縮減三維變形的防擠壓破壞面板壩設(shè)計(jì)

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 6100656；2.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610065)

近些年，混凝土面板堆石壩以其對壩址區(qū)地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，得到快速發(fā)展，但隨著建設(shè)高度增加或地形地質(zhì)條件的復(fù)雜與差異等原因，運(yùn)行大壩中常出現(xiàn)面板脫空、面板垂直結(jié)構(gòu)縫擠壓破壞、止水結(jié)構(gòu)破壞等狀況，損傷大壩防滲體系[1]，甚至影響壩體滲透安全，突顯出工程安全風(fēng)險(xiǎn)，影響工程的正常運(yùn)行。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)已建200m級面板堆石壩共計(jì)13座，面板壩破壞程度高達(dá)38.5%，其中阿瓜密爾帕、三板溪、天生橋等面板堆石壩均出現(xiàn)不同程度的病害。國內(nèi)100m級面板堆石壩中，滲漏量超過1000L/s的共計(jì)10座，占總座數(shù)的12.5%[2]。

本文通過總結(jié)分析實(shí)際面板壩工程中的破壞現(xiàn)象及特征，研究并設(shè)計(jì)了一種調(diào)控壩體變形的分區(qū)構(gòu)造及其施工方式、微殼體面板結(jié)構(gòu)和垂直縫構(gòu)造設(shè)計(jì)的新理念，來改善面板在擠壓狀態(tài)下的受力條件，以期系統(tǒng)性解決面板的擠壓破壞問題。

1 面板擠壓破壞機(jī)理

面板縱縫的轉(zhuǎn)動接觸擠壓效應(yīng)是導(dǎo)致面板擠壓破壞的直接原因[3-6]，其主要作用機(jī)理包括以下兩個(gè)方面。

a.以散粒體堆積碾壓而成的堆石壩壩殼的各斷面沉降變形量與該斷面高度成比例，大壩沿壩軸線方向的高度變化呈U形或V形，故大壩的整體沉降變形表現(xiàn)為聚心的三維效應(yīng)，即沉降變形過程中存在兩岸向河床中心的水平效應(yīng)分量[7]。壩殼(含過渡層、墊層)的聚心變形，使墊層在面板底部產(chǎn)生側(cè)向摩擦力，帶動面板從兩側(cè)向河床中心位移。當(dāng)中上部(傳統(tǒng)的擠壓區(qū))面板板塊間的位移量值不能協(xié)調(diào)一致時(shí)，產(chǎn)生擠壓效應(yīng)。

b.大壩蓄水后，面板在水荷載的作用下，產(chǎn)生三維的內(nèi)陷變形，面板呈現(xiàn)為凹陷的空間微曲面。此過程中各板塊間的縫面產(chǎn)生內(nèi)陷偏轉(zhuǎn)，即從原本相對平行的縫面，偏轉(zhuǎn)到下寬上窄的梯形相對，此時(shí)擠壓區(qū)的擠壓狀態(tài)，從原本的平行均勻接觸擠壓逐漸變成了非均勻乃至線接觸擠壓，此種擠壓作用使面板縱縫的上表面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，一旦壓應(yīng)力超過鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度，面板擠壓破壞。

總結(jié)面板堆石壩工程經(jīng)驗(yàn)，業(yè)界現(xiàn)有技術(shù)多通過提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、分期筑壩、優(yōu)化止水結(jié)構(gòu)及斷面分區(qū)等措施來防止面板擠壓破壞[8]。針對工程實(shí)際，提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，會增加工程成本，該壩型的經(jīng)濟(jì)性無法體現(xiàn)，且易造成堆石顆粒破碎，滲透系數(shù)降低，堆石體自身的排水性能降低，面板壩的安全運(yùn)行無法保障；分期筑壩雖能減少壩體沉降，但施工期過長，且間斷處也可能存在非連續(xù)引起的協(xié)調(diào)問題[9]；合理的斷面分區(qū)及止水結(jié)構(gòu)并不能從根本上解決面板擠壓破壞問題。當(dāng)前諸多技術(shù)均沒有針對上述機(jī)理提出系統(tǒng)性解決方案，如何經(jīng)濟(jì)、高效、系統(tǒng)地解決面板壩的擠壓破壞問題，是業(yè)界密切關(guān)注的話題之一。

2 縮減三維變形的防擠壓破壞面板壩

相對于混凝土壩，面板堆石壩具有面板材料近似連續(xù)均勻、堆石主體材料離散的特點(diǎn)，堆石體各分區(qū)的顆粒級配、密實(shí)度均對堆石體與面板的變形協(xié)調(diào)有較大影響。為解決面板壩的擠壓破壞問題，本文提出一種縮減三維變形的防擠壓破壞面板壩，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工方法創(chuàng)新，縮減面板壩壩殼的三維變形不良效應(yīng)，從根本上縮減乃至消除面板順壩軸線方向的位移，設(shè)計(jì)微凸殼體面板、擠壓區(qū)的弧形縫、非擠壓區(qū)的梯形縫，來保障一旦發(fā)生擠壓接觸時(shí)縫面的面接觸狀態(tài)，確保不發(fā)生擠壓破壞。

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)及施工方法

結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工方法主要包括縱向分區(qū)結(jié)構(gòu)和非線性超填施工措施。

圖1 面板壩縱向分區(qū)及非線性超填立視圖

縱向分區(qū)構(gòu)造是沿壩軸線方向?qū)螝ΨQ分為五個(gè)左右的分區(qū)，見圖1，其左右兩側(cè)分區(qū)、中心兩側(cè)分區(qū)、中心分區(qū)內(nèi)的填筑干密度按級差由中心分區(qū)向兩側(cè)分區(qū)依次遞減，例如中心分區(qū)內(nèi)的干密度為最大值的100%、中心兩側(cè)分區(qū)的干密度為97.5%、左右兩側(cè)分區(qū)的干密度為95%。填筑層通倉內(nèi)不同的干密度，可通過控制各分區(qū)內(nèi)的碾壓遍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。級差遞減比例值也可以根據(jù)不同工程具體來分析確定。通過如此的分區(qū)構(gòu)造，改變各斷面的單位沉降率，減緩水平效應(yīng)分量對面板的作用，削減壩體沉降的三維聚心變形。

非線性超填施工措施，是指分層碾壓施工時(shí)，每一層倉面均沿壩軸線方向?qū)ΨQ弧形非線性超填，即倉面沿壩軸線方向不是水平的而是大致對稱拱曲的，中間高、兩側(cè)低，一直逐層填筑到壩頂均保持此非線性對稱弧形超填施工。因工程實(shí)際情況不同，超填曲線需通過具體分析來確定。如此施工，由于堆石體中部在縱向分區(qū)構(gòu)造基礎(chǔ)上已相對密實(shí)，由內(nèi)而外沉降變形均會有所減緩[10]，可進(jìn)一步削減或抑制三維聚心變形。

此創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工措施，理論上可緩解堆石壩體流變對壩體變形的影響，縮減壩殼的聚心變形，從根本上縮減因面板順壩軸線方向的移動而造成擠壓的不良反應(yīng)。

2.2 微凸曲面面板

為避免傳統(tǒng)平板面板蓄水凹陷致面板間受力狀態(tài)惡化，本文設(shè)計(jì)提出向上游微凸起的殼體結(jié)構(gòu)面板，即從壩殼的堆石體上游面到過渡區(qū)、墊層以及面板的大壩上游側(cè)部分，均為凸向上游的空間微殼體形狀，見圖2。該微殼體凸向上游的尺度，可通過數(shù)值模擬計(jì)算出傳統(tǒng)平板面板壩蓄水后內(nèi)凹陷量值，然后沿傳統(tǒng)面板壩的平板面鏡像到上游側(cè)外凸來確定?？臻g微曲面形的面板板條間縱向垂直結(jié)構(gòu)縫的縫寬大于傳統(tǒng)平板面板縫寬，以消化蓄水后微凸面板受水壓內(nèi)陷時(shí)的變形量；該縫的縫寬，可通過在傳統(tǒng)縫寬的基礎(chǔ)上，疊加微凸面板壩沿壩軸線方向?qū)嶋H長度與傳統(tǒng)面板長度之差在各個(gè)縫上的分量來確定。

圖2 微凸曲面面板壩剖面圖

這種設(shè)計(jì)確保工程蓄水面板受載后，上凸微曲面板逐漸向平斜板趨勢變形。最理想的情況是曲面板變形穩(wěn)定在斜平面板狀態(tài)，即便未達(dá)到最理想狀態(tài)，最終穩(wěn)定在微凸或微凹狀態(tài)，面板縫間受力狀態(tài)也會一改傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的惡化過程，維持在良性狀態(tài)。

2.3 垂直縫構(gòu)造設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)面板壩擠壓破壞位于上中部，見圖3，為避免擠壓區(qū)受載內(nèi)陷偏轉(zhuǎn)時(shí)接觸狀態(tài)惡化，在面板的傳統(tǒng)擠壓區(qū)內(nèi)各板條間的縱向垂直結(jié)構(gòu)縫的接縫均設(shè)置為弧形縫，其余區(qū)域內(nèi)縱向垂直結(jié)構(gòu)縫的接縫為梯形縫。面板擠壓區(qū)邊界，通過分高程計(jì)算面板的壩軸向位移來確定，即從面板頂部開始，以對稱兩側(cè)的最大位移量處為左右邊界，逐步向下，直到最大位移量值小于等于設(shè)計(jì)面板縫寬值時(shí)，為底界。

圖3 弧形縫、梯形縫所在區(qū)域示意

弧形縫由兩個(gè)平行的同圓心弧面構(gòu)成，底部設(shè)置銅片止水，中間為柔性填料，頂部為柔性填料外包蓋皮[11-12]。擠壓區(qū)采用弧形縫，在微凸曲面板受水荷載向平板趨勢過渡過程中，縫面大致繞弧形圓心轉(zhuǎn)動，有效確?？p面自始至終維持充分的面接觸，即便傳遞壓力，其壓應(yīng)力也不會極度增高，從而保護(hù)面板不被擠壓破壞，見圖4。

梯形縫相對的兩縫面為非平行狀態(tài)，上寬下窄。底部設(shè)置銅片止水，中間為PVC或橡膠止水加柔性填料，頂部為柔性填料外包蓋皮[11-12]。梯形縫適用于作為擠壓區(qū)以外的板間垂直縫。隨著面板受載內(nèi)陷、偏轉(zhuǎn)，梯形縫向平行縫狀態(tài)發(fā)展，一方面梯形縫消化了微凸曲面表面積的減小，另一方面作為非壓縮區(qū)垂直縫，其內(nèi)陷偏轉(zhuǎn)時(shí)板間接觸狀態(tài)也是向良性方向變化，見圖5。

圖4 弧形縫詳圖

圖5 梯形縫詳圖

3 結(jié) 論

目前中國在面板堆石壩的建設(shè)、運(yùn)行方面均已具備較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，但面板堆石壩的變形協(xié)調(diào)問題并沒有從根本上得到解決?？s減三維變形的防擠壓破壞的面板堆石壩，可以系統(tǒng)性削減甚至根除面板側(cè)向位移和擠壓破壞的原動力。輔之以保障性的面板微凸曲和縫面構(gòu)造的創(chuàng)新，進(jìn)一步改善了面板間的接觸與受力狀態(tài)，從而有望根除“擠壓破壞”這一困擾面板堆石壩發(fā)展的難題。

對應(yīng)于傳統(tǒng)壩殼的統(tǒng)一密實(shí)度通倉碾壓，該面板壩采用局部縮減碾壓遍數(shù)的措施，分區(qū)優(yōu)化密實(shí)度，可節(jié)約一定成本，用以平衡曲線超填、微凸殼體面板的成本增量，相較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合成本變化不大，但可以大大提高大壩的面板安全性，克服頑疾，增強(qiáng)面板壩的整體優(yōu)越性，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，為水利水電企業(yè)安全、效益做出貢獻(xiàn)。到目前為止，本文所述的新型面板堆石壩尚處于方案設(shè)計(jì)階段，有待于進(jìn)一步開展深入的理論分析和試驗(yàn)研究，為面板堆石壩的建設(shè)提供高效、經(jīng)濟(jì)、可行的技術(shù)方案。