軟巖填筑高面板堆石壩分區(qū)及材料設計

趙大洲，趙宇瑤，王新奇

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

利用軟巖構筑面板堆石壩，既節(jié)省投資，又利于環(huán)境保護。國外于20世紀60年代開始利用軟巖構筑面板堆石壩，如1967年建成的美國卡賓溪壩(壩高76 m)。國內(nèi)在這方面起步較晚，在20世紀90年代以后，結合大坳、天生橋一級、盤石頭、董箐等面板壩工程的建設[1-3]，對軟巖的力學特性及軟巖料筑壩技術開展了較為系統(tǒng)的研究[4-5]。國內(nèi)已建利用軟巖構筑的面板堆石壩中，壩高150 m以上的有天生橋一級壩(壩高178 m)和董箐壩(壩高150 m)兩座。工程實踐及研究結果表明，軟巖特殊的工程力學特性對面板堆石壩，特別是對高面板堆石壩的力學性狀影響較大[6-8]，對此認識不足極易導致以面板為主的防滲結構受到破壞。王占軍等[9]通過分析軟巖料的級配、強度變形、滲透、流變等工程力學特性，提出利用軟巖料構筑面板堆石壩時應注意的問題。酈能惠等[10-11]總結了墨西哥Aguamilpa壩、馬來西亞Bakun壩以及國內(nèi)的天生橋壩等幾座利用軟巖構筑的高面板堆石壩的成功經(jīng)驗與教訓，認為高混凝土面板堆石壩除了滿足土石壩通常要求的抗滑穩(wěn)定安全和滲流穩(wěn)定安全外，還必須滿足變形安全的要求，其中堆石壩體各區(qū)的變形協(xié)調(diào)、堆石壩體變形與面板變形的同步協(xié)調(diào)是變形安全的核心。

壩體分區(qū)及材料設計是面板堆石壩設計的重要內(nèi)容之一，壩體形狀、分區(qū)形式及各分區(qū)填筑材料特性等都會對壩體各區(qū)的變形協(xié)調(diào)、壩體穩(wěn)定產(chǎn)生影響[12-15]。已有工程經(jīng)驗表明，當壩高超過150 m后，壩體變形將成為面板堆石壩安全的主要制約因素之一[16]，壩體分區(qū)及材料設計對于利用軟巖填筑的高面板堆石壩的變形控制至關重要。目前，國內(nèi)外已建利用軟巖構筑的壩高150 m以上的面板堆石壩還不多，取得的工程建設經(jīng)驗有限[10,17]。對于此類高面板堆石壩，在軟巖料利用方式、設計方法等方面仍有待深入研究。本文通過對軟巖填筑的高面板堆石壩分區(qū)及材料設計研究，旨在獲取不同比例軟巖用量及分區(qū)形式對壩體應力及變形的影響規(guī)律，探討利用軟巖填筑高面板堆石壩合理的分區(qū)形式及材料組成，以期為高面板堆石壩的建設提供參考。

1 研究方案

本文以某壩高為192.0 m的面板堆石壩為例開展研究。該壩上游壩坡1∶1.4，壩體材料分區(qū)自上游至下游依次為石渣蓋重和粉土鋪蓋、混凝土面板、墊層區(qū)(2B區(qū))、過渡層區(qū)(3A區(qū))、上游主堆石區(qū)(3B-Ⅰ區(qū)及3B-Ⅱ區(qū))、下游次堆石區(qū)(3C區(qū))、排水區(qū)(3D區(qū))、塊石護坡等，主堆、下游堆石區(qū)在靠近壩軸線162.0 m壩高處以1∶0.25的坡比銜接。大壩施工過程如圖1所示，壩體材料分6期填筑，面板分3期分別于二期、四期、六期壩體材料填筑完成后澆筑，一期面板施工完成后蓄水至103.0 m高程，二期面板施工完成后蓄水至170.0 m高程，工程竣工后蓄水至正常蓄水位220.0 m高程。

圖1 壩體填筑過程示意圖(單位：m)

該混凝土面板堆石壩設計采用微風化-新鮮砂巖、中等風化砂巖以及微風化-新鮮頁巖填筑，其中頁巖表現(xiàn)出明顯的各向異性，微風化-新鮮頁巖飽和單軸抗壓強度為8.6～19.24 MPa，屬較軟巖～軟巖。

本文重點研究壩體分區(qū)形式、次堆石區(qū)材料組合以及下游壩體坡比等變化對高面板堆石壩力學性狀的影響。其中，研究的壩體分區(qū)形式包括3種(圖2)：①形式1，壩體主堆石區(qū)，僅包括3B-Ⅰ區(qū)；②形式2，壩體主堆石區(qū)分為3B-Ⅰ區(qū)和3B-Ⅱ區(qū)，3B-Ⅱ區(qū)位于壩軸線處壩體中下部；③形式3，壩體主堆石區(qū)分為3B-Ⅰ區(qū)和3B-Ⅱ區(qū)，3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中上部，且形式3與形式2中3B-Ⅱ區(qū)堆石料體積相等。對于下游堆石材料，研究了2組軟巖、硬巖組合形式：①組合1，堆石料中微風化-新鮮砂巖、中等風化砂巖、微風化-新鮮頁巖體積分別占組合料體積的35%、35%和30%；②組合2，堆石料中微風化-新鮮砂巖、中等風化砂巖、微風化-新鮮頁巖體積分別占組合料體積的25%、25%和50%。下游馬道間壩坡坡比包括1∶1.3和1∶1.5。

圖2 壩體材料分區(qū)(單位：m)

通過對上述變化因素的組合，形成9組方案，各方案主要特征指標見表1。

表1 研究方案特征指標

2 研究方法

2.1 數(shù)值模型

選取典型斷面，通過建立數(shù)值模型，計算分析各方案壩體力學性狀，模型中壩體堆石采用實體單元、Duncan E-B非線性彈性模型模擬，混凝土結構采用線彈性模型模擬。考慮混凝土與堆石體存在明顯的材料剛度變化以及防滲體中存在連接縫，在混凝土面板與壩體堆石之間、趾板與墊層之間、面板間以及面板與趾板間均設置了接觸面單元以反映各材料間的接觸特性。

模型網(wǎng)格如圖3所示，共1 081個單元、1 588個節(jié)點，在模型側向、底部施加法向約束。計算時，通過逐次激活壩體各單元模擬壩體施工過程，并根據(jù)蓄水安排，在面板表面施加水壓力。

圖3 計算模型網(wǎng)格

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)試驗結果確定的該面板堆石壩各分區(qū)材料Duncan E-B模型參數(shù)見表2。面板及趾板混凝土強度等級均為C30。

表2 壩體各分區(qū)材料及模型參數(shù)

采用Clough-Duncan模型[18]模擬面板與擠壓邊墻間、趾板與墊層間的剪切特性，模型參數(shù)見表3。

表3 接觸面參數(shù)

3 結果與分析

3.1 計算結果

3.1.1壩體變形

計算所得各方案運行期面板壩應力及變形極值列于表4，各方案壩體最大沉降位于2/5～3/5壩高處。計算結果中，豎直位移取向下為正，水平位移取向下游為正，面板應力取壓應力為正。

表4 運行期面板壩變形及應力極值

由表4可知，壩體材料分區(qū)形式相同情況下，隨著下游坡比的增大，壩體的水平位移減小、沉降量略有增加；下游次堆石體相同情況下，無主堆石3B-Ⅱ區(qū)時壩體變形最小，3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中下部時壩體變形最大。圖4給出了最大沉降高程處沿河流方向壩體沉降變化情況。由圖可見，方案4和方案7壩體最大沉降位于大壩軸線附近主堆石3B-Ⅱ區(qū)內(nèi)，其他各方案壩體最大沉降均位于下游堆石3C區(qū)內(nèi)，且主、次堆石料模量比越大，壩體最大沉降位置越靠近下游。增加下游堆石3C區(qū)中的軟巖含量，壩體沉降變形隨之增大，此時減小下游壩體坡比盡管可以增加壩體的穩(wěn)定性，降低壩體順河流方向的變形，但不能降低堆石體的沉降變形。與主堆石3B-Ⅱ區(qū)設置于壩體中下部的方案相比，3B-Ⅱ區(qū)設置于壩體中上部的方案，在不降低軟巖料利用量的同時可有效控制壩體變形。對比3種3B-Ⅱ區(qū)布置方案可知，降低壩體中部特別是壩軸線處壩體下部堆石料中軟巖等強度較低巖石的比例將有效降低壩體沉降及水平變形量。

圖4 不同方案最大沉降高程處壩體沉降對比

圖5給出了最大沉降高程處壩體變形梯度沿河流方向的變化情況。由圖5可知，下游次堆石體相同情況下，主堆石3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中上部時，壩體變形梯度變化相對較小，3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中下部時，壩體變形梯度變化相對較大。壩體變形梯度變化隨下游3C區(qū)中軟巖含量增加而增大。表明將主堆石3B-Ⅱ區(qū)設置于壩體中上部，或降低下游次堆石3C區(qū)軟巖含量，均有利于提高壩體各區(qū)協(xié)調(diào)變形能力。

圖5 不同方案最大沉降高程處壩體變形梯度對比

根據(jù)各方案壩體堆石體變形結果，為控制壩體沉降、提高各堆石區(qū)間協(xié)調(diào)變形能力，次堆石3C區(qū)宜采用堆石中軟巖含量較低方案。壩體中下部特別是壩軸線處壩體下部不宜采用強度較低的堆石料。

3.1.2面板變形與應力

由表4可知，下游次堆石體相同情況下，無主堆石3B-Ⅱ區(qū)時面板撓度及拉應力最小，3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中下部時面板拉應力最大，主堆石3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中上部與無3B-Ⅱ區(qū)兩方案面板順坡拉應力相近。主堆石3B-Ⅱ區(qū)相同情況下，面板順坡拉應力隨下游堆石料中軟巖含量增加而增大，隨著下游坡比的降低而減小。

各方案面板撓度隨高程變化情況見圖6。由圖可見，各方案最大撓度位于二期面板頂部或略低于二期面板頂部處，表明面板變形與大壩施工及蓄水過程密切相關。下游次堆石體相同情況下，3B-Ⅱ區(qū)位于壩體中下部與位于壩體中上部時二者面板撓度變形相近，與無3B-Ⅱ區(qū)方案對比可知，提高3B-Ⅱ區(qū)堆石中高強度巖石比例可降低面板變形。主堆石3B-Ⅱ區(qū)相同情況下，面板撓度將隨下游堆石3C區(qū)中軟巖占比的提高而增大，減緩大壩下游坡度可以降低面板撓曲變形。

圖6 不同方案面板撓度對比

根據(jù)各方案面板應力及變形計算結果，增加次堆石3C區(qū)堆石中軟巖比例至50%將導致面板拉應力的增大，需要同時放緩下游坡度、增大壩體的水平剛度，才能使面板的拉應力與坡比為1∶1.3、軟巖占比30%的方案相近。為控制面板變形、降低面板順坡向拉應力，同時提高軟巖利用量，宜將強度相對低的主堆石3B-Ⅱ區(qū)布置于壩體中上部。二期面板澆筑及蓄水高程對面板的變形及應力影響較大，除目前采取的調(diào)整壩體分區(qū)形式及材料特性措施外，還宜通過優(yōu)化施工填筑方案或調(diào)整蓄水方案來改善面板的力學性狀。

3.2 壩體分區(qū)及材料設計中的軟巖利用問題

利用軟巖構筑面板堆石壩可以減少工程棄渣量，節(jié)省工程投資，降低工程對生態(tài)環(huán)境的影響，在國內(nèi)外均有成功先例，表5列出了部分壩高100 m以上利用軟巖構筑的已建面板堆石壩工程，其中馬來西亞Bakun面板堆石壩壩高達203.5 m[19]。這些已建高壩上游壩坡多采用1∶1.4坡比，下游坡比為1∶1.25～1∶1.6，軟巖料多填筑于下游堆石區(qū)，實測的壩體沉降率(沉降量占壩高的百分比)為0.68%～1.99%。本文9組方案計算所得壩體沉降率為0.89%～1.16%，與已建工程相近。表5中幾座采用軟巖、硬巖摻用填筑的面板壩，軟巖含量在10%～40%。

表5中所列壩高180 m左右的墨西哥Aguamilpa面板壩和國內(nèi)的天生橋面板壩均為20世紀90年代建造，因在軟巖特性、壩體材料分區(qū)、填筑標準及順序等因素對高面板堆石壩力學性狀影響方面認識的不足，導致蓄水后面板出現(xiàn)嚴重開裂[10，20-21]。工程經(jīng)驗及計算分析研究成果表明，壩體變形是壩高超過150 m的面板堆石壩安全的主要制約因素之一。本文計算結果顯示，次堆石區(qū)材料力學性能的變化將影響面板的變形及應力，表明對于高面板堆石壩，蓄水后下游堆石體將參與承擔面板傳遞來的水荷載，提高壩體下游堆石體的強度及剛度，無疑將對控制面板變形及應力、保證防滲體安全有益。軟巖料具有強度低、流變特性明顯等特征，用于高面板堆石壩將導致壩體施工期變形增加、竣工后持續(xù)產(chǎn)生后期變形，對壩體和防滲系統(tǒng)應力及變形特性將產(chǎn)生不利的影響。朱晟[22]認為對于高面板堆石壩，蓄水后下游堆石體將參與承擔由面板傳遞來的水荷載，宜慎設軟巖堆石區(qū)。楊啟貴等[23]對高面板堆石壩變形控制方法研究后認為，主次堆石區(qū)分界限宜傾向壩軸線下游，主次堆石材料的變形模量不宜相差過大。基于本文計算分析結果以及已建工程實踐與研究成果，對于高面板堆石壩，特別是壩高超過150 m時，次堆石區(qū)中軟巖比例不宜超過30%。

表5 已建利用軟巖構筑的壩高100 m以上面板堆石壩工程

壩體主堆石區(qū)中設置強度及變形模量略低的主堆石3B-Ⅱ區(qū)，降低了主、次堆石變形模量的差異，對降低工程投資、提高主堆石區(qū)與次堆石區(qū)的協(xié)調(diào)變形有利，但將增大壩體整體的變形。本文計算結果顯示，與3B-Ⅱ區(qū)布置于壩體中下部方案相比，3B-Ⅱ區(qū)布置于壩體中上部將有益于控制壩體變形及面板應力，這種布置方式與表5中所列馬來西亞Bakun面板堆石壩相近。在大壩軸線處，堆石體自重壓力通常最大，因此在該處特別是其下部填筑強度及變形模量高的堆石體，將有效控制壩體變形，特別是沉降變形，基于此，壩體軸線下部區(qū)域應慎填強度較低的堆石料。

4 結 語

對高面板堆石壩軟巖含量及分區(qū)形式分析顯示：增加下游堆石區(qū)中的軟巖含量，壩體及面板變形隨之增大，面板拉應力亦隨之增大；減緩下游壩坡可降低壩體順河流方向變形、面板的變形及拉應力，但不能降低堆石體的沉降變形；為控制壩體變形、提高各堆石區(qū)間協(xié)調(diào)變形能力，高面板堆石壩下游堆石區(qū)中軟巖所占比例不宜超過30%，壩體軸線下部區(qū)域應慎填強度較低的堆石料。

采用典型斷面進行計算分析難以全面研究壩體分區(qū)與軟巖料利用對面板堆石壩安全性狀的影響，即難以全面研究壩體分區(qū)及軟巖料填筑壩體與面板變形同步協(xié)調(diào)、特別是對于面板的壩軸向變形和應力性狀的影響，因此對此類高面板堆石壩工程應力變形特性還應通過三維力學模型分析做進一步研究。