江坪河水電站高面板堆石壩變形特點及設(shè)計研究

王國輝，殷彥高，張嘉明

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

江坪河水電站位于澧水一級支流溇水上游河段湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)境內(nèi)，工程以發(fā)電為主，兼顧防洪。水庫正常蓄水位470 m，水庫總庫容13.66億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量450 MW，多年平均年發(fā)電量9.64億kW·h，為一等大(1)型工程。

電站樞紐建筑物主要有大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)。大壩布置于峽谷中部；泄洪建筑物集中布置于右岸，溢洪道為2條平行布置的隧洞泄槽式結(jié)構(gòu)，溢流堰采用開敞式，孔口尺寸14 m×22 m(寬×高)，泄洪放空洞平行布置于溢洪道左側(cè)，由進(jìn)水口、有壓洞、弧形閘門豎井及無壓洞組成，控制斷面6 m×6 m(寬×高)，泄洪建筑物采用挑流消能；引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸，采用單機(jī)單洞供水方式，設(shè)2條直徑為6.4 m的引水隧洞。岸坡式地面廠房安裝2臺混流式機(jī)組，單機(jī)容量225 MW。

1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計

混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，壩頂寬10 m，壩頂長414 m，最大壩高219 m。壩頂上游設(shè)“L”形防浪墻，下游設(shè)混凝土擋墻；大壩上游坡比為1∶1.4，下游綜合坡比為1∶1.4，局部坡比1∶1.36，設(shè)置4級馬道。

大壩分區(qū)設(shè)計：從上游至下游依次為上游蓋重區(qū)(1B)、粘土鋪蓋區(qū)(1A)、墊層區(qū)(2A)、特殊墊層區(qū)(2B)、過渡區(qū)(3A)、堆石區(qū)(3B)和下游面塊石護(hù)坡。其中，1A區(qū)頂高程378 m，寬5.0 m，上游坡比1∶1.6；1B區(qū)頂高程380 m，寬7.4 m，上游坡比1∶2.0；2A區(qū)水平寬4.0 m；3A區(qū)水平寬6.0 m，等寬布置。

混凝土面板高程400 m以下采用不等厚面板設(shè)計，以上為等厚面板，最大厚度1.05 m，最小厚度0.55 m。兩岸受拉區(qū)面板分縫間距6 m，中部受壓區(qū)為12 m。面板分三期澆筑，在高程360 m設(shè)置施工縫，高程430 m設(shè)置永久水平縫。其中，一期面板混凝土強(qiáng)度等級采用C35，二、三期面板為C30，抗?jié)B等級W12，抗凍等級F100。趾板采用壩前設(shè)標(biāo)準(zhǔn)板，下接防滲板的結(jié)構(gòu)形式。

周邊縫止水系統(tǒng)采用三道止水加自愈系統(tǒng)，即“粉煤灰與表層塑性填料—中部銅止水—底部銅止水”的止水結(jié)構(gòu)，高程380 m以上取消中部銅止水；面板垂直縫底部設(shè)“W”形銅止水，表面設(shè)置塑性止水。

表1 冰磧礫巖物理力學(xué)性質(zhì)

表2 堆石料E-B模型參數(shù)

圖1 主堆石料室內(nèi)三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2 填筑料特性及填筑參數(shù)

2.1 填筑料特性

壩體填筑石料主要為震旦系冰磧礫巖，屬堅硬巖石，巖石壓縮模量和抗剪強(qiáng)度較高。冰磧礫巖物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

為了解冰磧礫巖壩料的工程力學(xué)特性，通過室內(nèi)大型三軸試驗測定了壩料應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。試驗強(qiáng)度破壞值原則：若主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線有峰值時，取峰值作為破壞強(qiáng)度；若無峰值，則取ε1=15%時的(σ1-σ3)值作為破壞強(qiáng)度。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線整理的鄧肯E-B模型參數(shù)見表2。

此外，為進(jìn)一步了解江坪河水電站面板壩堆石料的力學(xué)特性，將目前世界上幾座高面板壩主堆石料的室內(nèi)三軸試驗成果進(jìn)行了對比，見圖1。圖中，同1種材料4條應(yīng)力變形曲線的圍壓分別為0.5、1.0、1.5 MPa和2.0 MPa。從圖1可知，各區(qū)堆石材料的應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)與密度增大、孔隙率減小有較好的正面效應(yīng)。在高應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度呈非線性，各堆石區(qū)密度較高時，剪切過程中出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，低圍壓下剪脹性更為明顯。經(jīng)分析可知，堆石料冰磧礫巖變形模量較高，破壞變形相對較小，材料脆性較強(qiáng)。

2.2 爆破碾壓試驗及填筑參數(shù)

針對壩體填筑料進(jìn)行了3次爆破碾壓試驗，其中，第3次為生產(chǎn)性爆破碾壓試驗。共進(jìn)行了5場爆破試驗，8場碾壓試驗，其中，第4場和第6場為推薦碾壓場次。推薦場次碾壓試驗參數(shù)及碾后試驗成果見表3、4。第4場碾壓試驗?zāi)雺呵?、后顆粒級配曲線見圖2。通過分析爆破碾壓數(shù)據(jù)可得：

(1)爆破料級配基本達(dá)到設(shè)計要求，整體上存在爆破料中P5含量和大于400 mm顆粒含量偏低的問題。

(2)不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、干密度等指標(biāo)試驗成果滿足設(shè)計要求，整體上顆粒級配較好；但P5含量偏低，碾壓后顆粒級配大于400 mm顆粒含量偏少。

(3)由碾壓遍數(shù)與累積沉降率關(guān)系分析可知，碾壓8～10遍，沉降量基本趨于穩(wěn)定。

根據(jù)爆破碾壓試驗成果，確定壩體各區(qū)填筑參數(shù)及碾壓技術(shù)指標(biāo)，見表5。

表3 推薦場次碾壓試驗參數(shù)

表4 推薦場次碾壓試驗成果

圖2 第4場碾壓試驗顆粒級配

表5 壩體各分區(qū)碾壓技術(shù)指標(biāo)

3 大壩應(yīng)力變形特性分析

建立大壩三維模型進(jìn)行非線性有限元計算分析。堆石料、墊層料和過渡料選用鄧肯E-B模型，混凝土面板與墊層料間設(shè)置Goodman接觸面單元，計算過程中考慮堆石體的流變效應(yīng)，荷載逐級施加。由于江坪河水電站壩址區(qū)岸坡陡峻，考慮了壩體與岸坡間的摩擦接觸作用，在壩體與岸坡之間設(shè)置了接觸面單元，見圖3。

圖3 壩基與地基間的接觸面

整個壩體結(jié)構(gòu)共剖分得到總結(jié)點9 926個，總單元7 662個。其中，實體單元5 670個，面板單元451個，面板與墊層之間的接觸面單元451個，壩基地基之間的接觸面單元1 054個，豎縫單元431個，周邊縫單元56個。壩體整體剖分網(wǎng)格見圖4。

圖4 大壩剖分網(wǎng)格

考慮堆石體運(yùn)行期蓄泄循環(huán)作用下，壩體變形與應(yīng)力的有限元計算極值見表6。大壩面板變形計算極值見表7。典型斷面的變形和應(yīng)力見圖5～8。

表6 大壩有限元計算極值

表7 大壩面板變形計算極值

圖5 壩體最大斷面沉降(單位：cm)

江坪河水電站大壩的河谷寬高比僅1.8，且高程375 m以下為深切陡峭岸坡的河谷地形，為狹窄河谷上建設(shè)的典型高面板堆石壩。經(jīng)過大壩三維靜動力有限元分析，得到如下結(jié)論：

(1)狹窄河谷地形導(dǎo)致堆石體具有明顯的拱效應(yīng)[1-3]。不同計算條件下堆石體主應(yīng)力最大值僅為1.96 MPa，僅占堆石體自重的40%左右；堆石體的最大沉降為149 cm，占壩高的0.7%；水庫蓄水后面板的最大撓度為81.9 cm。

(2)分析狹窄河谷堆石體與基巖之間的相互作用表明，考慮狹窄河谷堆石體與基巖之間的滑移時，堆石體的最大主應(yīng)力從1.87 MPa增大到1.96 MPa；堆石體的變形量也有所增大；面板的應(yīng)力也有增大的趨勢，更符合大壩的實際工作性態(tài)。

(3)堆石體的流變導(dǎo)致壩體的變形和應(yīng)力均增加。滿蓄后堆石體的沉降從138.3 cm增大到149.5 cm；面板撓度從77 cm增加到81.9 cm。堆石體流變使面板呈現(xiàn)進(jìn)一步壓緊的趨勢，導(dǎo)致面板應(yīng)力也有所增加。

(4)考慮運(yùn)行期水庫蓄泄循環(huán)荷載作用的流變過程，壩體的變形與應(yīng)力都有所增大。堆石體最大沉降從128.2 cm增大到146.2 cm；面板撓度從54.0 cm增大到65.5 cm；面板順坡向應(yīng)力增大到18.6 MPa。

(5)大壩面板分別設(shè)置2條、1條和不設(shè)永久水平縫時，順坡向壓應(yīng)力極值分別為12.20、13.81、14.23 MPa。設(shè)置永久水平縫可減小面板順坡向壓應(yīng)力，均化面板應(yīng)力分布；設(shè)置2條水平縫比設(shè)置1條更能改善面板工作性狀。

圖6 壩體最大斷面水平位移(單位：cm)

圖7 壩體最大斷面大主應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 大壩面板穩(wěn)定期順坡向應(yīng)力(單位：MPa)

(6)壩址區(qū)地形復(fù)雜，如兩岸扭曲的沖溝、陡坎和主河床在壩軸線位置的漏斗狀河谷地形，導(dǎo)致壩體應(yīng)力與變形較為復(fù)雜。

4 壩體變形控制措施

面板是大壩的主要防滲體。為避免200 m級高面板堆石壩容易產(chǎn)生的面板脫空、面板結(jié)構(gòu)性裂縫、面板垂直縫擠壓破壞等情況，針對江坪河水電站面板壩壩料(冰磧礫巖)、壩高(219 m)和河谷狹窄的特點，為減小大壩變形和不均勻變形，減少壩體沉降，主要采取以下措施：

(1)合理選擇壩料。堆石料的選擇是限制過大變形的主要手段，巖石類型是影響總變形量的決定性因素，較堅硬的巖石具有較小的變形，硬巖堆石流變變形速率的減少比軟巖堆石快[4- 6]。江坪河水電站壩料主要采用冰磧礫巖，屬堅硬巖石，強(qiáng)度適中，由占50%～59%碎屑和占41%～50%雜基2種礦物質(zhì)組成。飽和單軸抗壓強(qiáng)度為41.3～107 MPa，平均值為71.1 MPa；巖石的軟化系數(shù)為0.55～0.78，平均值為0.65。

(2)提高填筑標(biāo)準(zhǔn)。壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)要求，主堆石料和下游堆石料孔隙率采用了比已建200 m級高面板堆石壩更小的指標(biāo)，即孔隙率小于或等于18.8%。壩體孔隙率在規(guī)范要求的填筑標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提高約10%。

(3)合理壩體分區(qū)。在壩體分區(qū)方面，堆石體采用均質(zhì)壩結(jié)構(gòu)，有利于控制壩體變形與不均勻沉降。根據(jù)料源實際情況，主堆石料和下游堆石區(qū)均為同一種料，即冰磧礫巖，設(shè)計指標(biāo)和碾壓參數(shù)均相同，并在沖溝和兩岸接頭部位采用過渡料設(shè)置低壓縮區(qū)。

(4)選擇合適的碾壓機(jī)具及碾壓工藝。通過多場次爆破碾壓試驗，對碾壓機(jī)具、碾壓參數(shù)等提出了比以往面板堆石壩施工更高、更嚴(yán)的要求，首次提出了“32 t振動碾、60 cm鋪層厚度、碾壓12遍、灑水15%”的碾壓機(jī)具和填筑碾壓參數(shù)。

(5)減小河谷形狀的不利影響。壩址岸坡陡峻，為漏斗狀地形。為減小壩體拱效應(yīng)，控制壩體不均勻沉降，修整陡坎使趾板下游邊坡成為較平順的連續(xù)面，避免較大的陡坡突變；填筑分區(qū)上使大壩不同部位的變形能平緩過渡。

(6)大壩填筑上下游均衡上升。大壩分期施工時，除壩內(nèi)臨時斷面外，采取了均衡上升的填筑方式，盡量使壩體均衡沉降，減少壩體不均勻?qū)χ苓吙p和面板應(yīng)力變形的不利影響。

(7)面板澆筑時機(jī)與分期。為減輕后期填筑的堆石體對先期面板位移的不利影響，面板分三期澆筑；面板澆筑采用雙指標(biāo)控制：一是，控制堆石體自沉降時間不少于6個月；二是，控制下部壩體沉降速率不大于5 mm/月。此外，在面板高程430 m設(shè)置1條永久水平縫，以減小面板順坡向壓應(yīng)力，均化面板受力，改善其工作性態(tài)。

5 結(jié) 語

在狹窄河谷采用超硬巖填筑高混凝土面板堆石壩，壩體應(yīng)力變形復(fù)雜，技術(shù)難度大[7-9]。本文在介紹江坪河水電站大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計與填料設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過研究填筑料的物理力學(xué)特性，提出了用于大壩應(yīng)力變形預(yù)測的本構(gòu)模型參數(shù)，通過現(xiàn)場爆破碾壓試驗，提出了大壩填筑參數(shù)及碾壓技術(shù)指標(biāo)，并分析了狹窄河谷高面板壩應(yīng)力變形特性、變形產(chǎn)生的原因，以及采取的應(yīng)對措施，可為狹窄河谷高混凝土面板堆石壩的建設(shè)積累經(jīng)驗。