探析窄河谷高混凝土面板堆石坝工程设计及对策措施论文
探析窄河谷高混凝土面板堆石坝工程设计及对策措施论文
0概述
土石坝工程是最普及、最常见的坝型，施工简便、就地取材、料源丰富、地质条件要求低、造价便宜。自20世纪80年代，我国就开始建设混凝土面板堆石坝，已取得了较为丰富的经验。由于面板堆石坝不受当地防渗土料和筑坝材料限制，可利用建筑物开挖料直接上坝碾压，而重型碾压施工机械成套设备的迅猛发展，使得面板堆石坝的建设几乎不受任何条件的制约，加上施工工期的缩短，坝型比较中面板堆石坝往往比其他坝型更有竞争优势，已建面板坝高度也已经突破200m，清江水布垭面板堆石坝最大坝高达到233m。
工程建设中，常需要在窄河谷上修建面板堆石坝，由于窄河谷对面板堆石坝会引起诸多的不利影响，需要采取恰当措施予以解决或规避。据不完全统计，坝高超过100m、长高比小于3.1的窄河谷上已建面板堆石坝有28座，其中坝高最高的4座面板堆石坝分别为水布垭(坝高233m，长高比2.9)、三板溪(坝高185.5m，长高比2.3)、洪家渡(坝高179.5m，长高比2.4)、卡基娃面板堆石坝(坝高171m，长高比2.08)，而已建面板堆石坝中长高比较小，坝高相对较高的是甘肃黑河龙首二级面板堆石坝(坝高146.5m，长高比1.3)和甘肃洮河九甸峡面板堆石坝(坝高133m，长高比1.7，覆盖层深度56m)。龙首二级和九甸峡均位于8度地震烈度区。
上述大坝建成之后，运行总体正常。在建窄河谷面板堆石坝坝高最高的为猴子岩水电站面板堆石坝(坝高223.5m，长高比1.26，位于8度地震烈度区)，其次为江坪河面板堆石坝(坝高219m，长高比1.9，位于7度地震烈度区)。据不完全统计，拟建坝高在200m以上面板堆石坝7座，长高比均在1.6～2.6之间，地震烈度多数在8度区，一座为9度地震区。因此，总结和研究窄河谷修建面板堆石坝有关设计和施工技术是十分必要的。
1窄河谷判别标准
判断河谷形状常用两个参数，即宽高比以及谷形系数(A/H2，其中，A为面板面积，H为坝高)。一般认为，当河谷宽高比小于3.1或谷形系数小于2.6的为窄河谷，需要在坝体设计和施工中专门研究窄河谷对面板堆石坝的不利影响。在实际工程建设中，多以大坝的长高比作为是否窄河谷的判别指标。
2窄河谷面板堆石坝的不利影响
窄河谷对面板堆石坝的不利影响主要在于窄河谷修建的坝体存在拱效应，堆石体的应力应变特性、面板的变形特征与常规坝体有明显差异。在坝体填筑初期，堆石体变形速率受到抑制，表现为堆石体的初始变形模量较常规大，但后期徐变较大;随着坝体升高或蓄水后水压力加大等因素，拱效应会突然消失(或部分消失)，表现为堆石体后期或蓄水期的变形模量较常规小。窄河谷面板堆石坝三维有限元应力、变形计算成果较二维成果明显偏小，沉降极值位置偏高。蓄水后，窄河谷两岸基岩还会阻止面板的移动，对面板产生“拖曳”作用，面板被“卡”在河谷中间，致使靠近岸边的面板极易产生顺岸坡方向的裂缝。堆石体以及面板的窄河谷效应，往往使得面板堆石坝在蓄水初期就很快发生变形破坏现象，因此，窄河谷上建造高面板堆石坝，需要专门对堆石体以及面板的设计和施工技术进行研究，采取有针对性的措施以有效减小窄河谷的不利影响。有的高面板堆石坝还存在扭曲的冲沟、陡坎及漏斗状河谷地形，有的建在深厚覆盖层上，或建在强地震区，需要考虑的问题就更加复杂、多样。
3窄河谷面板堆石坝的典型工程实例
在窄河谷上修建面板堆石坝，为有效地避免可能产生的由于窄河谷引起的不利影响，都会不同程度地采取适合相应的坝址条件、料场资源和其他工程措施等。本文收集了不同时期修建的九甸峡、洪家渡、卡基娃等3座面板堆石坝，以及在建的猴子岩面板堆石坝在应对窄河谷所采取的的主要设计和施工措施。
3.1九甸峡面板堆石坝
九甸峡面板堆石坝是建在深厚覆盖层上的高面板堆石坝，最大坝高133m，大坝长高比1.7，属于较为典型的窄河谷、深厚覆盖层上修建的面板堆石坝，地震设防烈度Ⅷ度，地震设计动峰值加速度0.283g。覆盖层充填密实-中密实崩积或冲积物，深40～50m，最大厚度54～56m，宽30～50m。
坝体填筑料分区自上游向下游依次为:面板上游面下部土质斜铺盖及其盖重保护区、混凝土面板、垫层区、周边缝处特殊垫层区、过渡层区、主堆石区、下游堆石区以及下游面干砌块石区。垫层区水平宽度3m，过渡层水平宽度5m，均为等宽布置。
一般情况下，混凝土面板的损坏及破损程度、大坝渗漏量都与坝体变形存在直接的联系，而九甸峡面板堆石坝基础为深厚覆盖层，且建设在窄河谷上，其应力变形呈现出特殊的复杂性，覆盖层变形和河谷条件都会对大坝的应力变形性状产生显著影响。通常认为，一方面，窄河谷岸坡对坝体沉降变形的拱效应可能抑制堆石体变形，减小堆石体沉降;另一方面，覆盖层的变形可能较大，导致面板整体向下位移、底部趾板沉降增大和接缝异常张开。鉴于此，九甸峡大坝在填筑前，在大坝平趾板下游约100m范围建基面采用先振动碾压、后用强夯措施进行了坝基处理，处理以后，建基面的整体沉降约30～40cm。
大坝筑坝材料主要为灰岩，单轴抗压强度为80MPa。为有效减小坝体沉降，设计垫层料孔隙率16.2%，过渡料孔隙率17.3%，主堆石料孔隙率17.3%，次堆石料孔隙率19.1%。即主堆石料的压实度与过渡料压实度相同。
工程施工时，混凝土面板分两期浇筑，一期面板混凝土在堆石体填筑到相应高程2个月后开始浇筑，二期面板混凝土在堆石体完成填筑后即开始浇筑。大坝填筑完成后，覆盖层与大坝底部之间在上下游方向大致等距埋设的8支土压力计测值表明，土压力测值总体与其坝体高度无明显相关关系，量值小于上覆土重，最大坝高处所对应土压力计测值最小，较邻近土压力计测值小约50%。水库蓄水后，土压力计测值均有增加，但只有坝轴线上游侧土压力计有显著增加，坝顶对应的土压力计测值仍然最小。覆盖层沉降变形方面，蓄水前，在坝踵和坝趾附近覆盖层沉降变形相对较大;蓄水后，在坝轴线下游，覆盖层表面沉降变形均小于蓄水前，呈“上抬”变形趋势。
覆盖层最大沉降为20cm。大坝蓄水至第7年，堆石体累计沉降160cm，为最大坝高的1.2%。混凝土面板下没有发现明显的脱空现象。蓄水后，实测面板最大挠度变形为14.5cm，挠度变形分布符合面板堆石坝一般规律。
周边缝变形方面，经蓄水一段时期后，中部及下部面板相对趾板为下沉，变形稳定期相对较短，中上部面板以上相对趾板为上抬，变形稳定期相对较长。周边缝最大张开51mm，上部部分位置由张开变为压缩;最大沉降变形64mm，最大上抬55mm;周边缝最大下错变形57mm，最大上错变形21mm。
从覆盖层应力及变形，以及混凝土面板变形监测成果分析，该面板堆石坝窄河谷效应比较明显。通过对覆盖层进行处理，采用主堆石体与过渡料同样的压实度，同时提高次堆石体压实度，有效限制了混凝土面板的沉降和变形，较好解决了窄河谷建造面板堆石坝的变形控制问题。
3.2洪家渡面板堆石坝
洪家渡水电站工程于2000年开工，2004年下闸蓄水，2005年完工，是当时建设的200m级土石坝类最高坝。洪家渡面板堆石坝最大坝高179.5m，大坝长高比2.38，属窄河谷面板堆石坝，地震设防烈度为Ⅶ度，由于该大坝工程河谷束窄效应显著、几何不对称，岸高坡陡，无成熟经验可供借鉴，给大坝设计施工带来了严峻挑战。为配合窄河谷坝体变形控制需要，横断面增设排水堆石区，纵断面增设特别碾压区，以尽可能提高堆石填筑的密实度。大坝的基础覆盖层全部清除。大坝自上游至下游依次为防渗补强区(压重区和粘土铺盖区)、上游防渗区(混凝土面板)、垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、排水堆石区。其中，排水堆石区位于次堆石区下部，在周边缝底部设有特殊垫层区，在左岸陡边坡大部、右岸陡边坡局部设特别碾压区。垫层料区水平厚4m，过渡料区自上而下水平厚度由4m渐变至11m。
坝体堆石密度、堆石区材料特性、坝体填筑施工顺序和面板浇筑时机等都对面板应力变形特性有一定影响。控制坝体变形是避免面板结构性裂缝多、脱空大、沿垂直缝挤压破坏和周边缝位移大的根本措施，而控制坝体变形必须从筑坝材料、坝体结构及填筑施工等综合措施入手。大坝填筑材料以灰岩为主，平均饱和单轴抗压强度达到80MPa以上。垫层料、过渡料、主堆石区、主堆石区特别碾压料、次堆石区、排水堆石区设计孔隙率分别为19.14%、19.69%、20.02%、19.69%、20.02%、22.26%。
由于坝区河谷狭窄，边坡较陡峻，为改善坝体与陡岸坡的连接，在岸坡趾板嵌深确定后，向下游开挖20～30m，平顺开挖边坡与堆石体基础连接，垫层料在两岸和河床向下游延伸20～30m，过渡料也相应下延。左岸陡坡及右岸小陡壁处设置特别碾压区，以提高接触带的压实密度和变形模量，减少堆石滑移，即使坝料沿岸坡滑移后也不易出现空隙，以此减小左、右岸不均匀变形量。
坝体填筑施工基本均匀上升，且在三期面板施工之前面板下部坝体都留出预沉降时间，预沉降时间采用“双控”，即至少预沉降3～7个月，且预沉降变形量不小于2～5mm，由此确定三期面板施工前的预沉降时间分别为7～8、3.7、3.7个月。
大坝建设完工时坝体最大沉降量约为132.1cm，为大坝总高度的0.74%。坝轴线处各高程压缩模量在124.7～172.4MPa之间。水库初期达到正常蓄水位附近，总渗水量约135L/s。洪家渡面板堆石坝从筑坝材料、坝体结构及填筑施工等综合措施入手，即采用中等以上硬度岩石;采用较高堆石压实度，孔隙率控制在20%以下;提高次堆石区压实度;陡边坡用混凝土整形并增设增模碾压带;面板浇筑时机合理采用预沉降技术;坝体填筑总体平衡上升等坝体变形控制措施，辅以控制坝体变形等综合措施应对窄河谷问题，其效果是明显的。
3.3卡基娃面板堆石坝
卡基娃面板堆石坝最大坝高171m，大坝长高比2.08，属于窄河谷面板堆石坝，地震设防烈度Ⅶ度，地震水平动峰值加速度0.15g。大坝坝基为漂卵砾石层松散结构，厚度一般在4.7～22.3m，为减小沉降变形影响，将主堆石区范围内的.河床覆盖层(约占2/3坝基宽度)全部清除，剩余河床覆盖层表面约1～2m的松散层清除后，采用振动碾碾压处理。大坝自上游至下游依次为弃渣压重区、粘土铺盖区、混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、排水堆石区、大块石护坡、下游压重区。垫层料区水平厚度4m，过渡料区自上而下水平厚度由6m渐变至10m。
大坝填筑材料以砂岩为主。为满足坝体变形协调，使坝体在水荷载作用下变形最小，在设计中扩大主堆石区范围，提高次堆石区压实度，使坝体上下游堆石体成为均一密实体，确保坝体上下游均匀变形，坝体下部设置特别碾压区，以尽量减少坝体的拱效应。特殊垫层料设计孔隙率不大于15%，垫层料设计孔隙率不大于18%;过渡料设计孔隙率小于19%;主堆石区在下部约1/3高度范围内设计孔隙率小于19%，其他范围设计孔隙率小于20%;下游堆石区下部约1/2高度范围内设计孔隙率小于20%，上部下游堆石区采用板岩与砂岩混合料填筑，其中板岩比例不大于30%，设计孔隙率小于19%。
混凝土面板分三期实施，不设水平缝，只设垂直缝，根据三维应力应变计算成果和参考已建工程经验，左、右岸面板垂直缝间距取8m，河床段面板垂直缝间距取16m。混凝土面板周边缝沉降、张开、剪切方向的位移设计值分别为50、70、50mm;垂直缝沉降、张开、剪切方向的位移设计值均为45mm。
卡基娃水电站工程于2007年5月30日动工筹建，2011年8月18日正式开始大坝填筑，2014年12月大坝填筑至2852m高程，最后一块混凝土面板于2015年5月14日全部浇筑完成。大坝坝顶高程2856m，河床段趾板建基面高程2692.00m。正常蓄水位2850m，死水位2800m。施工结束时，观测到的大坝最大沉降值为1.13m，在设计预测范围内。
卡基娃水电站窄河谷面板堆石坝设计采取了逐步缩小下游堆石区与主堆石区的孔隙率差距或采取基本一致的孔隙率，并且缩小两岸附近面板垂直缝间距，以适应堆石体的变形。
工程2015年1月8日导流洞下闸蓄水，2015年2月18日水库水位达到2805m;2015年6月22日开始第二期蓄水，2015年12月5日库水位抬升至正常蓄水位2850m。库水位抬升过程中，在库水位升至2779m时，坝后量水堰开始出现小量渗水，后随着水位抬高渗水量迅速增加，且渗漏量与库水位密切相关。经降低水位检查，发现面板、趾板发生挤压破坏、面板出现脱空等，目前已指定处理方案，原因尚需进一步查明。
3.4猴子岩面板堆石坝
猴子岩水电站工程于2011年开工建设，大坝位于十分典型的窄河谷上。猴子岩面板堆石坝最大坝高223.5m，坝顶总长281.50m，大坝长高比1.26，属特别狭窄河谷面板堆石坝，抗震设计采用基岩地震水平峰值加速度为0.297g。由于该大坝工程河谷束窄效应特别显著，岸高坡陡，给大坝设计施工带来了严峻挑战。大坝坝顶高程1848.5m，上游坝坡1∶1.4，下游坝顶附近55m高度坝坡为1∶1.6，其他为1∶1.5;大坝上游坝坡在1765.00m高程以下设上游压重，1763.00m高程以下设一定厚度的砾石土铺盖和粉煤灰铺盖。
猴子岩面板堆石坝坝址为深厚河床覆盖层基础，最大厚度75m，自上而下分为4层，其中第3层为粘质粉土，力学指标较低，且含有可能液化土层，不能用作面板堆石坝的基础。将趾板以下90m范围内坝基覆盖层全部挖除，大坝基础其余部位仅保留第4层含漂(块)卵(碎)砂砾石(fglQ23)作为坝基。为减小覆盖层的变形，对保留的河床砂卵石覆盖层采用振动碾碾压处理。
为控制坝体变形，根据料源和实际来料条件、施工条件，在实施阶段调整和优化了坝体材料分区，根据仿真分析计算，大坝在1690m高程以下有较明显的拱效应，因此，在河床开挖深基坑下部增设了覆盖层开挖砂砾石利用料填筑区，充分利用其所具有的低压缩性、高压缩模量的特性，该区顶部高程为1690m。坝体从上游至下游依次为上游压重区、砾石土铺盖区、粉煤灰铺盖区、混凝土防渗面板、垫层区、过渡区、堆石区(包括河床覆盖层开挖利用料填筑区)、下游护坡及坝脚压重区。垫层料区水平厚度采用4m等宽布置;过渡区上部水平厚度为4m，底面坡度为1∶1.36。
为减小坝体顺坝轴向的变形梯度，在主堆石区两岸设置了特别碾压区作为岸坡与堆石体的变形过渡。在坝顶部1/4坝高设置了主堆石特别碾压区，除了提高该部位抗震能力外，也使得堆石体与面板在坝轴线方向变形协调，避免面板产生拉裂缝和发生挤压破坏。
垫层料采用灰岩，孔隙率按17%控制，特殊垫层料孔隙率不大于16.5%。过渡料采用与垫层料相同的岩石和孔隙率控制。主堆石体下部1690m高程以下的覆盖层开挖砂砾石料填筑区，按照相对密度不小于0.9控制;其他上游主堆石体采用灰岩，设计孔隙率不大于19%。下游堆石体及坝体上部采用流纹岩，设计孔隙率与上游灰岩堆石区一致。
混凝土面板拟分3期施工。面板浇筑前需要满足预沉降控制参数:预沉降时间为3～7个月，月沉降变形值不大于2～5mm，要求坝体填筑总体平衡上升，适当提高分期面板顶部堆石填筑超高。
对于建在狭窄河谷的猴子岩面板堆石坝，主要采取了较为严格的变形控制措施，提高堆石体压缩模量，以减小面板的变形和接缝位移，设计预测周边缝的张拉位移极值约30mm。
4窄河谷面板堆石坝主要工程措施建议
窄河谷对建造面板堆石坝的影响程度与工程的实际地形地质条件关系密切，有的高坝，虽然高宽比不小，但下部较大范围河谷十分狭窄，或大坝两岸一侧岸坡很陡、严重不对称等，都会产生较为明显的窄河谷问题，需要采取合理的工程措施。从设计、施工等方面对近年来已建和在建窄河谷修建面板堆石坝的有关工程措施进行了概括。
4.1设计措施
(1)提高堆石体(包括次堆石区)压实度，特别是提高大坝下部的压实度，减小或取消次堆石区范围。有的采用V字形增模区，即在冲沟及两岸接坡部位采用过渡料或垫层料填筑，且越接近坝体底部增模区范围越大、填筑要求越高。堆石体分区之间的压实度需要满足变形协调，这是减小窄河谷面板堆石坝后期沉降、变形，使坝体变形均一的最基本的方法，一般情况下要求主堆石体的设计孔隙率达到或小于20%。水布垭在1/3水头范围与基岩接触部位铺设2m厚的垫层料，主堆石区与基础、岸坡接触部位全部铺设2m厚过渡料;洪家渡在左岸陡坡及右岸小陡壁处设置宽度50～40m的特别碾压区，增加碾压遍数;三板溪主、次堆石区与岸坡全部采用2m宽的过渡料为接坡料，主堆石区与高趾墙间设置碾压层厚40cm过渡料的低压缩区;猴子岩主、次堆石区采用同一压实控制标准;江坪河采取综合措施，取消次堆石区，并将堆石体压实标准较规范要求提高8%，在冲沟及两岸接坡部位设置低压缩区，采用过渡料填筑，主堆石区设计孔隙率采用18.8%;卡基娃缩小了次堆石区范围，采用与主堆石区同样的压实控制标准，坝体下部设置特别碾压区;龙首二级主堆石区设计孔隙率19.7%;九甸峡主堆石区设计孔隙率同过渡料，达到17.3%。另外，在高地震烈度区，修建高面板堆石坝，还需在坝顶附近设置增模碾压区，以减小坝体变形，同时可以增强坝顶附近抗震能力。
(2)修整两岸陡坎，使趾板下游边坡形成较为平顺的连续面，尽量避免出现较大的陡坡突变。一般采用混凝土或堆石混凝土整形。
(3)减小两岸岸坡附近面板分缝间距，以有效吸收面板可能出现的较大的拉伸变位。一般在受拉区将面板垂直分缝取为常规分缝间距的1/2。如水布垭、卡基娃、猴子岩在岸坡附近面板采用较小的分缝间距。
(4)设置高趾墙，解决河槽部位的趾板平顺受力问题，使坝体应力应变分布规律合理。三板溪采用高趾墙;龙首二级采用39.8m高趾墙。
(5)周边缝采用止水与自愈相结合的止水结构型式。选择耐水性能好的止水材料，垫层料内设特别级配区，以满足防渗自愈的功能。
(6)面板间设置挤压缓冲缝，以防地震引起面板挤压破坏。如龙首二级面板间隔设置挤压缓冲缝，缝宽1cm。
(7)覆盖层保留区采用强夯处理。九甸峡面板堆石坝建在深覆盖层上，为有效降低覆盖层变形对大坝以及面板产生的不利影响，大坝填筑前，对覆盖层采用振动碾压和强夯措施进行了坝基处理。
4.2施工措施
(1)选择合适的碾压机具及碾压工艺。减小碾压层厚度，并洒水，采用大吨位振动碾及冲碾压实技术。洪家渡采用冲碾压实技术，有效提高了主、次堆石区的压实密度，使次堆石区干密度从2.12g/cm3提高到与主堆石区相同的2.181g/cm3，加快了施工进度，减小了压实施工费用;江坪河面板堆石坝选用32t振动碾，碾压层厚减至60cm，洒水率15%。
(2)大坝填筑上、下游均衡上升。保证坝体均衡沉降，减小坝体不均匀沉降对周边缝和面板应力、变形等不利影响。
(3)适当延长堆石体预沉降期。专门安排或利用严寒地区施工间歇来延长堆石体的预沉降期。一般情况下，坝体预沉降时间不应少于3个月，以6～8个月为宜。洪家渡面板堆石坝最大坝高179.5m，坝体长高比为2.49，施工中采用预沉降时间和预沉降收敛两项量化指标控制，其中预沉降收敛指标为，每期面板浇筑前，面板下堆石体的沉降变形率已趋于收敛，而且月沉降变形值不大于2～5mm。根据施工统计，其面板浇筑分为三期，一期坝体预沉降时间7个月，二期和三期坝体预沉降时间均为3个月。
4.3其他措施
除设计和施工所需要采取的措施外，必要的放空及检修功能设置可以解决紧急情况时对灾损进行修复。如紫坪铺面板堆石坝放空设施底坎低于辅助防渗体10m，底坎至趾板40m;九甸峡面板堆石坝放空设施底坎低于辅助防渗体5m，底坎距趾板50m;黔中平寨面板堆石坝，坝高157.5m，长宽比2.2，放空洞底坎距趾板30m;洪家渡面板堆石坝由于地质条件限制，其放空设施底坎高程无法降低，将混凝土面板上游辅助防渗体高程抬高23m，使之与放空设施底坎高程平齐;卡基娃面板堆石坝放空设施底板高程较辅助防渗体顶高程低8m。
由于水利水电工程的地形地质和环境条件复杂，为有效避免窄河谷效应，都应结合本工程实际，在认真开展有关试验研究工作的基础上，充分论证各项工程措施的有效性，合理选择工程措施，使工程能适应窄河谷带来的影响。