高土石壩安全建設(shè)重大技術(shù)問(wèn)題

馬洪琪，遲福東

Huaneng Lancang River Hydropower Inc., Kunming 650214, China

高土石壩安全建設(shè)重大技術(shù)問(wèn)題

馬洪琪，遲福東

Huaneng Lancang River Hydropower Inc., Kunming 650214, China

a r t i c l e i n f o

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Received 15 March 2016

Revised 29 June 2016

Accepted 24 August 2016

Available online 14 October 2016

高土石壩

土石壩由于對(duì)地基具有良好的適應(yīng)性、能就地取材及充分利用建筑物開(kāi)挖渣料、造價(jià)較低、水泥用量較少等優(yōu)點(diǎn)，是西部地區(qū)一批擬建高壩的重點(diǎn)比選壩型。糯扎渡高心墻堆石壩的成功建設(shè)，解決了250 m級(jí)土石壩重大關(guān)鍵技術(shù)難題。本文通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)已建成的糯扎渡等高心墻堆石壩建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，凝練高土石壩建設(shè)面臨的變形控制、滲流控制、壩坡抗滑穩(wěn)定、泄洪安全及控制、大壩安全建設(shè)與質(zhì)量控制、安全評(píng)價(jià)及預(yù)警等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，全面深入論述了已有的研究成果和基本結(jié)論，為未來(lái)300 m級(jí)高土石壩建設(shè)提供參考和重要的技術(shù)支撐。

? 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

中國(guó)西部地區(qū)水能資源豐富，但由于地處高山峽谷，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，交通不便，而土石壩因?qū)Φ鼗A(chǔ)條件具有良好的適應(yīng)性、能就地取材及充分利用建筑物開(kāi)挖渣料、造價(jià)較低、水泥用量較少等優(yōu)點(diǎn)，是壩工建設(shè)中非常有發(fā)展前景的壩型之一。

中國(guó)土石壩建設(shè)起步較晚，但發(fā)展很快。2001年建成黃河小浪底黏土斜心墻堆石壩，最大壩高160 m。2009年建成大渡河瀑布溝礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m。2012年年底建成瀾滄江糯扎渡礫石土心墻堆石壩，最大壩高261.5 m，在同類壩型中居中國(guó)第一、世界第三；填筑方量為3.432×107m3，電站裝機(jī)容量為5.85×106kW，年平均發(fā)電量為2.39×1010kW·h，總庫(kù)容為2.37×1010m3，研究解決了多項(xiàng)重大技術(shù)問(wèn)題，代表了近年來(lái)中國(guó)土石壩的最高建設(shè)水平。目前正在建設(shè)的大渡河長(zhǎng)河壩礫石土心墻堆石壩最大壩高為240 m，總填筑量為3.457×107m3，心墻部位壩基覆蓋層厚達(dá)50 m，是當(dāng)前中國(guó)正在建設(shè)的較為復(fù)雜的土石壩工程之一，截至2016年4月，已完成總填筑量的92 %。隨著西部地區(qū)水能資源開(kāi)發(fā)的深入，大渡河雙江口(壩高314 m)、雅礱江兩河口(壩高295 m)、西藏瀾滄江如美(壩高315 m)等高壩已逐漸提上建設(shè)日程，對(duì)300 m級(jí)超高土石壩的建設(shè)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

本文系統(tǒng)總結(jié)了糯扎渡等典型高土石壩的成功經(jīng)驗(yàn)，凝練出高土石壩建設(shè)面臨的變形控制、滲流控制、壩坡抗滑穩(wěn)定、泄洪安全及控制、大壩安全建設(shè)與質(zhì)量控制、安全評(píng)價(jià)及預(yù)警等重大技術(shù)問(wèn)題，全面深入論述了已有研究成果和基本結(jié)論，為300 m級(jí)高土石壩建設(shè)提供了重要技術(shù)支撐。

2. 高土石壩變形穩(wěn)定及控制技術(shù)

變形穩(wěn)定及控制是高土石壩建設(shè)的核心問(wèn)題。從已建的幾座高土石壩的運(yùn)行狀況看，變形問(wèn)題及其導(dǎo)致的防滲體裂縫和大壩滲漏等是影響高土石壩安全運(yùn)行的最重要因素。高土石壩的變形穩(wěn)定控制涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：筑壩材料特性試驗(yàn)技術(shù)、心墻土料改性、堆石料本構(gòu)模型及大壩變形計(jì)算、壩體結(jié)構(gòu)與分區(qū)、裂縫計(jì)算分析與控制等。

2.1. 筑壩材料特性試驗(yàn)技術(shù)

通過(guò)糯扎渡水電工程筑壩材料的室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)及數(shù)值試驗(yàn)研究，明確了高心墻堆石壩筑壩材料必須開(kāi)展的試驗(yàn)研究項(xiàng)目，并通過(guò)試驗(yàn)組數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果誤差關(guān)系的研究，建議了各項(xiàng)試驗(yàn)一般應(yīng)完成的試驗(yàn)組數(shù)(見(jiàn)圖1)。

近年來(lái)，許多研究者利用顆粒體離散元等數(shù)值方法，從細(xì)觀層次上開(kāi)展模擬堆石顆粒組構(gòu)的數(shù)值試驗(yàn)。數(shù)值試驗(yàn)?zāi)軌蚍奖憧旖莸剡M(jìn)行大量的敏感性分析，觀測(cè)堆石料細(xì)觀組構(gòu)的演化過(guò)程，為研究堆石料細(xì)觀力學(xué)行為及縮尺效應(yīng)提供了有效手段。

2.2. 心墻土料改性

為滿足心墻防滲、變形和強(qiáng)度的要求，高土石壩一般都需要對(duì)天然防滲土料進(jìn)行改性。

主要有兩類改性方式：一類是針對(duì)顆粒偏細(xì)、黏粒含量偏高、力學(xué)性能低的情況，采用人工摻礫進(jìn)行改性，如糯扎渡、雙江口、兩河口等工程；另一類是針對(duì)細(xì)粒少、礫石多、含水率偏低的情況，采用人工剔除超徑礫石并加水改性，如長(zhǎng)河壩、瀑布溝、如美等工程。結(jié)合天然土料場(chǎng)的實(shí)際特性，還可通過(guò)不同土料之間摻配的方式進(jìn)行改性，如長(zhǎng)河壩將部分偏粗料(P5含量50 %～65 %的連續(xù)級(jí)配礫石土)與部分偏細(xì)料(P5含量＜35 %的連續(xù)級(jí)配礫石土)按一定比例摻配改性，既充分利用了質(zhì)量尚可的天然土料，又簡(jiǎn)化了改性工藝。無(wú)論采取哪種改性方式，都應(yīng)使心墻土料具有良好的級(jí)配關(guān)系曲線和合適的礫石含量。結(jié)合糯扎渡、長(zhǎng)河壩等工程的大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，建議對(duì)于200～300 m級(jí)高土石壩，心墻土料合適的P5含量宜為30 %～50 %[1]。

糯扎渡心墻摻礫土料P5設(shè)計(jì)值為35 %，碾壓過(guò)程三階段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)P5平均值分別為36.1 %、36.2 %和34.1 %。長(zhǎng)河壩心墻土料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，P5平均值為44.4 %，最大值為56.1 %，最小值為32.2 %。

2.3. 堆石料本構(gòu)模型及大壩變形計(jì)算

對(duì)鄧肯–張E–B、清華KG、沈珠江雙屈服面彈塑性模型等常用的本構(gòu)模型進(jìn)行分析對(duì)比，提出堆石體修正Rowe剪脹方程，改進(jìn)了沈珠江雙屈服面模型，使計(jì)算結(jié)果更為可靠(見(jiàn)圖2)。采用直接定義塑性流動(dòng)方向、加載方向和塑性模量的方法，構(gòu)建了適用于靜動(dòng)力分析的堆石料廣義塑性本構(gòu)模型。結(jié)合國(guó)內(nèi)多座高土石壩的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議將鄧肯–張E–B模型作為大壩應(yīng)力變形計(jì)算的基本模型，同時(shí)采用一兩個(gè)其他模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，推薦改進(jìn)的沈珠江雙屈服面彈塑性模型[1]。

圖1. 高心墻堆石壩筑壩材料試驗(yàn)項(xiàng)目及組數(shù)建議。

圖2. 修正的沈珠江雙屈服面彈塑性模型。(a) 對(duì)剪脹方程的修正；(b) 與糯扎渡主堆石料試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；(c) 對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑的描述。

鑒于目前堆石料本構(gòu)模型的局限和壩料參數(shù)的不準(zhǔn)確，可通過(guò)反演分析修正計(jì)算模型及參數(shù)。依托糯扎渡工程，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及有限元方法建立了高土石壩變形反演分析系統(tǒng)，可以反演壩料的鄧肯–張E–B模型參數(shù)、壩料流變參數(shù)和濕化變形參數(shù)等，并按反演參數(shù)進(jìn)行大壩變形的計(jì)算分析及預(yù)測(cè)(見(jiàn)圖3)。

圖3. 土石壩變形反演分析流程。

2.4. 高土石壩變形控制原則

近年國(guó)內(nèi)外高土石壩工程實(shí)踐表明，多數(shù)200 m級(jí)高土石壩的實(shí)測(cè)沉降變形超過(guò)了最大壩高的1 %。結(jié)合工程實(shí)際，心墻堆石壩變形控制應(yīng)遵循總量控制及心墻與壩殼料變形協(xié)調(diào)相結(jié)合的原則，建議通過(guò)適當(dāng)提高心墻土料的變形模量以控制心墻土料和壩體堆石體的模量差，降低壩殼堆石料對(duì)心墻的拱效應(yīng)。結(jié)合糯扎渡等工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下應(yīng)控制心墻土料鄧肯–張E–B模型參數(shù)K的中值平均值大于350。

2.5. 壩體結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外已建壩高200 m以上的心墻堆石壩中，有6座采用直心墻，5座(含因故未建成的羅貢)采用斜心墻[1]。斜心墻有利于降低心墻拱效應(yīng)，但施工難度大、造價(jià)高。建議根據(jù)地形地質(zhì)條件，在條件許可時(shí)采用直心墻。因其施工方便且更經(jīng)濟(jì)，抗震安全性更好。國(guó)外200 m以上心墻壩壩坡坡度一般上游為1∶2.2～1∶2.6、下游為1∶2.0～1∶2.2。國(guó)內(nèi)外200 m以上心墻壩，除糯扎渡外，上游壩殼內(nèi)均不采用含軟巖的堆石料；除長(zhǎng)河壩外，均修建在基巖上。

糯扎渡心墻堆石壩最大壩高為261.5 m，壩頂寬度為18 m，經(jīng)研究論證，大壩上游壩坡坡度為1∶1.9、下游壩坡坡度為1∶1.8，提高了經(jīng)濟(jì)性。采用直心墻型式，心墻頂寬為10 m，上、下游壩坡坡度均為1∶0.2(見(jiàn)圖4)。糯扎渡工程還論證了在大壩上游適當(dāng)范圍內(nèi)采用部分軟巖堆石料是可行的(實(shí)際填筑4.78×106m3)，擴(kuò)大了工程開(kāi)挖料的利用率，顯著降低了工程投資，可供后續(xù)工程借鑒。

長(zhǎng)河壩心墻堆石壩最大壩高為240 m，壩頂寬度為16 m，上、下游壩坡坡度均為1∶2.0。采用直心墻型式，心墻頂寬為6 m，上、下游壩坡坡度均為1∶0.25(見(jiàn)圖5)。長(zhǎng)河壩建在深厚覆蓋層上，心墻部位開(kāi)挖后尚有約50 m深的覆蓋層，因此大壩的結(jié)構(gòu)分區(qū)充分考慮了壩基防滲的特殊要求，除心墻上、下游側(cè)設(shè)反濾層的常規(guī)措施外，心墻底部在壩基防滲墻下游設(shè)厚度各1 m的兩層水平反濾層，與心墻下游反濾層相接，心墻下游過(guò)渡區(qū)及堆石區(qū)與河床覆蓋層之間全部設(shè)置厚度為1 m的反濾層[2]。

2.6. 裂縫計(jì)算分析與控制

土石壩裂縫發(fā)生的力學(xué)機(jī)理及判別方法是土石壩設(shè)計(jì)科研中的一個(gè)難題。結(jié)合糯扎渡工程，發(fā)展了基于有限元變形計(jì)算的變形傾度有限元法，可采用變形傾度作為土石壩裂縫發(fā)生的判別依據(jù)。根據(jù)土工離心機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果，證明土石壩工程中臨界傾度值約為1 % [1]。

依托糯扎渡心墻壩，進(jìn)行了系統(tǒng)的抗拉特性試驗(yàn)，探討了心墻土料的抗拉斷裂特性和機(jī)理，提出了心墻黏土的拉壓聯(lián)合強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)模型；提出了心墻黏土基于無(wú)單元法的彌散裂縫模型，發(fā)展了基于無(wú)單元–有限元耦合方法的土石壩張拉裂縫三維仿真計(jì)算程序系統(tǒng)(見(jiàn)圖6) [1]。

3. 高土石壩滲流控制技術(shù)

滲流穩(wěn)定及控制是高土石壩安全建設(shè)和運(yùn)行的核心問(wèn)題之一。高土石壩滲流控制應(yīng)在深入開(kāi)展工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，遵循防滲、反濾、排水“三位一體、有機(jī)結(jié)合、優(yōu)化配置”的原則，做好各區(qū)域滲透指標(biāo)的控制，對(duì)深厚覆蓋層上的高土石壩，還需對(duì)壩基防滲做專門研究和處理。

3.1. 高土石壩滲流控制關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

收集整理了國(guó)內(nèi)外58座土石壩的滲流控制資料[1]，總結(jié)推薦各分區(qū)的滲流控制關(guān)鍵指標(biāo)如下：

圖4. 糯扎渡心墻壩最大橫剖面。

圖5. 長(zhǎng)河壩心墻壩典型橫剖面。

圖6. 土石壩裂縫計(jì)算分析及判別。(a) 變形傾度有限元法；(b) 三軸拉伸儀；(c) 斷裂機(jī)理；(d) 模擬計(jì)算系統(tǒng)。

心墻作為防滲主體，滲透系數(shù)宜控制在10–6cm·s–1數(shù)量級(jí)，平均允許滲透比降宜控制在2.5左右。帷幕作為壩基與岸坡防滲關(guān)鍵，透水率宜≤3 Lu，灌漿巖體的抗?jié)B強(qiáng)度建議在30左右。反濾層作為安全關(guān)鍵防線，須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，一般應(yīng)使心墻抗?jié)B坡降提高至100以上，并能使心墻裂縫自愈。反濾對(duì)壩基覆蓋保護(hù)范圍宜為0.33H(水頭)，對(duì)斷層及軟弱巖帶地基保護(hù)范圍為0.5H～1.0H，對(duì)深厚覆蓋層地基的保護(hù)范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。過(guò)渡區(qū)要求級(jí)配連續(xù)，最大粒徑不宜超過(guò)300 mm，頂部寬度不宜小于3 m，滲透系數(shù)一般應(yīng)大于1×10–3cm·s–1。堆石區(qū)滲透系數(shù)不宜小于最外一層反濾或過(guò)渡層的滲透系數(shù)，一般大于1×10–2cm·s–1，以保證浸潤(rùn)線快速下降。排水區(qū)宜用強(qiáng)度高、抗風(fēng)化的中到大塊石為主的石料填筑，在各分區(qū)中滲透系數(shù)最大，要求在1 cm·s–1附近。上游護(hù)坡既要能防止庫(kù)水掏蝕，又要能快速排水；下游護(hù)坡要能防止雨水沖刷。

糯扎渡心墻土料碾壓過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)處于2.02×10–7～8.47×10–6cm·s–1之間，平均值為4.05×10–6cm·s–1。

長(zhǎng)河壩心墻土料原位滲透試驗(yàn)結(jié)果表明：心墻土料滲透系數(shù)平均值為2.07×10–6cm·s–1，最小值為1.54× 10–7cm·s–1，最大值為8.8×10–6cm·s–1，破壞坡降平均值為7.22，最小值為2.71，最大值為9.90。

3.2. 心墻水力劈裂機(jī)理及數(shù)值仿真方法

針對(duì)心墻拱效應(yīng)和水力劈裂機(jī)理認(rèn)識(shí)不深入的問(wèn)題，結(jié)合糯扎渡工程，研究提出了滲水弱面是心墻水力劈裂發(fā)生的主要條件，揭示了心墻水力劈裂機(jī)理。將彌散裂縫理論與比奧固結(jié)理論相結(jié)合，建立了心墻水力劈裂計(jì)算模型及擴(kuò)展過(guò)程有限元算法(見(jiàn)圖7) [1]。

3.3. 深厚覆蓋層區(qū)域壩基防滲技術(shù)

長(zhǎng)河壩工程研究了深厚覆蓋層上高土石壩壩基防滲技術(shù)。主要包括：心墻下壩基覆蓋層采用兩道全封閉混凝土防滲墻防滲，兩岸及防滲墻底強(qiáng)透水基巖采用灌漿帷幕防滲；心墻下游過(guò)渡區(qū)及堆石區(qū)與河床覆蓋層之間全部設(shè)置反濾層，以加強(qiáng)對(duì)覆蓋層滲透破壞的保護(hù)。

長(zhǎng)河壩防滲墻及防滲帷幕主要技術(shù)參數(shù)為：以大壩軸線及主防滲墻所在平面構(gòu)成主防滲面，主防滲面上以基巖透水率≤3 Lu作為相對(duì)不透水層界限，灌漿帷幕深入相對(duì)不透水層5 m。主防滲帷幕采用兩排，孔距為2 m，主防滲墻下通過(guò)墻內(nèi)埋管灌漿的排距為1 m，在兩岸排距為1.5 m。副防滲墻位于主防滲墻前，兩墻凈距為14 m。為減小兩岸繞滲，提高副防滲墻承擔(dān)水頭的比例，對(duì)副防滲墻所在平面內(nèi)強(qiáng)透水巖體進(jìn)行了帷幕灌漿(深度約為30 m)，并且在兩道防滲墻之間設(shè)置連接帷幕(深度約為40 m)，帷幕灌漿為兩排，孔距為2 m。

4. 高土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定及抗震技術(shù)

土石壩由于采用散粒體材料，壩坡失穩(wěn)在壩體失事中占有較大的比例，研究土石壩的壩坡穩(wěn)定特別是地震作用下的壩坡穩(wěn)定具有重要意義。高土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定及抗震的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括：壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、堆石料非線性強(qiáng)度指標(biāo)的合理性及適用性、壩坡穩(wěn)定關(guān)鍵——?jiǎng)恿够€(wěn)定分析方法、地震永久變形安全控制標(biāo)準(zhǔn)、抗震加固措施等。

4.1. 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)現(xiàn)行的土石壩規(guī)范規(guī)定1級(jí)土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5，相應(yīng)的目標(biāo)可靠指標(biāo)為4.2(失效概率為1.33×10–5)，但同時(shí)明確該標(biāo)準(zhǔn)適用于200 m以下的土石壩。文獻(xiàn)[3,4]通過(guò)對(duì)已建和規(guī)劃建設(shè)高度大于200 m的工程進(jìn)行分析論證，建議對(duì)于正常工況，200～250 m高土石壩壩坡目標(biāo)可靠指標(biāo)取4.45(相應(yīng)失效概率為5×10–6)，250 m以上的高土石壩取4.7(相應(yīng)失效概率為1×10–6)，可以與壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.6和1.7處于同一風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖7. 水力劈裂模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬。

4.2. 堆石料非線性強(qiáng)度指標(biāo)的合理性與適用性

大量試驗(yàn)表明，堆石等粗粒料隨著圍壓的升高會(huì)發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象，內(nèi)摩擦角降低，摩爾強(qiáng)度包線向下彎曲(見(jiàn)圖8)。同時(shí)在壩坡穩(wěn)定分析中，線性指標(biāo)無(wú)法找到具有實(shí)際物理意義的臨界滑裂面，而非線性指標(biāo)可更合理地反映壩坡的實(shí)際滑動(dòng)和安全狀態(tài)。因此建議采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行土石壩的壩坡穩(wěn)定分析。非線性指標(biāo)應(yīng)采用規(guī)定組數(shù)的小值平均值，在此情況下，現(xiàn)行土石壩規(guī)范中對(duì)壩坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)可以直接使用，不需要調(diào)整。

圖8. 實(shí)驗(yàn)測(cè)定的堆石料摩爾強(qiáng)度包線。

4.3. 壩坡穩(wěn)定關(guān)鍵——?jiǎng)恿够€(wěn)定

壩坡穩(wěn)定關(guān)鍵是地震作用下動(dòng)力抗滑穩(wěn)定。4種常用的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定分析方法中，擬靜力法應(yīng)用范圍最廣，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，是目前進(jìn)行土石壩工程抗震穩(wěn)定分析的主要算法；有限元法、強(qiáng)度折減法、Newmark滑體變形法概念較為先進(jìn)，但目前尚缺少相應(yīng)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

高土石壩壩坡動(dòng)力穩(wěn)定宜采用多種方法進(jìn)行綜合分析。例如，糯扎渡高心墻壩分別采用了擬靜力法、考慮不同加速度分布系數(shù)的擬靜力法、可靠度方法、強(qiáng)度折減有限元法、有限元法、Newmark滑體變形法、基于變分原理的穩(wěn)定分析法等多種方法進(jìn)行了壩坡動(dòng)力抗滑穩(wěn)定分析。結(jié)果表明，靜力、設(shè)計(jì)地震工況滿足規(guī)范要求且具有較高的安全儲(chǔ)備。校核地震，安全系數(shù)接近規(guī)范允許值，安全性尚有保障。

4.4. 地震永久變形安全控制標(biāo)準(zhǔn)

土石壩震害的常見(jiàn)表現(xiàn)形式是壩體裂縫，壩體出現(xiàn)裂縫，若繼續(xù)加劇則會(huì)演化成滑坡。土石壩地震永久變形標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于避免土石壩地震過(guò)程中出現(xiàn)的潛在的可能發(fā)展為滑坡的裂縫。建議200 m級(jí)以上高土石壩的地震永久變形控制標(biāo)準(zhǔn)，以壩體上部的地震變形占該部分壩高的比值進(jìn)行控制，即以上部1/2(或1/3)壩高的壩體為研究對(duì)象，若這部分壩體的震陷率小于1.5 %，則認(rèn)為壩體可以承受。同時(shí)建議控制壩體不均勻震陷的傾度斜率在1.2 %以內(nèi)。

4.5. 抗震穩(wěn)定工程加固措施

壩體中上部位的加固是高土石壩抗震加固的重點(diǎn)。一般采用土工格柵、混凝土板梁、預(yù)制混凝土框格梁、抗震鋼筋等措施。土工格柵便于施工，可在一定程度上提高壩體整體性和壩頂抗震穩(wěn)定性，在瀑布溝等工程中已采用。努列克工程采用的混凝土板梁抗震結(jié)構(gòu)，施工很不方便，兩河口工程擬采用預(yù)制混凝土框格梁抗震結(jié)構(gòu)。在綜合研究對(duì)比傳統(tǒng)抗震措施的基礎(chǔ)上，糯扎渡工程研發(fā)應(yīng)用了適用于9度設(shè)防的高心墻堆石壩的抗震措施(見(jiàn)圖9)：壩體內(nèi)部不銹鋼筋與壩體表面不銹扁鋼網(wǎng)格組合，壩頂上、下游壩面漿砌塊石護(hù)坡等。研究表明，上述措施可提高壩頂部位的整體性和抗震穩(wěn)定性，減小壩坡面的淺層(表層)滑動(dòng)破壞概率。

圖9. 糯扎渡高心墻堆石壩新型抗震措施。

對(duì)建在深厚覆蓋層上的高土石壩，還要考慮壩基抗震，如長(zhǎng)河壩工程對(duì)下游壩基可能液化砂層以及上游壩基局部分布的砂層透鏡體予以挖除處理。

5. 高土石壩泄洪安全及控制技術(shù)

在眾多的土石壩事故原因中，由于泄水建筑物問(wèn)題特別是泄洪能力不足而造成的樞紐事故約占44 %，需要引起高度重視。高土石壩的泄洪安全涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題包括：防洪標(biāo)準(zhǔn)、泄洪建筑物布置、消能防沖、摻氣減蝕、泄洪霧化等。

5.1. 防洪標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)高土石壩的洪水標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時(shí)一般取規(guī)范上限值，采用可能最大洪水。建議以壩體超高和泄水建筑物超泄能力相結(jié)合的原則制定泄洪建筑物安全控制標(biāo)準(zhǔn)，將部分泄水建筑物的泄水能力作為安全儲(chǔ)備，確保各種工況下大壩不漫頂，同時(shí)應(yīng)設(shè)置放空設(shè)施。

5.2. 泄洪建筑物布置原則

泄洪建筑物布置應(yīng)結(jié)合地形地質(zhì)條件、樞紐整體布置，綜合考慮合適的體型和下游水流銜接要求，并經(jīng)過(guò)整體水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。建筑物軸線在平面上應(yīng)盡量選擇直線，同時(shí)考慮泄洪霧化等因素。建議泄洪建筑物應(yīng)以超泄能力強(qiáng)的溢洪道(洞)為主，泄洪隧洞為輔，盡量提高表孔的泄洪能力。

糯扎渡泄洪設(shè)施由左岸開(kāi)敞式溢洪道，左、右岸各一條泄洪洞(兼具放空功能)構(gòu)成。長(zhǎng)河壩工程在河道右岸布置了兩條溢洪道、一條深孔泄洪洞和一條放空洞(見(jiàn)圖10)。

圖10. 糯扎渡水電站樞紐布置圖。

5.3. 消能防沖

高土石壩一般采用挑流消能，挑流鼻坎可采用大差動(dòng)挑坎、窄縫式挑坎、挑流水股碰撞等型式，在橫向或縱向上分散入水水舌，分散入水能量。防沖設(shè)計(jì)根據(jù)基巖允許抗沖流速，通過(guò)開(kāi)挖消力塘加大水墊深度，并增設(shè)河岸防護(hù)結(jié)構(gòu)，提高河岸防沖刷的抗力。在適量深挖及拓寬消力塘尺寸的情況下，可采用護(hù)岸不護(hù)底的防護(hù)型式。

5.4. 泄洪建筑物摻氣減蝕

高壩泄洪建筑物由于流量大、流速高，摻氣減蝕非常重要?？稍诮?jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)體型基礎(chǔ)上，先采用數(shù)值模擬優(yōu)化體型，得到合理的體型后，再進(jìn)行物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。工程措施以流道體型控制為主，抗沖耐磨材料為輔。流速大于30 m·s–1時(shí)應(yīng)布置摻氣減蝕設(shè)施；摻氣設(shè)施以底部強(qiáng)行摻氣為主，可采用挑坎式或槽式摻氣。為保證泄洪隧洞通氣充分，無(wú)壓隧洞洞頂余幅應(yīng)不小于30 %，沿程洞頂需布置通氣井；有壓流、無(wú)壓流過(guò)渡段可采用突擴(kuò)突跌型式布置，通過(guò)側(cè)空腔及底空腔同時(shí)摻氣。

5.5. 泄洪霧化

泄洪霧化是比較復(fù)雜的現(xiàn)象(見(jiàn)圖11)，目前尚無(wú)成熟的研究手段，只能通過(guò)原型觀測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析等手段綜合分析評(píng)價(jià)。降低泄洪霧化危害的措施主要在建筑物布置及霧化區(qū)邊坡防護(hù)等方面，對(duì)霧化影響較敏感的建筑物盡量遠(yuǎn)離霧化區(qū)，霧化區(qū)邊坡應(yīng)同時(shí)從邊坡表面及內(nèi)部加強(qiáng)排水，以保證邊坡穩(wěn)定。

圖11. 糯扎渡水電站泄洪。

6. 高土石壩安全建設(shè)及質(zhì)量控制技術(shù)

有效控制壩體施工質(zhì)量是保證高土石壩安全的關(guān)鍵問(wèn)題。結(jié)合糯扎渡、瀑布溝、長(zhǎng)河壩等工程，總結(jié)提出了高土石壩安全建設(shè)及質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：心墻土料改性施工工藝、土石壩工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控“數(shù)字大壩”技術(shù)、土料壓實(shí)填筑控制標(biāo)準(zhǔn)及填筑質(zhì)量快速檢測(cè)方法等。

6.1. 心墻土料改性施工工藝

結(jié)合糯扎渡大壩人工摻礫改性的要求，提出人工碎石摻礫土料成套施工工藝(見(jiàn)圖12)：天然土料立采(高度為5～8 m)、自卸汽車運(yùn)輸至摻合料場(chǎng)；天然土料與人工碎石水平互層鋪料，土料單層厚1.03 m，礫石單層厚0.5 m，推土機(jī)平料，如此相間鋪料3層，總高控制在5 m以內(nèi)；以挖掘機(jī)立采方式使土料和碎石料得到混合，摻混3次后裝20 t自卸汽車運(yùn)輸至壩面；在壩面采用后退法卸料，平路機(jī)平料，鋪層厚度為25～30 cm，20 t自行式振動(dòng)凸塊碾(激振力大于400 kN)震壓8遍、行車速度≤3 km·h–1[5]。

瀑布溝工程結(jié)合心墻土料改性要求，提出二次篩分改性工藝，減少了篩分棄料。篩分流程為：自卸汽車運(yùn)輸；條篩一次篩分剔除大于250 mm的礫石；方孔振動(dòng)篩二次篩分剔除60～80 mm以上的礫石)；皮帶機(jī)運(yùn)輸；堆料場(chǎng)堆料；自卸車運(yùn)輸上壩[6]。

長(zhǎng)河壩工程采用了粗、細(xì)土料的摻配改性工藝措施：用平鋪立采方式進(jìn)行，粗料攤鋪厚度為0.5 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每層土料松鋪干密度進(jìn)行檢測(cè)確定細(xì)料攤鋪厚度；第一層鋪粗料，第二層鋪細(xì)料，第三層鋪粗料，第四層鋪細(xì)料，如此相間鋪料，使鋪料高度達(dá)到滿足摻配機(jī)械工作條件；由正鏟挖掘機(jī)立采，挖掘機(jī)斗舉空中將料自然拋落，重復(fù)3～6次，達(dá)到充分摻合的效果。

6.2. 高土石壩建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控“數(shù)字大壩”系統(tǒng)

依托糯扎渡工程，開(kāi)發(fā)了高土石壩建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控“數(shù)字大壩”系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GPS、PDA和信息技術(shù)，對(duì)壩料的調(diào)運(yùn)、筑壩參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息反饋，為大壩建設(shè)過(guò)程的質(zhì)量控制與壩體安全診斷提供信息應(yīng)用和支撐平臺(tái)(見(jiàn)圖13)；對(duì)振動(dòng)碾的行車速度、碾壓遍數(shù)、激振力和碾壓軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保碾壓填筑質(zhì)量滿足要求(見(jiàn)圖14)；利用車載GPS定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)上壩運(yùn)輸車輛從料場(chǎng)到壩面填筑現(xiàn)場(chǎng)的全程監(jiān)控，為確保壩料上壩卸料的準(zhǔn)確性及運(yùn)輸車輛優(yōu)化調(diào)度提供了依據(jù)[7]。

圖12. 糯扎渡心墻壩人工碎石摻礫土料施工工藝流程。

圖13. “數(shù)字大壩”填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控原理圖。

“數(shù)字大壩”系統(tǒng)有效提高了糯扎渡大壩施工質(zhì)量監(jiān)控的水平和效率，確保大壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)，為高土石壩施工質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)控制開(kāi)辟了一條新的途徑。2009—2011年，糯扎渡大壩年均填筑9.4×106m3，提前一年建成，“數(shù)字大壩”系統(tǒng)發(fā)揮了重要的支撐作用。長(zhǎng)河壩等后續(xù)多個(gè)高土石壩工程推廣應(yīng)用了該系統(tǒng)。

6.3. 土料壓實(shí)填筑控制標(biāo)準(zhǔn)及土料壓實(shí)度快速檢測(cè)方法

建議采用較大擊實(shí)功能，提高填筑密實(shí)度、抗?jié)B性和變形穩(wěn)定性。糯扎渡工程土料最大粒徑為120 mm，為此專門研制出600 mm超大型擊實(shí)儀，以研究摻礫土料的擊實(shí)特性。研究表明：摻礫量50 %以下時(shí)采用替代法大型擊實(shí)成果代替原級(jí)配超大型擊實(shí)成果對(duì)摻礫土全料進(jìn)行質(zhì)量控制是可行的[見(jiàn)圖15(a)]；全料2690 kJ·m–3功能、壓實(shí)度95 %時(shí)，可以達(dá)到全料595 kJ·m–3功能、壓實(shí)度100 %的要求[見(jiàn)圖15(b)]。

在摻礫土料填筑質(zhì)量快速檢測(cè)方法方面，對(duì)比分析了全料壓實(shí)度控制法、全料壓實(shí)度預(yù)控線法和細(xì)料壓實(shí)度控制法。全料壓實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法試驗(yàn)工作量大、費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，細(xì)料壓實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法擊實(shí)功能降低，工作量大幅減少，可以滿足施工進(jìn)度要求，推薦采用細(xì)料595 kJ·m–3擊實(shí)功能的三點(diǎn)快速擊實(shí)方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制，并采用一定比例大型擊實(shí)儀在試驗(yàn)室進(jìn)行全料壓實(shí)度復(fù)核。依托糯扎渡工程還研發(fā)了填筑密實(shí)度檢測(cè)的“附加質(zhì)量法”，該方法工作快速、無(wú)破壞性、可大幅加快檢測(cè)進(jìn)度，建議在后續(xù)工程推廣應(yīng)用。

圖14. 糯扎渡心墻壩填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖15. 糯扎渡心墻堆石壩土料壓實(shí)填筑控制標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)研究。(a) 不同擊實(shí)功能及擊實(shí)儀直徑下最大干密度對(duì)比；(b) 不同擊實(shí)功能及壓實(shí)度下全料干密度對(duì)比。

7. 高土石壩安全評(píng)價(jià)及預(yù)警管理信息系統(tǒng)

基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及先進(jìn)的信息技術(shù)，建立土石壩工程安全評(píng)價(jià)及預(yù)警信息系統(tǒng)，對(duì)大壩安全建設(shè)、蓄水驗(yàn)收及全生命周期安全運(yùn)行具有重要意義。

7.1. 大壩安全評(píng)價(jià)與預(yù)警管理信息系統(tǒng)

結(jié)合糯扎渡工程下閘蓄水的實(shí)際需要，研發(fā)了基于Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控的超高心墻堆石壩安全評(píng)價(jià)與預(yù)警管理信息系統(tǒng)(見(jiàn)圖16)。系統(tǒng)集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析管理、大壩數(shù)值計(jì)算與反演分析、安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及預(yù)警系統(tǒng)、巡視記錄與文檔管理于一體，對(duì)大壩的監(jiān)測(cè)信息管理、性態(tài)分析、安全評(píng)價(jià)及預(yù)警發(fā)揮了重要作用。

7.2. 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

糯扎渡工程結(jié)合大壩安全評(píng)價(jià)與預(yù)警管理信息系統(tǒng)的研發(fā)，針對(duì)庫(kù)水位、滲透穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定及壩體裂縫等問(wèn)題，提出了高心墻堆石壩整體和分項(xiàng)兩級(jí)大壩安全監(jiān)控指標(biāo)，為大壩安全評(píng)估和預(yù)警提供了支撐。其中，大壩整體安全性的指標(biāo)主要有大壩滲流量、壩體最大沉降、壩頂最大沉降、上游壩坡變形、下游壩坡變形、壩頂裂縫等；大壩分項(xiàng)安全指標(biāo)主要包括大壩順河向水平位移、壩體沉降、滲流量、滲壓、土壓力、裂縫等。

7.3. 新型安全監(jiān)測(cè)設(shè)備

依托糯扎渡工程研發(fā)了新型分層式沉降儀、新型壓力式水管沉降儀、四管式水管式沉降儀、電測(cè)式橫梁式沉降儀和弦式沉降儀、剪變形計(jì)、500 mm超大量程電位器式位移計(jì)、六向土壓力計(jì)組等，可實(shí)現(xiàn)上游堆石體內(nèi)部沉降、心墻內(nèi)部沉降、心墻與反濾及混凝土墊層之間的相對(duì)變形、心墻的空間應(yīng)力監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)集成了測(cè)量機(jī)器人、GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、內(nèi)外觀自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件下高精度監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

長(zhǎng)河壩大壩沉降監(jiān)測(cè)采用了弦式沉降儀、智能沉降儀以及電位器式位移計(jì)三種新技術(shù)手段。就目前監(jiān)測(cè)成果來(lái)看，以電位器式位移計(jì)最為成功。覆蓋層沉降監(jiān)測(cè)采用最大量程達(dá)1200 mm的電位器式位移計(jì)，可滿足長(zhǎng)河壩深厚覆蓋層沉降監(jiān)測(cè)的需要。

為滿足300 m級(jí)高土石壩安全監(jiān)測(cè)的需要，最近還對(duì)InSAR變形監(jiān)測(cè)技術(shù)、管道機(jī)器人、柔性測(cè)斜儀、土石壩監(jiān)測(cè)廊道等最新技術(shù)的可行性進(jìn)行了研究。

8. 糯扎渡心墻堆石壩安全監(jiān)測(cè)資料分析及工作性態(tài)評(píng)價(jià)

圖16. 糯扎渡大壩安全評(píng)價(jià)與預(yù)警管理信息系統(tǒng)。

糯扎渡水電站2011年11月下閘蓄水，2012年9月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2013年、2014年分別蓄水至正常水位，擋水水頭為252 m(圖17)。

截至2015年年底，大壩變形分布符合高心墻堆石壩的一般規(guī)律。壩頂沉降最大實(shí)測(cè)值為790.67 mm，占最大壩高的0.30 %，小于竣工后壩頂沉降率0.5 %的參考指標(biāo)。壩體最大累計(jì)沉降量為4305 mm，約為最大壩高的1.65 %，小于沉降率3 %的參考指標(biāo)。壩體表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。心墻與反濾間的剪變形計(jì)絕大部分處于受壓狀態(tài)，實(shí)測(cè)最大相對(duì)變形為–103.82 mm，發(fā)生在心墻最大沉降帶，反濾部位沉降小于心墻沉降。壩基混凝土墊層測(cè)縫計(jì)實(shí)測(cè)位移為–19.7～2.74 mm，大部分?jǐn)嗝骈_(kāi)合度不大。蓄水對(duì)上游堆石體產(chǎn)生一定的濕陷，但未對(duì)心墻變形產(chǎn)生顯著影響，心墻無(wú)明顯向下游水平位移的趨勢(shì)。

上游堆石體內(nèi)水位與庫(kù)水位基本一致，心墻內(nèi)存在超孔隙水壓力，心墻后水位則比較低，表明心墻、墊層及防滲帷幕的防滲體效果較好。壩基廊道內(nèi)測(cè)壓管實(shí)測(cè)水頭為–1.93～127.95 m。壩基廊道內(nèi)大部分量水堰滲流量較穩(wěn)定，總滲流量為4.14 L·s–1；壩后梯形量水堰滲流量為5.42 L·s–1；綜合壩基廊道內(nèi)滲流量與壩后量水堰實(shí)測(cè)流量，得出目前大壩總滲流量為9.56 L·s–1。

心墻和上、下游堆石體的應(yīng)力分布符合高心墻堆石壩的一般規(guī)律，心墻孔隙水壓力正緩慢消散。

以上安全監(jiān)測(cè)資料表明，糯扎渡心墻堆石壩變形、滲流、滲壓、應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定，變形和滲流關(guān)鍵指標(biāo)遠(yuǎn)小于國(guó)內(nèi)外已建同類工程，大壩運(yùn)行狀態(tài)良好(見(jiàn)圖17)。

9. 結(jié)語(yǔ)

糯扎渡等心墻堆石壩從變形穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定和壩坡抗滑穩(wěn)定三大穩(wěn)定入手，系統(tǒng)研究了高土石壩安全建設(shè)中的重大技術(shù)問(wèn)題。提出了以心墻變形控制為重點(diǎn)并與壩殼料變形相協(xié)調(diào)的原則，改進(jìn)了計(jì)算模型參數(shù)。提出了防滲、反濾、排水“三位一體、有機(jī)結(jié)合、優(yōu)化配置”的滲流控制原則和滲控標(biāo)準(zhǔn)。研究指出滲水弱面是心墻水力劈裂發(fā)生的主要條件，更新了對(duì)水力劈裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)。比較了壩坡動(dòng)力抗滑穩(wěn)定四種分析方法，得出宜采用多種方法進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，提出了中國(guó)常用的抗震措施。糯扎渡大壩首次利用GPS、PDA信息技術(shù)，對(duì)壩料調(diào)運(yùn)、筑壩參數(shù)、試驗(yàn)成果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息反饋，是大壩施工質(zhì)量控制的重大創(chuàng)新。以上重大技術(shù)的突破，為后續(xù)高土石壩安全建設(shè)提供了重要的參考和技術(shù)支撐。

致謝

本研究得到中國(guó)工程院咨詢研究項(xiàng)目(2013-xy-11)及國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAB06B01)資助，特此致謝！

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Hongqi Ma and Fudong Chi declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

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英文原文: Engineering 2016, 2(4): 498—509

Hongqi Ma, Fudong Chi. Major Technologies for Safe Construction of High Earth-Rockfill Dams. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/

J.ENG.2016.04.001

安全建設(shè)

重大技術(shù)問(wèn)題