、抗變形、抗滑、抗?jié)B流等要求高，壩基可利用巖體及合理建基面的研究是300 m級(jí)特高拱壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

特高拱壩基礎(chǔ)可利用巖體及建基面的研究論證，是伴隨壩址勘探及拱壩設(shè)計(jì)不斷深化反復(fù)論證的過程。如溪洛渡拱壩建基面，是在查明壩址兩岸巖體的風(fēng)化卸荷影響，斷層、軟弱帶的空間展布，節(jié)理裂隙發(fā)育程度，以及各級(jí)巖體和結(jié)構(gòu)面及其物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立三維地質(zhì)數(shù)字模型，直觀分析可能的建基面方案與各級(jí)巖體、錯(cuò)動(dòng)帶、軟弱帶和主要節(jié)理裂隙等的相關(guān)關(guān)系，以及對(duì)弱風(fēng)化無卸荷Ⅲ1級(jí)巖體(塊狀—次塊狀結(jié)構(gòu)，聲波縱波速度Vp=4000～5200 m·s–1)和弱風(fēng)化弱卸荷Ⅲ2級(jí)巖體(鑲嵌結(jié)構(gòu)， Vp=3500～4500 m·s–1)開展固結(jié)灌漿試驗(yàn)的研究成果，擬定了3套可能的建基面方案[3]：

(1) 開展拱壩體形設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定拱壩建基面為：兩岸上部約1/4壩高的拱端地基利用了Ⅲ2級(jí)巖體，其變形模量E0= 5.0 ～ 7.0 GPa；

(2) 中部約1/3壩高的建基巖體以Ⅲ1級(jí)巖體為主，其變形模量E0= 10.0 ～ 12.0 GPa；

(3) 下部及河床建基巖體為Ⅲ1級(jí)和微風(fēng)化新鮮Ⅱ級(jí)巖體(塊狀結(jié)構(gòu)，Vp=4800～5500 m·s–1)，綜合變形模量E0＞12.0 GPa[4,5]。

圖1為溪洛渡拱壩三維地質(zhì)模型及建基面嵌深示意圖。

錦屏一級(jí)拱壩建基面嵌深的確定原則與溪洛渡拱壩相似，對(duì)于左岸中上部砂板巖地基采取了混凝土墊層和傳力洞結(jié)構(gòu)等處理措施。小灣拱壩建基面相對(duì)略深，拱端主要置于微風(fēng)化新鮮Ⅱ級(jí)巖體，僅拱壩上部拱端基礎(chǔ)利用了弱風(fēng)化Ⅲ1級(jí)巖體。

圖1.溪洛渡拱壩三維地質(zhì)模型及建基面嵌深示意圖。

3. 拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)

拱壩體形與壩址河谷形態(tài)、建基條件及拱端嵌深、基礎(chǔ)抗滑、工程抗震以及體形設(shè)計(jì)方法及應(yīng)力控制水平等密切相關(guān)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特高拱壩的體形設(shè)計(jì)多采用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)，如利用準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法相結(jié)合的優(yōu)化計(jì)算方法。其中，準(zhǔn)則法指拱軸線逼近拱向壓力中心線并合理兼顧有利拱座穩(wěn)定要求的準(zhǔn)則；數(shù)學(xué)規(guī)劃法是以大壩體積為目標(biāo)函數(shù)，求解滿足幾何、應(yīng)力和穩(wěn)定等約束條件的各種可能線形拱壩，包括拋物線形拱、橢圓拱、多心圓弧拱以及統(tǒng)一二次曲線拱或混合曲線拱等幾何模型拱壩中的最優(yōu)拱壩體形。在體形優(yōu)化設(shè)計(jì)中，壩體應(yīng)力計(jì)算方法主要是多拱梁法。特高拱壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)體形，同時(shí)采用彈性有限元–等效應(yīng)力法進(jìn)一步驗(yàn)證壩體應(yīng)力分布的合理可行性[6]。

300 m級(jí)特高拱壩的應(yīng)力控制指標(biāo)需兼顧壩址河谷形態(tài)、基礎(chǔ)地質(zhì)條件、壩身泄洪孔口布置、拱壩整體穩(wěn)定性、工程抗震等因素綜合確定。三座特高拱壩對(duì)應(yīng)基本工況的允許壓應(yīng)力各有不同。其中小灣拱壩的基礎(chǔ)條件總體較好，水推力巨大，壓應(yīng)力按10.0 MPa控制；錦屏一級(jí)拱壩因基礎(chǔ)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，左右岸地形不對(duì)稱，壓應(yīng)力按8.0 MPa控制；溪洛渡拱壩的孔口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兼顧抗震需要，壓應(yīng)力按9.0 MPa控制。但他們的允許拉應(yīng)力相同，均為1.2 MPa(上游面)和1.5 MPa(下游面)。

在拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)體形的基礎(chǔ)上，通過基礎(chǔ)抗滑、結(jié)構(gòu)抗震和大壩整體穩(wěn)定的全面論證，最終確定適宜的拱壩體形。錦屏一級(jí)、小灣和溪洛渡拱壩體形的主要參數(shù)見表2。

300 m級(jí)特高拱壩體形設(shè)計(jì)合理性的類比評(píng)價(jià)，采用龍巴蒂提出的柔度系數(shù)(C)及其建議的控制指標(biāo)[7,8]，即

和中國(guó)工程院院士朱伯芳提出的應(yīng)力水平系數(shù)(D)及上限參考值[9]，即式(1)，(2)中：F、V、H分別為大壩中面面積(m2)、基本壩體體積(m3)、大壩高度(m)，計(jì)算分析如下。

錦屏一級(jí)、小灣、溪洛渡拱壩的柔度系數(shù)(C)及建議控制值和應(yīng)力水平系數(shù)(D)的計(jì)算結(jié)果見表2；中國(guó)特高拱壩與其他拱壩的柔度系數(shù)(C)與壩高(H)關(guān)系的對(duì)比如圖2所示。不難看出，三座300 m級(jí)特高拱壩的柔度系數(shù)值和應(yīng)力水平系數(shù)均位于建議指標(biāo)線附近，且小灣拱壩還超出了控制指標(biāo)。表明300 m級(jí)特高拱壩體形設(shè)計(jì)的先進(jìn)性。

表2.屏一級(jí)、小灣和溪洛渡拱壩的柔度系數(shù)和應(yīng)力水平系數(shù)表

4. 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、基礎(chǔ)抗滑和整體安全分析與控制

長(zhǎng)期以來，拱壩安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以壩體混凝土強(qiáng)度安全系數(shù)和基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否滿足規(guī)范作為判據(jù)。隨著計(jì)算分析技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，考慮大壩和基礎(chǔ)作為整體擋水結(jié)構(gòu)的拱壩整體穩(wěn)定研究得到廣泛應(yīng)用。因此，壩體混凝土強(qiáng)度安全系數(shù)(K1)、基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(K2)和拱壩整體安全系數(shù)(K3)[10,11]等安全分析與控制成為我國(guó)高拱壩尤其是300 m級(jí)特高拱壩安全設(shè)計(jì)控制的主要內(nèi)容。

圖2. 典型拱壩柔度系數(shù)與壩高關(guān)系圖。應(yīng)力水平系數(shù)參考上限：取柯茵布蘭拱壩(Kolnbrein)的應(yīng)力水平系數(shù)D= 3500對(duì)應(yīng)的C= 3500/H曲線。

壩體混凝土強(qiáng)度安全系數(shù)(K1)特指設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與允許應(yīng)力的比值，拱壩應(yīng)力計(jì)算方法以多拱梁法為主。我國(guó)混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5436—2006)[12]規(guī)定拱壩混凝土強(qiáng)度以15 cm3立方體試件80 %保證率90 d齡期抗壓強(qiáng)度計(jì)，I 級(jí)高拱壩抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)滿足K1≥4.4的要求。考慮到建設(shè)周期長(zhǎng)和對(duì)混凝土質(zhì)量的嚴(yán)格要求，特高拱壩的設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值多以15 cm立方體試件85 %保證率180d齡期抗壓強(qiáng)度計(jì)。對(duì)應(yīng)錦屏一級(jí)、小灣和溪洛渡拱壩混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為40 MPa 、45 MPa和40 MPa，并記為C18040、C18045和C18040。

基礎(chǔ)抗滑安全系數(shù)(K2)立足剛體極限平衡法的壩肩抗力體抗滑安全系數(shù)。我國(guó)混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5436—2006)規(guī)定了 I 級(jí)高拱壩基礎(chǔ)抗滑計(jì)算公式及其參數(shù)的取值和設(shè)計(jì)安全控制指標(biāo)[12]。300 m級(jí)特高拱壩的基礎(chǔ)抗滑研究重在各種可能滑移塊體及其穩(wěn)定狀況分析，具體包括但不限于如圖3所示的大塊體、小塊體和階梯狀等滑移塊體的穩(wěn)定分析。

拱壩整體安全系數(shù)(K3)指大壩和基礎(chǔ)作為整體擋水結(jié)構(gòu)在基本工況上的超載安全系數(shù)。分析理論與方法主要是三維非線性有限元法和拱壩整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。

非線性有限元法可計(jì)入壩體混凝土、基礎(chǔ)各區(qū)不同屬性巖體或置換混凝土的非線性特性，分析大壩在基本工況下的受力屬性，包括變位、應(yīng)力、屈服區(qū)分布；并在基本工況的基礎(chǔ)上逐級(jí)增加水壓荷載，探究結(jié)構(gòu)受力屬性的發(fā)展趨勢(shì)和超載能力。

圖3.拱壩基礎(chǔ)抗力體可能滑塊模式。

拱壩整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)按照相似規(guī)律精細(xì)模擬大壩混凝土和基礎(chǔ)巖體及軟弱帶、斷層和優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙，檢測(cè)大壩在正常水壓和超載工況作用下的變位、應(yīng)變以及開裂破壞現(xiàn)象及破壞機(jī)理，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果的整理分析，探究拱壩超載能力[13]。

清華大學(xué)周維垣教授[14]是我國(guó)拱壩整體穩(wěn)定研究的杰出代表。他立足理想彈塑性D–P準(zhǔn)則，研制并提出了三維非線性有限元TFINE程序，計(jì)算分析與地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)并舉，開展了20多座高拱壩整體穩(wěn)定研究，建立了拱壩整體超載安全度的評(píng)定方法。

超載工況特指正常工況基礎(chǔ)上僅增加水壓荷載，且以增加水容重的方式逐級(jí)增加水壓。

通過計(jì)算分析或模型試驗(yàn)獲取大壩在基本工況和超載作用下的大壩變位，建立大壩變位與超載關(guān)系曲線，如圖4所示。如果將基本工況的水壓荷載記為P0，若在超載K3iP0作用下，大壩仍然整體穩(wěn)定，表明大壩至少具有K3i倍超載能力，或記為大壩超載安全系數(shù)K3i。

當(dāng)超載系數(shù)增加至K31時(shí)，試驗(yàn)中的模型結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)裂縫，或非線性有限元分析結(jié)果表明大壩屈服區(qū)范圍在厚度向達(dá)到拱厚的1/6，則K31稱為起裂超載安全系數(shù)。

繼續(xù)增加水壓荷載，模型結(jié)構(gòu)的裂縫擴(kuò)展，或非線性有限元計(jì)算分析的屈服區(qū)隨超載而逐步擴(kuò)展，但結(jié)構(gòu)體系整體穩(wěn)定，且變位與載荷關(guān)系仍然維持線性關(guān)系，則表明結(jié)構(gòu)整體維持準(zhǔn)彈性工作狀態(tài)。當(dāng)超載大于K32P0時(shí)，結(jié)構(gòu)變形開始出現(xiàn)快速增加，即變位隨荷載增加出現(xiàn)非線性增加，表明結(jié)構(gòu)在超載K32P0作用下處于準(zhǔn)彈性工作極限狀態(tài)，則K32稱之為結(jié)構(gòu)準(zhǔn)彈性超載安全系數(shù)。

超載至K33P0時(shí)，非線性計(jì)算不收斂，或試驗(yàn)中的模型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量開裂并多數(shù)開裂縫貫穿壩體或基礎(chǔ)，大壩整體出現(xiàn)失穩(wěn)。超載系數(shù)K33稱為拱壩極限超載安全系數(shù)。

采用上述方法研究得出的錦屏一級(jí)、小灣、溪洛渡拱壩的整體超載安全系數(shù)[15]見表3。這三座大壩均具有較高的超載能力。表3同時(shí)列出了我國(guó)其他高拱壩的整體超載安全系數(shù)。

圖4.拱壩超載與變形關(guān)系曲線。

表3.國(guó)部分高拱壩整體超載安全系數(shù)表

5.抗震設(shè)計(jì)與安全控制

5.1. 設(shè)防水準(zhǔn)與設(shè)計(jì)原則

2008年中國(guó)西部發(fā)生了“5·12”汶川大地震，震區(qū)內(nèi)的沙牌碾壓混凝土拱壩(高132 m)、紫平鋪面板堆石壩(高156 m)、寶珠寺重力壩(高132 m)和碧口心墻堆石壩(高101.8 m)等四座大壩經(jīng)受了超強(qiáng)地震的考驗(yàn)，地震波及到壩址的影響烈度超過工程設(shè)防烈度。由此表明水庫大壩的抗震潛力巨大，現(xiàn)有的大壩抗震設(shè)計(jì)理論和方法能夠確保大壩抗震安全。

300 m級(jí)特高拱壩規(guī)模大，地震動(dòng)力響應(yīng)高，抗震安全需要更加嚴(yán)格控制，需要開展專門論證研究，包括場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和大壩抗震安全設(shè)計(jì)。其中，抗震設(shè)防水準(zhǔn)是在壩址所在區(qū)域地震地質(zhì)和歷史地震的調(diào)查研究以及地震危險(xiǎn)性綜合概率法分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計(jì)地震和校核地震兩級(jí)設(shè)防，分別以100年基準(zhǔn)期2 %超越概率和100年基準(zhǔn)期1 %超越概率確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)定地震反應(yīng)譜；大壩抗震設(shè)計(jì)滿足“設(shè)震可抗，校震不潰”的要求，即 “設(shè)震可抗”是指拱壩能抗御設(shè)計(jì)地震的作用，如有局部損壞，經(jīng)修復(fù)后仍可正常運(yùn)行[16]；“校震不潰”是指大壩遭遇校核地震時(shí)，雖有局部結(jié)構(gòu)明顯開裂損壞等，但大壩仍然保持擋水工作狀態(tài)而不潰壩。

5.2. 拱壩動(dòng)力分析方法

我國(guó)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047—2015)[16]規(guī)定了拱壩地震作用效應(yīng)的分析方法如動(dòng)力多拱梁法，動(dòng)力彈性有限元法，振型分解反應(yīng)譜法等和應(yīng)力控制指標(biāo)的計(jì)算，以及拱壩基礎(chǔ)抗力體動(dòng)力抗滑分析方法與控制指標(biāo)，同時(shí)明確了甲類拱壩應(yīng)開展非線性有限元法的計(jì)算分析。300 m級(jí)特高拱壩的抗震分析需要開展規(guī)范方法、非線性有限元分析以及地震動(dòng)力模型試驗(yàn)研究，全方位論證其抗震能力及抗震措施研究。

近30年來，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院[17]、清華大學(xué)[18]和大連理工大學(xué)等單位結(jié)合我國(guó)西部多座特高拱壩的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)壩體–地基–庫水的動(dòng)力相互作用，非均勻地震動(dòng)輸入和庫水可壓縮性的影響，無限地基地震動(dòng)能量的逸散，拱壩橫縫強(qiáng)震開合的非線性影響等的研究取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，提出了基于不同理論及方法的多層次拱壩動(dòng)力分析方法及軟件，包括計(jì)入一項(xiàng)或多項(xiàng)組合因素諸如不均勻輸入、地基輻射阻尼影響、橫縫等接觸非線性和材料非線性等拱壩動(dòng)力有限元分析方法及程序。

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院[17]的大型振動(dòng)臺(tái)拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)除模擬大壩及橫縫、一定范圍基礎(chǔ)及主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面以及庫水作用外；還可模擬基礎(chǔ)隔斷邊界地震輻射阻尼的影響以反映壩基的不均勻輸入等。通過逐級(jí)加載，研究設(shè)計(jì)地震和校核地震作用下的拱壩動(dòng)力響應(yīng)，測(cè)驗(yàn)壩體自震頻率變化，觀察橫縫是否開合，結(jié)構(gòu)局部是否開裂等。在設(shè)計(jì)地震作用的基礎(chǔ)上，逐級(jí)增加地震作用強(qiáng)度，探究大壩抗震超載能力等，為特高拱壩抗震研究提供了豐富的研究方法。

5.3. 300 m級(jí)特高拱壩的抗震研究成果

小灣、溪洛渡和錦屏一級(jí)拱壩采用動(dòng)力多拱梁法和線彈性有限元?jiǎng)恿Ψǚ治龅卣鹱饔孟碌膭?dòng)靜組合應(yīng)力結(jié)果表明：壩體以受壓為主，下游壩趾區(qū)壓應(yīng)力最大，但在上游周邊壩踵區(qū)和中上部拱冠梁附近上下游壩面要出現(xiàn)受拉區(qū)；表4 為三座拱壩在設(shè)計(jì)地震和校核地震工況作用下的最大主應(yīng)力結(jié)果表。根據(jù)我國(guó)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，小灣、溪洛渡和錦屏一級(jí)拱壩在地震作用下按動(dòng)力多拱梁法計(jì)算的允許壓應(yīng)力/拉應(yīng)力分別為18.8 MPa(壓)/ 3.5 MPa(拉)，17.7 MPa(壓)/ 3.3 MPa(拉)和19.0 MPa(壓)/ 3.5 MPa(拉)，三座拱壩在地震作用下的壓應(yīng)力基本滿足要求，但拉應(yīng)力存在明顯超限區(qū)。

考慮地基輻射阻尼和大壩橫縫等接觸非線性影響的動(dòng)力有限元分析，拱壩中上部區(qū)的拱向拉應(yīng)力受橫縫張開影響而釋放，壩體動(dòng)應(yīng)力總體滿足結(jié)構(gòu)抗震控制應(yīng)力的要求，但仍有少部分壩面的拉應(yīng)力超限。進(jìn)一步考慮材料非線性影響，三座特高拱壩的上下游壩面均有一定范圍的屈服，校核地震的屈服區(qū)稍大，但在壩體厚度向均未出現(xiàn)屈服貫穿。圖5和圖6分別為拱壩下游面動(dòng)應(yīng)力分布示意圖和壩面屈服損傷區(qū)示意圖。

表4.00 m級(jí)高拱壩抗震分析結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力成果表(MPa)

圖5.溪洛渡拱壩下游面動(dòng)應(yīng)力分布示意圖。

圖6.拱壩下游面屈服損傷區(qū)示意圖。

拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)，通過逐級(jí)加載詳細(xì)探討了在設(shè)計(jì)地震作用下不同輸入地震波的作用影響，然后選擇相對(duì)不利作用效應(yīng)的地震波，繼續(xù)增加地震強(qiáng)度至校核地震，三座大壩的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)完好，繼續(xù)超載直至設(shè)計(jì)地震的6～7倍，大壩仍然保持整體穩(wěn)定。圖7為溪洛渡拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)圖。

小灣拱壩體形寬大，地震作用較大，因此地震作用效應(yīng)偏大。與溪洛渡、錦屏一級(jí)拱壩比較，小灣拱壩無論拉應(yīng)力超限區(qū)范圍和超限量值，以及屈服區(qū)范圍均為最大。

5.4.抗震措施

溪洛渡、錦屏一級(jí)拱壩在近基礎(chǔ)高應(yīng)力區(qū)和壩體上中部區(qū)以及孔口結(jié)構(gòu)區(qū)采用高強(qiáng)度混凝土C18040，并在地震拉應(yīng)力超過1.5 MPa的壩面設(shè)置了限裂鋼筋，主要在上下游壩面的中上部，鋼筋不跨橫縫。同時(shí)還在下游面中下部近基礎(chǔ)區(qū)設(shè)置貼腳結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)拱壩抗震能力。

小灣拱壩在體型設(shè)計(jì)中將動(dòng)力問題作為一個(gè)重要因素加以考慮，并在地震反應(yīng)強(qiáng)烈部位采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C18045。針對(duì)地震作用下大壩中上部橫縫出現(xiàn)明顯張開的問題和壩踵高拉應(yīng)力區(qū)，研究并實(shí)施了雙向抗震鋼筋以及頂部拱圈設(shè)置粘滯阻尼器加強(qiáng)抗震。其中，拱向鋼筋跨橫縫配置，限制橫縫在地震作用下的張開度，確保止水結(jié)構(gòu)安全；主要布置在距壩頂50 m的上部壩體，上游面2層，下游面1層，鋼筋在橫縫兩側(cè)4 m范圍內(nèi)涂瀝青并加聚氯乙烯(PVC)套管，允許其自由滑動(dòng)，其余部位在混凝土內(nèi)有足夠的錨固長(zhǎng)度。梁向鋼筋主要布設(shè)在梁向拉應(yīng)力大于1.5 MPa的區(qū)域以限制可能裂縫的開展深度，布設(shè)區(qū)域?yàn)樯喜繅误w距壩頂135 m高度的上下游壩面，鋼筋層數(shù)視拉應(yīng)力大小分為1～3層。

6. 復(fù)雜地基的典型處理

300 m級(jí)特高拱壩對(duì)基礎(chǔ)巖體的完整性、均勻性要求更高。針對(duì)壩基巖體質(zhì)量及結(jié)構(gòu)面屬性，采取有效的固結(jié)灌漿，軟弱巖帶的混凝土置換處理，壩趾附近裂隙巖體的錨索加固，以及防滲帷幕灌漿等是特高拱壩基礎(chǔ)處理最基本的要求。對(duì)于錦屏一級(jí)拱壩左岸上部十分復(fù)雜的地基處理，無疑是300 m級(jí)特高拱壩基礎(chǔ)處理難度最大、措施最復(fù)雜的典型處理方案。

錦屏一級(jí)拱壩左岸上部砂板巖地基，風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，傾倒變形突出，加上陡傾斷層和煌斑巖脈影響，基礎(chǔ)建基條件極差，成為拱壩安全控制的根本問題之一。通過大量分析研究，最終實(shí)施的處理方案包括：①混凝土墊座，豎向高155 m，拱向平均厚約40 m，平面呈不規(guī)則梯形，以擴(kuò)大拱端推力作用范圍；②墊座以里布設(shè)三層共5支洞式傳力結(jié)構(gòu)，水平深約80 m，跨越斷層和煌斑巖脈至新鮮巖體；③斷層和煌斑巖脈等軟弱巖帶的混凝土網(wǎng)格置換處理；④卸荷松弛巖體的固結(jié)灌漿處理；⑤墊座下游側(cè)及基礎(chǔ)抗力巖體的系列錨索加固等綜合處理技術(shù)，共同確保基礎(chǔ)整體穩(wěn)定，如圖8所示。

圖7.溪洛渡拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)。

圖8.錦屏一級(jí)左岸上部基礎(chǔ)處理示意圖。

7. 大壩混凝土及施工溫控防裂技術(shù)

7.1. 大壩混凝土采用組合骨料混凝土

受壩址附近料源選擇限制，溪洛渡和錦屏一級(jí)大壩混凝土均采用了組合骨料混凝土。其中，溪洛渡拱壩混凝土采用玄武巖粗骨料+灰?guī)r細(xì)骨料，玄武巖粗骨料取自樞紐工程地下洞室群開挖料；錦屏一級(jí)拱壩混凝土采用砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料。如此組合骨料混凝土，融合了粗骨料強(qiáng)度高、耐磨性能好的骨架作用，以及細(xì)骨料變形性能及熱學(xué)性能較佳的優(yōu)勢(shì)，有利于提高混凝土的耐久性和抗裂能力。

針對(duì)溪洛渡組合骨料混凝土具有高強(qiáng)度、高彈模和低極限拉伸值等特點(diǎn)，研究并實(shí)施了高摻粉煤灰提高混凝土后期強(qiáng)度、微摻改性聚乙烯醇(PVA)纖維增強(qiáng)溫控防裂性能等技術(shù)。如混凝土C18040采用粉煤灰摻量35 %，其180 d齡期強(qiáng)度較90 d齡期強(qiáng)度提高10 %以上，且混凝土絕熱溫升亦降低3～4 ℃；同時(shí)摻改性PVA纖維0.9 kg·m，提高混凝土極限拉伸值約15 %。表5為溪洛渡、錦屏一級(jí)和小灣拱壩C18040混凝土物理力學(xué)熱學(xué)性能指標(biāo)。

表5.洛渡、錦屏一級(jí)和小灣拱壩C18040混凝土物理力學(xué)熱學(xué)指標(biāo)

7.2. 混凝土施工溫控防裂特征

因混凝土自身抗裂性能較低，施工澆筑倉面大，氣候條件差等因素，這三座特高拱壩的混凝土澆筑施工的溫控防裂問題突出。如溪洛渡拱壩的混凝土澆筑倉面受壩身泄洪孔口布置及陡坡壩段基礎(chǔ)塊并縫影響，壩段澆筑倉面多在1000～1800 m2，最大澆筑倉面達(dá)2400 m2，絕大多數(shù)倉面長(zhǎng)寬比為2.5～3.5；壩址位于云貴高原北部，多年平均氣溫約20 ℃，日氣溫變化幅度大，秋冬季氣溫驟降次數(shù)多，最大氣溫降幅超過10 ℃；加上基礎(chǔ)約束強(qiáng)，陡坡壩段基礎(chǔ)塊澆筑以及基礎(chǔ)固結(jié)灌漿施工影響等因數(shù)，混凝土施工溫控防裂難度大。

7.3. 拱壩混凝土溫度應(yīng)力分析

拱壩混凝土施工期溫度應(yīng)力計(jì)算主要采用有限元法仿真分析。通過仿真模擬各壩段每一倉澆筑升層混凝土及其特性，包括強(qiáng)度、水化熱、硬化過程、徐變和自身體積變形等隨齡期的變化，以及澆筑后的通水冷卻、表面保溫等產(chǎn)生的溫度變化，由此獲得壩段或整個(gè)壩體的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其變化過程。

拱壩運(yùn)行期的溫度應(yīng)力主要受封拱溫度與庫水溫度和氣溫的變化影響，采用多拱梁法或有限元法分析。

7.4. 混凝土施工溫度控制

300 m級(jí)特高拱壩混凝土的施工周期長(zhǎng)，存在不同季節(jié)不同區(qū)域的混凝土澆筑施工與溫控防裂要求。通常分夏季或冬季施工河床壩段和陡坡壩段基礎(chǔ)區(qū)、孔口約束區(qū)和其余部位區(qū)混凝土，通過有限元仿真分析及防裂強(qiáng)度控制要求，分別確定基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差控制指標(biāo)，以及各倉混凝土澆筑后的通水冷卻控溫過程指標(biāo)。

遵循朱伯芳院士提出的“早冷卻、慢冷卻、小溫差控溫”要求[19]，采取通水冷卻控溫、高溫季節(jié)倉面噴水霧降溫，冬季倉面蓋被保溫和壩面粘貼苯板保護(hù)層等措施，使每倉混凝土澆筑后按“三期九段”控溫過程線以及壩段豎向“五區(qū)協(xié)調(diào)”的時(shí)間全過程、空間全維度的溫度控制(如圖9所示)。在小灣拱壩溫控防裂的研究實(shí)踐中，明確提出了灌漿區(qū)上部同冷區(qū)的高度不少于0.2B(B指壩段厚度)的控制。

結(jié)合混凝土施工質(zhì)量控制、混凝土智能通水控溫技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了特高拱壩混凝土澆筑施工未出現(xiàn)危害性開裂縫的控制目標(biāo)。

圖9.拱壩混凝土“三期九段”及壩段豎向“五區(qū)協(xié)調(diào)”控溫示意圖。T0：最高溫度限制；T1：一期冷卻目標(biāo)溫度；T2：中期冷卻目標(biāo)溫度；Tc：封拱溫度。

7.5. 基于數(shù)值大壩的混凝土施工智能化通水控溫技術(shù)

采用分布式光纖測(cè)溫和數(shù)字溫度傳感器等自動(dòng)采集混凝土溫度；按照設(shè)計(jì)要求的混凝土齡期溫度控制線，采用模擬PID控制算法計(jì)算通水溫度與流量，通過專用成套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大壩混凝土智能化通水控溫。

7.6. 大壩混凝土施工計(jì)算機(jī)仿真模擬與優(yōu)化跳塊技術(shù)

將計(jì)算機(jī)模擬、VR技術(shù)與現(xiàn)代工程施工技術(shù)有機(jī)融合，自動(dòng)分析各類影響因素如倉面間歇期、備倉時(shí)間、機(jī)械干擾、入倉強(qiáng)度、相鄰塊高差、基礎(chǔ)塊施工和孔口壩段施工等及其對(duì)工程施工的影響，并以工期最短為目標(biāo)模擬各壩段壩塊的澆筑順序、混凝土溫度控制、封拱灌漿等優(yōu)化澆筑方案，實(shí)現(xiàn)拱壩混凝土施工高效快捷的目的。圖10為溪洛渡拱壩混凝土澆筑至壩頂?shù)姆抡婺M圖。

7.7. 大壩混凝土澆筑質(zhì)量物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)全球定位系統(tǒng)(GPS)的大壩混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、平倉、振搗(包括位置、深度、速率、時(shí)長(zhǎng))等實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警與智能反饋控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了混凝土施工過程與質(zhì)量的數(shù)字化控制。

8. 大壩運(yùn)行狀態(tài)正常

小灣拱壩于2010年建成，初期兩年緩慢升蓄，至2013年汛末首次蓄水至正常蓄水位。溪洛渡拱壩和錦屏一級(jí)拱壩均于2013年初建成，同年10月蓄水至正常蓄水位，至今已經(jīng)歷了3次正常蓄水位的檢驗(yàn)。

通過大壩變位、應(yīng)力與應(yīng)變、滲流與滲壓、溫度和測(cè)縫等監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，該3座拱壩的運(yùn)行狀態(tài)正常，基礎(chǔ)防滲控制良好。

特高拱壩在蓄水初期的變位增量較一般高拱壩具有明顯的時(shí)效性延長(zhǎng)，但在正常運(yùn)行期的水位升蓄與消落，均表現(xiàn)出：①結(jié)構(gòu)變位與水庫水位變化的正相關(guān)性；②水位升或降至某一穩(wěn)定水位下的結(jié)構(gòu)變形具有明顯收斂性；③增量水位產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變位增量的監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值具有良好的可比性；④結(jié)構(gòu)變形隨庫水位周期變化而變化，表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)彈性。圖11為錦屏一級(jí)拱壩拱冠梁徑向變位與庫水位變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果示意圖；圖12為二灘拱壩投運(yùn)前15年的拱冠梁徑向變位與庫水位變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果示意圖。

圖10.溪洛渡拱壩混凝土澆筑至壩頂?shù)姆抡婺M圖。

圖11.錦屏一級(jí)拱壩拱冠梁徑向變位示意圖。

圖12.二灘拱壩拱冠梁徑向變位示意圖。

9. 結(jié)語

錦屏一級(jí)、小灣、溪洛渡、二灘等拱壩的成功建設(shè)為現(xiàn)代特高拱壩的設(shè)計(jì)與建設(shè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著白鶴灘、烏東德、葉巴灘、孟底溝等一系列特高拱壩的建設(shè)將更加豐富特高拱壩建設(shè)技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、云計(jì)算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，拱壩建設(shè)智能化技術(shù)將不斷完善。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 350–359

Renkun Wang. Key Technologies in the Design and Construction of 300 m Ultra-High Arch Dams. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.012