老渡口深覆蓋層上的面板堆石壩研究

梁謙 后開龍?王輝

【摘要】扼要概述覆蓋層面板堆石壩筑壩的技術(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】深厚覆蓋層；面板壩；堆石體的變形；柔性防滲系統(tǒng)

1、深覆蓋層上的面板堆石壩概述

根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL228-2013：“在深覆蓋層上建壩布置趾板時(shí)，應(yīng)根據(jù)地基地質(zhì)特性進(jìn)行地基防滲結(jié)構(gòu)及與趾板以及兩岸連接的布置設(shè)計(jì)；對于神覆蓋層的地基防滲處理及趾板布置，經(jīng)詳細(xì)論證后也可以采用混凝土防滲墻防滲，將趾板置于覆蓋層上”。自98規(guī)范頒布以來，堆石壩在建在深覆蓋層的已有云南109m壩高的那蘭、新疆107.6m的察汗烏蘇、湖北96.6m的老渡口等。

將趾板直接建在深覆蓋層上的面板堆石壩與趾板置于基巖上的筑壩方案相比，不但能夠縮短工期且減少工程投資，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。在深覆蓋層上直接建造面板堆石壩的關(guān)鍵技術(shù)是：其一是了解地基覆蓋層的空間分布特性及其壓縮模量；其二是通過可靠的防滲系統(tǒng)將壩基柔性的防滲系統(tǒng)與岸坡相對不變的防滲系統(tǒng)連接成封閉的防滲系統(tǒng)。其三是使其滿足滲透（流）穩(wěn)定、地基強(qiáng)度穩(wěn)定與變形的要求。其四是防滲墻需要有一定的剛度，滿足變位與大壩加載引起的應(yīng)力。

2、將趾板建在覆蓋層上的必要性

將趾板建在深覆蓋層上往往是為了減少壩體基礎(chǔ)開挖與回填，從而減少工程的直接投資、縮短施工工期，減少工程直接投資，還可以提前發(fā)電，從而提高工程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。如恩施老渡口工程，趾板建在覆蓋層上，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益超過4000萬元。

3、深覆蓋層上面板堆石壩研究的目的

趾板建在深覆蓋層上的面板壩并使其安全運(yùn)行的關(guān)鍵是確保大壩防滲體系的變形和強(qiáng)度均在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)，以保證防滲體系的安全、有效。趾板建在深覆蓋層上的面板壩防滲體系分為上部和下部，上部防滲系統(tǒng)包括防浪墻、面板、趾板及接縫止水，下部防滲體系為防滲墻及灌漿帷幕，為保證防滲體系的安全，需解決如下主要技術(shù)問題：

（1）壩基變形應(yīng)保證蓄水后壩基不發(fā)生大的壓縮變形，以保證壩體對面板的支撐；

（2）防滲墻應(yīng)力及變形應(yīng)在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)；

（3）接縫位移不應(yīng)超出止水片的容許變形范圍；

（4）壩基及壩體的滲透穩(wěn)定，要使壩基及壩體內(nèi)的細(xì)料在滲透作用下的移動(dòng)不影響承載能力和滲流量的要求。

（5）探明覆蓋層空間分布， 通過三維有限元的計(jì)算分析與預(yù)報(bào)大壩在施工與運(yùn)行期間的性能， 為大壩填筑提供依據(jù)。

4、國內(nèi)研究覆蓋層地基采用的方法

國內(nèi)對河床趾板下身覆蓋層主要采取如下研究方法：

（1）開展現(xiàn)場聯(lián)合物探， 確定壩址河床覆蓋層空間分布；

（2） 進(jìn)行室外現(xiàn)場靜載試驗(yàn)與旁壓試驗(yàn)， 從橫、豎兩方向聯(lián)合確定覆蓋層力學(xué)參數(shù)。

（3）進(jìn)行室內(nèi)容重試驗(yàn)、顆粒比重試驗(yàn)、相對密度試驗(yàn)以及擊實(shí)試驗(yàn)， 確定覆蓋層與筑壩材料的物性參數(shù)。

（4） 進(jìn)行室內(nèi)大型三軸剪切試驗(yàn)、大型三軸壓縮試驗(yàn)、大型壓縮試驗(yàn)、大型直剪試驗(yàn)、大型三軸接觸面剪切試驗(yàn)以及濕化、滲透及滲透變形試驗(yàn)， 確定河床覆蓋層與筑壩材料的力學(xué)特性， 計(jì)算模型參數(shù)等。

（5） 根據(jù)施工進(jìn)程，模擬不同加載順序，根據(jù)面板分縫板間分縫情況，模擬大壩縫間位移及變形情況，進(jìn)行大壩二、三維有限元應(yīng)力分析， 優(yōu)化壩體斷面， 進(jìn)行大壩穩(wěn)定性評價(jià)。

4.1設(shè)計(jì)方案比選

4.1.1計(jì)算模擬

防滲墻受力條件受雙向荷載影響而十分復(fù)雜，施工期防滲墻受來自下游堆石荷載的壩基砂卵石料擠壓向上游位移，同時(shí)防滲墻的上、下游側(cè)面，特別是下游側(cè)受壩基砂卵石垂直變形而承受摩擦力作用，在蓄水期水荷載下，防滲墻推動(dòng)趾板向下游變位。

工程措施對防滲墻狀態(tài)影響較大，要求通過改變地基、大壩填筑材料參數(shù)、防滲墻指標(biāo)及防滲墻接頭泥皮單元參數(shù)，進(jìn)行敏感性分析計(jì)算作為設(shè)計(jì)施工控制指標(biāo)，選擇趾板長度及接頭型式、合理的施工工期及工序安排。

施工采用先墻后壩的施工程序。要求模擬壩高1/3H，2/3H，3/3H時(shí)段防滲墻同時(shí)施工的應(yīng)力狀態(tài)。

計(jì)算時(shí)，模擬大壩的施工順序和水庫蓄水過程，具體計(jì)算模擬順序分別為：

方案1 覆蓋層→防滲墻→趾板→壩體填筑至防浪墻底高程483.50m→面板→連接板→防浪墻及壩體填筑至壩頂485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m；

方案2 覆蓋層→防滲墻→下游壩體填筑至高程418.00m→趾板→壩體填筑至防浪墻底高程483.50m→面板→連接板→防浪墻及壩體填筑至壩頂485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m。

方案3 覆蓋層→下游壩體填筑至高程431.00m→防滲墻→趾板→壩體填筑至防浪墻底高程483.50m→面板→連接板→防浪墻及壩體填筑至壩頂485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m。

4.1.2趾板連接板形式的選擇

混凝土面板壩的趾板建在覆蓋層上時(shí)，在趾板上游端設(shè)防滲墻，墻和趾板間用結(jié)構(gòu)縫連結(jié)，為使趾板能適應(yīng)防滲墻和面板之間的變形，趾板一般可分為三段，中間的分塊結(jié)構(gòu)稱為連接板，連接板的數(shù)量、長度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和接縫結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性有較大的影響。應(yīng)力計(jì)算成果表明：防滲墻距壩體越遠(yuǎn)，應(yīng)力與變形亦小，反之應(yīng)力與變形就越大，相應(yīng)工程投資亦大。

為了優(yōu)選趾板與地基的連接形式，特殊情況外，一般均采用柔性連接方案。

4.1.3防滲墻

面板壩趾板前的防滲墻在度汛斷面上游，先行度汛斷面施工，受載形式是偏心荷載。防滲墻的主要功能是防滲，其受力特點(diǎn)表現(xiàn)為：竣工期，位于壩基沉降的影響區(qū)，其下游側(cè)和沖積層有沉降差，產(chǎn)生一定的摩檫力，同時(shí)產(chǎn)生側(cè)壓力，使墻向上游位移；水庫蓄水后，墻上、下游側(cè)的沖積層在庫水壓力作用下固結(jié)沉降，水壓力作用于壩殼及壩后壩基，墻下游側(cè)沉降增加，在墻的兩側(cè)產(chǎn)生摩阻力，并且在上下游水壓力和墻頂水重作用下，使墻向下游位移，運(yùn)行期是防滲墻壓應(yīng)力的主要時(shí)期。根據(jù)有限元計(jì)算，百米級水頭防滲墻主要受壓，局部有拉應(yīng)力存在，最大拉應(yīng)力在0.20～1.5MPa左右，最大壓應(yīng)力5.0 MPa左右。防滲墻混凝土從抗壓強(qiáng)度出發(fā)，其強(qiáng)度等級只要達(dá)到C15普通混凝土即可；如要滿足抗拉強(qiáng)度，因防滲墻的受力特性，一般很難避免裂縫產(chǎn)生，普通混凝土難以滿足，宜采用鋼筋混凝土。

4.2 壩料分區(qū)優(yōu)化研究

老渡口面板壩壩料分區(qū)擬選方案有3種，其中方案1無砂礫石區(qū)，方案2砂礫石區(qū)布置在軸線中央，方案3砂礫石區(qū)布置在軸線下游。壩體防滲體系由寬0.8m的防滲墻、3.8m長的連接板與4m長的趾板和厚30～58.6cm的面板組成，壩體上游坡度為1∶1.4，從上游到下游分別為水平寬3.0m的墊層區(qū)與過渡區(qū)，及主堆石區(qū)和砂礫石區(qū)，下游壩坡在423.10m、443.10m與463.10m高程處各設(shè)一條2m寬的馬道，馬道上、下坡度均為1∶1.3。

壩料分區(qū)優(yōu)化研究針對全斷面填筑方案進(jìn)行，具體計(jì)算工況如下：

4.2.1壩體應(yīng)力變形

（1）壩體應(yīng)力變形

大壩應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)合竣工期、蓄水期及運(yùn)行期3種工況進(jìn)行：竣工期與蓄水期壩體沉降與水平位移的計(jì)算結(jié)果?？⒐て冢瑝误w最大沉降為34.3cm～34.8cm，最大上游向水平位移為7.9cm～8.2 cm，最大下游向水平位移為8.0cm～8.3 cm。蓄水期，壩體最大沉降為38.0cm～38.8cm，最大上游向水平位移為2.7cm～2.9 cm，最大下游向水平位移為10.2cm～ 10.4 cm。

竣工期與蓄水期壩體的主應(yīng)力?？⒐て趬误w大、小主應(yīng)力最大值分別為1.90MPa～1.87MPa，0.90MPa～0.88MPa，蓄水期大、小主應(yīng)力最大值分別為2.10MPa～2.07MPa，0.99MPa～0.88MPa。

竣工期與蓄水期壩內(nèi)應(yīng)力水平的計(jì)算結(jié)果，壩內(nèi)應(yīng)力水平不大，在40%以下。

（2）防滲體系應(yīng)力變形

防滲體系由防滲墻、面板以及連接防滲墻和面板的趾板、連接板組成，其應(yīng)力和變形簡介如下。

1）面板

蓄水期：工況1最大撓度最大為10.59cm。3種工況面板均受壓，最大順坡向應(yīng)力為4.69MPa，出現(xiàn)在工況1。

2）防滲墻

竣工期防滲墻向上游變形，最大變形發(fā)生在墻頂附近為3.94cm。蓄水期由于水壓力作用，防滲墻向下游位移，最大變形分別為4.48cm，即由庫水壓力引起的下游向位移分別為8.35cm。

竣工期防滲墻最大主應(yīng)力分別為1.56MPa，最大垂直應(yīng)力分別為1.38MPa，均位于防滲墻中下部，竣工期時(shí)3種工況防滲墻的頂部均出現(xiàn)主拉應(yīng)力區(qū)，在0.20MPa以下；而在蓄水期，3種工況防滲墻完全受壓，大主應(yīng)力最大值為5.18MPa，

3）趾板與連接板

竣工期趾板最大沉降分別為1.75cm；蓄水期時(shí)，在庫水壓力作用下，趾板沉降增大，趾板最大沉降分別為 7.22cm。

蓄水期趾板與連接板在庫水壓力作用下主要受壓，趾板大、小主應(yīng)力最大值分別為3.72MPa，0.77MPa。

4）接縫變形

水庫蓄水后，防滲墻與連接板、連接板與趾板、趾板與混凝土面板之間的接縫均處于壓緊狀態(tài)，各條接縫之間的相對變位都表現(xiàn)為沉陷，防滲墻與連接板之間的相對沉陷均為32.8mm；連接板與趾板之間的相對沉陷分別為0.7mm左右，趾板與混凝土面板之間的相對沉陷最大值為9.6mm。

5、小結(jié)

壩體分區(qū)方案壩體應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果差別甚微，防滲體系的應(yīng)力變形及接縫變位計(jì)算結(jié)果也相近。為對比差別，將壩體堆石料改用調(diào)整參數(shù)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算，以求得最大應(yīng)力與變形作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

壩體及防滲體系的應(yīng)力與變形均在正常范圍內(nèi)，接縫變位也在一般止水結(jié)構(gòu)的容許變形范圍內(nèi)。從壩體應(yīng)力變形角度來看，3種分區(qū)方案均是可行的。

連接板長度的小量變化對壩體應(yīng)力與變形無影響，對防滲體中面板、趾板的應(yīng)力變形影響也不顯著，對壩基防滲墻則稍有影響，總體上看，采用長連接板時(shí)的防滲墻應(yīng)力變形狀態(tài)要稍好于短連接板情況。

3種施工方案下壩體與防滲體系的應(yīng)力變形均不大，防滲體系的拉、壓應(yīng)力均在其材料的允許范圍內(nèi)，接縫變位也在目前止水材料可以適應(yīng)的范圍內(nèi)。

綜合上述各項(xiàng)平面有限元分析成果，建議壩料分區(qū)選用分區(qū)方案2，連接板長度選用4m，施工方案根據(jù)總體施工安排選擇，在可選擇施工方案3。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉明，汪能等。深覆蓋層上的面板堆石壩課題研究要點(diǎn) 《水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)》2007年03期

[1]王汝軍，梁謙等。老渡口水電站面板堆石壩防滲墻施工 《湖北水力發(fā)電》 2009年05期

第一作者簡介：梁謙，高級工程師，男，40歲，湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，主要從事水利水電工程的設(shè)計(jì)工作。