超高面板堆石壩設計原則探討

曹克明，徐建軍

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

目前，超高面板壩普遍出現面板擠壓、拉伸、彎曲等各種形式的破壞。強烈的擠壓破壞可以將一條面板擠到另一條的上方，產生10 m3/s以上的漏水量，已經成為超高面板壩發展的最大障礙。這些現象都說明現有設計原則已不適應超高面板壩，需另行建立超高面板壩設計原則。

超高面板壩堆石設計原則主要包括以下方面：①主堆石壓縮模量值，應能控制面板撓度達到避免面板擠壓破壞的目的；②主堆石區寬度，應能控制面板撓度并避免堆石上游面產生拉伸變形，以達到避免面板出現水平拉伸變形的目的；③次堆石與主堆石壓縮模量比，應能避免堆石上游面產生拉應變，以達到避免面板出現水平拉伸裂縫的目的；④水庫蓄水計劃的制定，需在上部墊層料拉伸變形停止后再讓水位上升，以達到避免面板產生水平拉伸變形的目的；⑤設置面板澆筑前的預沉降時間，以達到避免面板出現水平彎曲裂縫的目的；⑥分區堆石顆粒級配，應達到壩體滲流控制的目的；⑦面板的設計，應達到提高面板抗擠壓破壞能力的目的。以下按上述七大分項進行討論。

1 主堆石的壓縮模量值

觀測資料表明，河谷部分面板處于受壓狀態，其壓應變與壩高的平方成正比，與堆石壓縮模量成反比，超高面板壩面板發生擠壓破壞是可能的。塞沙納壩設計者認為，一旦面板壓應變達到混凝土長期負載作用下極限壓應變就會產生擠壓破壞，并認為其值可取為3 000×10-6。阿瓜米爾帕壩設計者認為，如果187 m高的阿瓜密爾帕壩采用壩址花崗巖壩料，其堆石壓縮模量與阿里埃壩相同，為47.5 MPa，根據阿里埃壩實測水平壓應變665×10-6推測的阿瓜密爾帕壩面板壓應變將為908×10-6。他們認為此值已接近混凝土的瞬時荷載極限壓應變1 000×10-6，有可能產生面板擠壓破壞。阿瓜密爾帕壩最后決定采用礫石壩料，其實測的壓縮模量為260 MPa，沒有發生面板擠壓破壞。現在已能從天生橋一級壩面板沿垂直縫發生擠壓破壞前實測的水平壓應變，取面板臨界壓應變值為900×10-6了。面板壓應變計一般布置于板條中央，不能代表發生擠壓破壞的垂直縫處的實際壓應變。垂直縫處存在應力集中現象，其壓應變比板條中央的實測值要大。為了布置頂部帶 “V”形槽的塑性止水、底部 “W”形銅止水等，天生橋一級壩垂直壓性縫處面板厚度被減小了13 cm，此外垂直縫還破壞了面板結構的連續性，進一步加劇了應力集中現象，壓性垂直縫成為面板結構的最薄弱環節。面板厚度一般頂部采用30 cm，底部按允許水力梯度200決定，并采用漸變方式，因此頂部面板應力集中現象最為嚴重，擠壓破壞首先發生于頂部。

面板的撓度也和壓應變一樣，與壩高的平方成正比，與堆石壓縮模量成反比，因此可以通過控制面板撓度達到控制面板壓應變的目的。面板壓應變還隨面板撓度的增加而增加，因此應控制面板穩定撓度小于臨界撓度（發生擠壓破壞時的撓度）。2000年10月9日天生橋一級壩水庫第一次蓄水至正常蓄水位，2003年7月17日面板才發生擠壓破壞。蓄水初期塞沙納壩面板壓應變為290×10-6，以后也隨撓度的增加而增加，10年后壓應變發展為400×10-6。

文獻[7]、[8]中已根據10個工程的實測資料，提出了穩定撓度、臨界撓度、控制穩定撓度小于臨界撓度的臨界堆石壓縮模量（發生擠壓破壞時的壓縮模量）等的有關半經驗公式。這次筆者補充了我國新近建成的6座壩的資料（見表1）。這些資料都說明這些經驗公式能夠反映實際情況，是可行的。此外，堆石臨界壓縮模量也可以根據表列工程資料采用工程類比法確定。

面板長期穩定撓度Δn計算見式（1），臨界撓度Δcr計算見式（2），臨界堆石壓縮模量（Erc）cr計算見式（3），容許堆石壓縮模量值 [Erc]計算見式（4）。

式中，H為壩高，m；Erc為蓄水前的主堆石壓縮模量，MPa，并要求采用無拱效應的成果；X為河谷系數，X=A/H2，A為面板面積，m2。

面板臨界撓度與河谷系數關系曲線見圖1。圖1中的各點為表1所列各工程根據式（1）計算得到的穩定撓度。

圖1及表1表明，肯柏諾沃、巴拉格蘭德、天生橋一級3座壩的計算穩定撓度均超過臨界撓度，因此都發生了面板擠壓破壞。在滿足小于臨界撓度要求的工程中，辛戈壩的安全系數略低于1.1，說明安全系數采用1.1也屬可行。默霍爾壩安全系數計算值為1.17，但仍發生了面板沿垂直縫的擠壓破壞，分析認為是壓性垂直縫缺少擠壓鋼筋和擠壓墻未涂瀝青所致。巴拉格蘭德壩發生面板擠壓破壞時的實測撓度為786 mm，與圖1中的臨界撓度相符。水布埡壩安全系數偏低，是最新發生一些輕微擠壓破壞現象的原因。

表1 混凝土面板堆石壩面板擠壓破壞可能性評價

圖1 面板臨界撓度與河谷系數關系曲線

表1中我國新近建成的6座壩采用的碾壓參數基本為：壓實層厚80 cm，加水15%（體積），25 t自行式振動碾碾壓8遍，其功能較大，因此堆石壓縮模量都較大，這是這些工程能避免擠壓破壞的根本原因。這些工程中，水布埡、洪家渡、紫坪鋪壩都為石灰巖壩料，三板溪壩為凝灰質砂巖，灘坑壩為火山集塊巖，都屬于飽和抗壓強度大于50 MPa的硬巖。董箐壩為飽和抗壓強度為23 MPa的軟巖，雖然孔隙率最低，為17.38%，但壓縮模量僅為55 MPa。由此可知，硬巖碾壓堆石壓縮模量較大，其中紫坪鋪壩堆石壓縮模量最大為180 MPa，其孔隙率為18%，是這些硬巖堆石中孔隙率最低的。

2 主堆石區寬度

壩頂部位壩體寬度有限，為方便施工，一般只設主堆石區，離壩頂約30 m以下才開始分成主、次兩個堆石區。分界線頂點一般位于壩軸線處，也有偏下游的。這樣從頂點開始的傾向上游或下游的直線，將堆石分成主堆石區與次堆石區。

水壓力產生的面板撓度與主堆石區寬度和次堆石與主堆石壓縮模量比有關。根據工程資料[8]，當模量比為0.5時，分界線可以設在壩軸線處，再增加堆石寬度不能減小面板撓度，因此認為已達到 “撓度最小”的要求。此外，分界線1∶0.5傾上游的方案，在模量比為0.5時撓度會增加9%，模量比為0.7時撓度會增加3%。因此，采用此方案時，需相應增加主堆石壓縮模量，以保持相同的撓度。

分界線在壩軸線處時，壩體存在自重作用下主、次堆石產生沉降差的問題，其差值隨壩高的增加而加大，因此超高壩的堆石頂部上游面可能出現拉伸變形，產生拉伸裂縫，面板頂部可能出現水平拉伸裂縫。根據工程資料[8]，178 m高的天生橋一級壩的墊層料出現了水平拉伸裂縫，187 m高的阿瓜密爾帕壩面板出現了水平拉伸裂縫。兩座壩主次堆石區分界線頂部均在壩軸線處，模量比均為0.5。148 m高的薩爾瓦欣納壩沒有出現這些問題，其分界線為1∶0.5傾下游，模量比為0.2。因此，加寬主堆石區寬度可以避免拉伸裂縫的產生，超高面板堆石壩主次堆石分界線采用1∶0.5傾下游也是合適的。

3 堆石壓縮模量比

當分界線選擇在壩軸線處時，也可以通過控制次堆石與主堆石壓縮模量比達到使墊層料不出現拉伸裂縫的目的。

天生橋一級壩壩高178 m，主堆石區灰巖堆石壓縮模量為45 MPa，次堆石區泥巖堆石壓縮模量為22 MPa，模量比為0.49。阿瓜密爾帕壩壩高187 m，堆石分成主堆石（碾壓礫石）、過渡堆石、次堆石3個區。主堆石區與過渡區分界線為壩軸線，過渡區與次堆石區分界線1∶0.5傾下游。主堆石壓縮模量為260 MPa，過渡區堆石壓縮模量為130 MPa，下游堆石壓縮模量為50 MPa。過渡區堆石與主堆石的壓縮模量比為0.5，下游堆石與過渡區堆石的壓縮模量比為0.38。辛戈壩壩高151 m，主次堆石區分界線1∶0.2傾上游，但頂點偏下游，分界線平均位置在壩軸線處。主堆石壓縮模量為32 MPa，次堆石壓縮模量為20 MPa，模量比為0.63。

天生橋一級壩與阿瓜密爾帕壩的主次堆石區分界線都在壩軸線處，其模量比都約為0.5，天生橋一級壩墊層料發生了拉伸裂縫，阿瓜密爾帕壩面板也發生了拉伸裂縫，但是模量比為0.63的辛戈壩未發生這些現象。按工程資料分析，模量比不小于0.65是合適的。

4 蓄水計劃

天生橋一級壩雖然墊層料出現裂縫，但面板未產生裂縫，這是得益于該工程的水庫蓄水計劃。雖然1998年就開始發電，但是水庫在2000年才蓄滿。在水位到達墊層料開裂區前，墊層料已停止拉伸。這樣就沒有水壓力去發揮面板與墊層間的摩擦力，因此避免了面板拉伸裂縫的出現[7，9，11]。 現將其情況簡介于后，以供參考。

天生橋一級大壩頂部堆石上游面墊層料拉應變發展的過程見圖2。裂縫發生在768～746 m高程（臨時壩頂、面板頂的高程都為788 m），在758、725 m高程觀測點之間。因此，可以從觀測點的下游向水平位移和沉降觀測值，計算坡向位移（見圖2）。裂縫發生在1988年12月10日～1999年1月10日，而1999年5月1日才開始觀測，1999年3月29日壩體填筑至臨時壩頂，因此觀測到的坡向位移是由徐變產生的，并且僅為其一部分。從圖2可知，725 m高程處下坡位移在1999年10月才停止發展，而785 m高程處上坡位移于2000年7月停止，2000年7月前水庫處于低水位運行。

圖2 天生橋一級壩最大斷面1999年5月1日后堆石上游面順坡向徐變位移

5 設置堆石預沉降時間

天生橋一級壩第三期面板蓄水前在距面板頂部約20 m處發生了613條水平彎曲裂縫。阿瓜密爾帕壩在運行初期也在面板頂部發現裂縫。這些裂縫都是徐變造成的[6，8，11]。

實測資料表明，壩頂徐變沉降量與壩高成正比，是歷時的對數函數。因此，超高面板壩容易發生水平彎曲裂縫，主要發生在初期，在面板澆筑前設置堆石預沉降時間可得以避免。

天生橋一級壩的壩頂堆石法向徐變曲線，及其相應的壩頂面板撓度變化曲線見圖3[6，8，11]。天生橋一級壩三期面板（最后一期）于1999年5月完成澆筑，其最大斷面處的R1面板于同年5月9日開始觀測。圖中2號曲線為R1面板頂部M7測點的撓度觀測成果，1號曲線為M8測點法向位移觀測成果。M8測點位于M7測點下游的墊層料上，兩測點距離很近。M7為永久觀測點。M8為施工期觀測點，防浪墻施工一開始就不能觀測，只觀測了8.8個月。M8觀測到法向位移為111 cm，約占總徐變量的90%，該時面板撓度為96 cm，面板已脫空15 cm。觀測歷時1.7個月時面板撓度為45 cm，檢查發現有水平裂縫約297條，歷時8.8個月時發展成613條。在進行砂漿回填處理后，面板裂縫才停止發展。徐變造成了面板頂部脫空、懸臂，因此產生了彎曲裂縫。

總之，為了防止徐變造成面板的水平彎曲裂縫，超高面板壩設計原則中需增加 “面板澆筑前設置足夠長的堆石預沉降時間”的內容。我國目前采用的預沉降時間一般為3～6個月，以沉降率5 mm/月為準。

6 分區堆石顆粒級配

圖3 天生橋一級壩最大斷面面板頂部撓度及堆石上游面法向位移曲線

目前面板壩滲流控制設計已比較成熟，我國超高面板壩的滲控設計中，都要求墊層料起第二道防滲線的作用，過渡料對墊層料的反濾作用，要求嚴格控制過渡料和其下游堆石中的細料、細粒含量，以免其流失增加堆石的變形。天生橋一級壩在面板發生擠壓破壞后漏水量未顯著增加，說明我國堆石壩滲流控制設計是成功的。

超高面板壩的墊層料還可以采用更為保守的級配，以便減小料物施工分離，使其具有更均勻的、較低的滲透系數。建議墊層料中粒徑小于5 mm的顆粒含量為35%～50%，粒徑小于0.75 mm的顆粒含量為5%～8%。為防止細料流失造成堆石變形的增加，建議過渡料及其下游堆石粒徑小于5 mm的顆粒含量不超過20%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%。當過渡料下游堆石不滿足此要求時，可將過渡料設計成過渡排水料，采用含細料量小的級配。

7 面板設計

面板宜按受力特點分成兩岸拉性區、河谷弱擠壓區和河谷強擠壓區。拉性區、弱擠壓區面板仍可沿用傳統設計。其面板頂部厚度采用0.3 m，底部厚度按水力梯度不超過200確定，面板厚度變化采用漸變方式，垂直縫采用硬平縫形式等。提高面板抗擠壓能力的設計重點在強擠壓區。

強擠壓區設計改進應包括以下內容：①增加面板厚度，以減小面板壓應變水平；②改進垂直縫止水結構，避免斷面削弱過大；③改用可壓縮垂直縫；④設置和改進垂直縫擠壓鋼筋；⑤采用擠壓墻墊層料護面時，其表面需采用瀝青處理；⑥提高分期面板頂部堆石超高；⑦分期面板水平施工縫采用全斷面垂直于面板平面的體形；⑧除初期攔洪斷面外，其余堆石均采取均勻上升的方式施工。

8 結論

設計原則制定難，實現更難。其中最難實現的是主堆石壓縮模量值，尤其當要求的壓縮模量值超過200 MPa時。我國近期修建的超高面板壩的硬巖堆石壓縮模量值僅為120～180 MPa。這些硬巖堆石施工采用的重型振動碾的靜輪壓已達到79.2 kN/m，碾壓遍數達到8～10遍，已接近極限。加水量15%（體積）也已足夠。要進一步提高壓縮模量，需進一步改善級配，以進一步較減小孔隙率。級配主要受控于巖石節理情況，當節理條件不具備時只能依靠爆破技術改善級配。提高堆石壓縮模量的另一個途徑是采用更薄的層厚以進一步增加碾壓功能。宜興抽水蓄能電站上庫壩建于斜坡上，為避免過大的不均勻沉降，位于傾斜壩基部位的堆石改為增密區。增密區堆石層厚采用60 cm，碾壓堆石的平均孔隙率可達到16.2%，而原80 cm層厚堆石的孔隙率為19.8%。其壩料也采用飽和抗壓強度為83～54 MPa的硬巖，系工程開挖料。總之，可以通過改善級配、減小層厚，進一步提高碾壓堆石的壓縮模量，以滿足工程需要。此外，根據董箐壩的工程經驗，采用沖碾施工也有利于孔隙率的降低。

堆石壓縮模量是評價堆石質量的標準，也是超高面板壩成敗之關鍵，通過現場試驗選擇最優方案，以最經濟的方式確保所需的模量值，是至關重要的。

［1］馬洪琪，曹克明.超高面板壩的關鍵技術問題［J］.中國工程科學，2007（11）:4-10.

［2］楊澤艷，周建平，蔣國澄，等.混凝土面板壩的發展［J］.水力發電，2011，37（2）:18-23.

［3］Fitzpatrick M D,Cole B A,Kinstler F L,et al.The Design of Concrete Faced Rockfill Dams［M］//ASCE Symposium on Concrete Face Rockfill Dams.Detroit,1985:410-434.

［4］Sherard J L,Cooke J B.Concrete-Face Rockfill Dam:I.Assessment［J］.Journal of Geotechnical Engineering,1987,113(10):1096-1112.

［5］Cooke J B,Sherard J L.Concrete-Face Rockfill Dam:II.Design［M］.Journal of Geotechnical Engineering,1987,113(10):1113-1132.

［6］Montanez-Cartaxo L E,Hacelas J E,Castro-Abonce J.Design of Aguamilpa dam［C］//Proceedings of International Symposium on High Earth-Rockfill Dams.Beijing:Chinese Society for Hydro-electric Engineering,1993:337-364.

［7］曹克明，汪易森，徐建軍，等.混凝土面板堆石壩［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［8］曹克明，徐建軍.超高面板壩臨界撓度探討和設計改進［J］.水力發電，2008，34（11):98-102

［9］曹克明，汪易森，張宗亮.高混凝土面板堆石壩的設計與施工［J］.水力發電，2001，27（10）:49-52

［10］Fitzpatrick M D,Liggins T B,Barnett R H W.Ten Years Surveillance of Cethana dam ［M］//Fourteenth International Congress on Large Dams:Q.52-R.51.Rio de Janeiro:ICOLD,1982:847-865.

［11］Cao Keming,Zhang Zhongliang.Performance of the Tianshengqiao 1 CFRD［J］.The International Hydropower&Dams,2001,8(5):76-83.