混凝土面板堆石壩變形和滲漏特性研究

池 侖

(甘肅省張掖市民樂縣海潮壩河水利管理處，甘肅 張掖 734500)

0 引言

近幾十年來，面板堆石壩世界范圍得到廣泛的應(yīng)用，在我國也得到了一定的發(fā)展[1-2]，這是因?yàn)樗鼈儽刃膲ν翂尉哂泻芏嗟膬?yōu)勢(例如成本效益和較高的適用性)。然而，面板堆石壩的設(shè)計(jì)在很大程度上仍然是經(jīng)驗(yàn)性的，很大程度上依賴于過去的經(jīng)驗(yàn)。

因此很多研究者根據(jù)施工期間和首次蓄水時(shí)堆石壩的變形特性[3]，開發(fā)響應(yīng)的模量，用于評(píng)估堆石的變形特性。Hunter等人[4]利用包含35個(gè)面板堆石壩的案例研究數(shù)據(jù)庫，收集了質(zhì)量監(jiān)控記錄和建筑材料數(shù)據(jù)，根據(jù)顆粒尺寸、巖石的抗壓強(qiáng)度、壓實(shí)效應(yīng)、形狀效應(yīng)和施加的垂直應(yīng)力，估算大壩中壓實(shí)堆石的模量，以預(yù)測施工期間的內(nèi)部垂直位移和首次灌水時(shí)的面板變形。馬洪琪[5]根據(jù)類似壩體的歷史變形曲線，提出了工后變形的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法。Clements[6]探索了經(jīng)驗(yàn)公式能否準(zhǔn)確評(píng)估68座面板堆石壩的施工后壩頂沉降和變形。結(jié)果表明基于位移與高度或時(shí)間的簡單關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方程可能容易產(chǎn)生大的誤差。毛漸等人[7]比較了由傾倒堆石和壓實(shí)堆石組成的面板堆石壩的施工后壩頂沉降，發(fā)現(xiàn)傾倒堆石壩的壩頂沉降比壓實(shí)堆石壩在3～30 a內(nèi)的壩頂沉降大5～8倍。高照良等人[8]預(yù)計(jì)，高度為100 m的壓實(shí)混凝土面板堆石壩的壩頂沉降一般在5 a內(nèi)約為10～15 cm，100 a內(nèi)約為15～25 cm。根據(jù)岑威鈞的分析[9]，與壓實(shí)的堆石相比，傾倒的堆石明顯有更大的頂部沉降；中高強(qiáng)度填石的長期壩頂沉降速率(對(duì)數(shù)標(biāo)度)與路堤高度的增加成正比，但對(duì)于壓實(shí)的超高強(qiáng)度堆石，路堤高度的影響可能不那么顯著。

但是面板堆石壩對(duì)長期變形和首次蓄水的變形的響應(yīng)機(jī)制仍然是不明確的，本文利用面板堆石壩的實(shí)例數(shù)據(jù)來比較長期的施工后壩頂沉降和水庫首次蓄水時(shí)的壩頂沉降，分析了長期變形與首次蓄水時(shí)面板變形的關(guān)系以及垂直于面板變形與壩頂沉降關(guān)系，最后探討了壩高對(duì)滲漏量的影響關(guān)系。

1 混凝土面板堆石壩簡介

圖1顯示了面板堆石壩的典型分區(qū)[10]。如圖所示。面板堆石壩主要有三個(gè)區(qū)域:(1)混凝土面板，不透水的上游鋪蓋；(2)混凝土板正下方的墊層區(qū)和過渡區(qū)；(3)堆石區(qū)。壓實(shí)的不透水鋪蓋(1區(qū))對(duì)于防御、密封裂縫或接縫開口是必要的。每層中上游比下游的區(qū)域應(yīng)采用更小尺寸的巖石。3B區(qū)和2區(qū)的最大巖石尺寸分別經(jīng)常選用小于1 500 mm和150 mm的巖石。

圖1 面板堆石壩的典型分區(qū)

2 混凝土面板堆石壩變形特性

2.1 壩頂沉降

為了解混凝土面板堆石壩的長期變形特性，利用Hunter提供的數(shù)據(jù)庫和其他參考文獻(xiàn)，對(duì)面板法向的壩頂沉降和變形、面板應(yīng)變、首次蓄水和長期工后滲漏進(jìn)行了比較和分析。圖2和圖3分別顯示了幾種典型的不同壩高的堆石壩的壩頂沉降情況，圖2為長期沉降(至少10 a后或總沉降)和首次蓄水(水庫的首次蓄水)時(shí)的總的施工后頂部沉降，圖3為第一次蓄水時(shí)頂部沉降與長期沉降(總沉降)的比率。堆石中使用的完整巖石強(qiáng)度用M (中，0～20 MPa)、High (高，20～70 MPa)和 VH (極高，70～240 MPa)表示。

圖2 第一次蓄水和至少10 a后的施工后頂部沉降

圖3 第一次蓄水時(shí)的頂部沉降與長期沉降之比

如圖2所示，長期壩頂總沉降與壩體高度的比值通常低于0.3%。而且，超高強(qiáng)度堆石壩的長期頂后沉降量僅為壩高的0.1%～0.2%，中高完整堆石路堤的長期頂后沉降量為壩高的0.1%～0.45%。一般而言碾壓混凝土面板堆石壩的壩頂沉降范圍為壩高的0%～0.25%。因此，施工后壩頂沉降范圍在使用超高強(qiáng)度石料的情況下顯示出良好沉降特性，但在使用中高完整強(qiáng)度堆石的情況下，有低估壩頂沉降的趨勢。圖3顯示，在第一次蓄水期間，約有10%-40%的長期壩頂沉降發(fā)生，而且?guī)r石硬度越高，首次注水發(fā)生沉降的占比越低，有利于預(yù)防壩頂沉降。圖4顯示了第一次蓄水效果的典型示例。首次蓄水的影響與時(shí)效性變形對(duì)壩頂沉降從另一方面驗(yàn)證了圖3中得到的結(jié)論。一年以后發(fā)生的變形認(rèn)為是時(shí)效性變形，可以明顯發(fā)現(xiàn)大部分的壩頂變形都發(fā)生在第一次蓄水期間，十年發(fā)生時(shí)效性形變僅占總沉降的三分之一左右。

圖4 第一次蓄水效果的典型示例

2.2 面板法向變形

圖5和圖6顯示了長期(施工后至少10 a以上)及首次蓄水時(shí)混凝土面板的法向變形。與施工后壩頂沉降一樣，對(duì)于由中高強(qiáng)度完整堆石建造的大壩，垂直于面板的總變形量略大于VH強(qiáng)度堆石的變形量，并且這可能和大壩的高度不成比例。垂直于面板的總的長期變形的大約80%發(fā)生在第一次蓄水期間。這意味著大部分變形發(fā)生在第一次蓄水期間，并且它受到水載荷的顯著影響，而不是頂部沉降。它可能會(huì)導(dǎo)致混凝土面板出現(xiàn)裂縫，因?yàn)榇蠖鄶?shù)與面板垂直的變形都發(fā)生在第一次蓄水期間。

圖5 第一次蓄水時(shí)和至少10 a后發(fā)生的面板法向變形

圖6 第一次蓄水時(shí)面板法向變形與長期變形之比

圖7顯示了水庫蓄水后的典型壩頂變形。 圖中的壩頂沉降最大值和面板撓度最大值發(fā)生年限并不相同，壩頂?shù)拇笾掳l(fā)生在3 a就趨于平緩，而面板撓度在第一年內(nèi)劇增，隨后會(huì)緩慢增加。堆石體對(duì)水荷載的反應(yīng)相當(dāng)快，變形隨時(shí)間的演變因蓄水歷史而發(fā)展緩慢。面板的變形速度會(huì)在3 a有一個(gè)小的增加然后在3.5 a又趨于平緩。

圖7 水庫蓄水后的典型壩頂變形

圖8顯示了大壩高度與總的長期壩頂沉降和垂直于面板的變形的關(guān)系。壩頂沉降和垂直于面板的變形基本相似，均小于壩高的0.5%。特別是壩高小于100 m時(shí)，壩頂沉降大于面板法向變形，壩高大于100 m時(shí)，面板法向變形大于壩頂沉降。這種現(xiàn)象可能是由邊坡坡度引起的，混凝土面板長度隨壩高的增加而增加，這使得高壩具有更長的面板，受水壓力影響較大，受石料性能影響變小，更容易在面板位置發(fā)生形變。

圖8 長期的壩頂沉降和垂直于面板的變形

2.3 面板應(yīng)變

圖9和圖10分別顯示了施工結(jié)束時(shí)的壩面應(yīng)變等值線和水荷載引起的變化。在施工結(jié)束時(shí)，面板上部的順坡和水平方向上以及靠近橋臺(tái)處形成了法向張力區(qū)。 最大壓縮應(yīng)變?cè)谙缕路较?，等?00 mm，僅調(diào)動(dòng)了混凝土抗壓強(qiáng)度的42%。水荷載顯著影響面板中的應(yīng)變，水荷載引起的張力區(qū)在趾部、頂部附近形成。最大壓縮應(yīng)變(100～380 mm)出現(xiàn)在面板中心附近，最大拉伸應(yīng)變(25～140 mm)出現(xiàn)在趾部附近。水庫蓄水時(shí)面板的拉伸應(yīng)變顯示在壩趾附近和壩肩附近。

圖9 施工結(jié)束時(shí)的壩面應(yīng)變圖 圖10 水荷載引起的壩面應(yīng)變圖

3 混凝土面板堆石壩泄露特性

混凝土面板堆石壩下游出現(xiàn)的滲漏與通過帶有土芯的大壩出現(xiàn)的滲漏具有根本不同的意義，因?yàn)椴淮嬖谕列厩治g的可能性，也不存在對(duì)大壩安全的潛在威脅。而且許多學(xué)者認(rèn)為面板堆石壩的滲漏主要通過周邊接縫、混凝土面板裂縫和橋臺(tái)接縫出現(xiàn)，這種滲漏可能對(duì)大壩的安全和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅[11]。而且，重大滲漏會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，并可能影響水庫或大壩的功能。如圖4，面板堆石壩的最大滲漏通常發(fā)生在第一次蓄水時(shí)，這是因?yàn)樗奢d導(dǎo)致面板接縫或裂縫處的大變形。對(duì)于大多數(shù)處于大規(guī)模河流上的水庫來說，每秒幾十升的滲漏不僅是經(jīng)濟(jì)價(jià)值的損失，更是對(duì)運(yùn)行安全的威脅。

圖11顯示了泄漏量與壩高的關(guān)系。長期漏失率一般以首次充注結(jié)束后的年為單位給出。當(dāng)壩高小于122 m時(shí)，面板堆石壩的長期滲漏率一般小于10 L/s，但當(dāng)壩高超過125 m時(shí)，它迅速增加到45～200 L/s。對(duì)于大多數(shù)大壩泄漏量在50 L/s以內(nèi)，具體取決于水庫水位。因此，一般都需要在第一次蓄水時(shí)就修復(fù)面板接縫。如果發(fā)生裂縫和平板破裂現(xiàn)象，必須立即進(jìn)行鉆探和灌漿等修復(fù)工作，還要在接縫區(qū)域傾倒淤泥砂質(zhì)材料。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)，可以得出結(jié)論，超過125 m的面板堆石壩在第一次蓄水期間以及蓄水之后可能存在泄漏問題。這種現(xiàn)象可能是由水荷載引起的面板變形引起的。

圖11 泄漏量與壩高的響應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)語

本論文對(duì)面板堆石壩的案例進(jìn)行了多方面的研究，特別是對(duì)施工后變形和滲漏進(jìn)行了分析和討論，并得出以下結(jié)論。

(1)長期壩頂沉降與壩體高度的比值通常低于0.3%。在第一次蓄水期間，約有10%～40%的長期壩頂沉降發(fā)生。而且?guī)r石硬度越高，首次注水發(fā)生沉降的占比越低。

(2)施工后10 a頂部沉降與面板的法向變形具有類似的變化趨勢。但是，當(dāng)壩高小于100 m時(shí)，壩頂沉降大于面板的法向變形，而壩高超過100 m時(shí)，壩頂沉降相對(duì)較小。

(3)在第一次蓄水時(shí)，水荷載引起的板的最大壓應(yīng)變和最大拉應(yīng)變分別出現(xiàn)在混凝土面板的中心和趾部附近。

(4)當(dāng)壩高小于122 m時(shí)，面板堆石壩的長期滲漏率一般小于10 L/s，但當(dāng)壩高超過125 m時(shí)，它迅速增加到45～200 L/s。