水利工程中面板堆石壩的關鍵技術

摘要： 混凝土面板堆石壩為美國首創，20世紀60年代引入堆石薄層振動碾壓技術以后，面板堆石壩有了長足的發展，特別是高壩增長很快，已達到200米量級。雖然與一般的土石壩比較，面板堆石壩有很多的優點，但也存在其特殊性的問題，亦即變形問題，滲透問題和環境的適應問題。

關鍵詞：堆石壩；變形；流變

中圖分類號： TV641 文獻標識碼： A 文章編號： 1674-0432（2013）-18-91-1

1 我國在面板堆石壩方面的研究

我國在混凝土面板堆石壩的材料特性研究、本構關系模型建立和數值計算方面居世界先進水平。面板堆石壩的材料性質與以往有所不同；而剛性的厚度很薄的混凝土面板與堆石料及墊層過渡料之間的接觸面及其相互作用是這種壩型的關鍵技術問題。所以各種接觸面的本構關系模型在大量試驗的基礎上被提出和改進。在數值分析中，面板的應力、變形與開裂等往往是受到最大關注的問題。另一方面，堆石料濕化變形和隨時間持續的變形（或稱為流變、蠕變性）也被人們所發現和得到重視，因為這可能使面板的工作條件和狀態惡化，在本構模型和數值計算中不能不考慮到這一情況。沈珠江在堆石料室內試驗的基礎上，提出了指數衰減數學模型，并用這一模型計算天了生橋一級面板堆石壩，發現堆石體的流變可顯著地加大面板脫空的可能性。

2 土石壩的后期變形——流變與濕化變形

實踐表明，在荷載作用下隨時間持續堆石料會發生變形，這對于混凝土面板的危害很大，可導致周邊縫止水破壞和產生裂縫。這可能是由于堆石中的塊石隨時間軟化而發生破碎、接觸點的破損、顆粒的重新排列等原因造成的。由于堆石料的尺寸限制，難以通過傳統的室內試驗研究其規律和確定其參數。通過長期的原型觀測，隨后進行參數反分析是實用的手段。目前我國在計算中常常采用基于應力應變速率關系的經驗函數型流變模型，如采用指數衰減函數的沈珠江模型，采用雙曲函數的王勇和殷宗澤模型等；另一個影響土石壩變形的因素是土的濕化變形問題。堆石材料在初次蓄水時也可由于浸水而發生附加變形，這種變形會引起比較嚴重的后果。而由于雨水入滲，壩體下游尾水升高也會引起濕化變形，這種變形對于面板堆石壩的危害很大。在數值計算采用的計算模型中，關于濕化變形的測定一般可采用單線法和雙線法。同時也建立了一些本構模型和數值分析手段來模擬這種變形。對公伯峽面板堆石壩的實例計算結果表明，濕化變形可以導致壩體的沉降和向下游的水平位移的增加，使面板中的水平向壓應力和拉應力增加。

3 面板堆石壩中的接觸面問題

對于面板堆石壩，面板的開裂會引起滲漏，因而面板的應力開裂分析、接觸問題、面板混凝土材料和施工方法與程序都是重要的問題。在不同材料間的接觸面，由于兩側材料性質的差異使兩側存在較大的剪應力和位移不連續。這樣在面板堆石壩中，面板與墊層間的接觸面常常會發生較大的變形和應力集中，成為薄弱環節。接觸面問題的研究包括：接觸面試驗研究、接觸面本構模型和數值計算接觸面單元。

4 高寒地區的混凝土面板堆石壩

我國在高寒山區和高緯度嚴寒地區建成的面板壩將近20座，最早建成的是新疆柯柯亞壩，高41.5米，1986年建成，壩區最低氣溫達-32.5℃，年溫差大于70℃，晝夜溫差在20℃以上，要求面板混凝土抗凍標號D200，并在其表面涂以黑色憎水材料，使水面冰蓋與壩面間保持1～3厘米的不凍區，在面板下的墊層區采用滲透系數厘2厘米/秒的材料，運行情況良好。在高緯度地區的黑龍江蓮花面板壩，高71.8米，年最低溫度為-45.2℃，冰層厚度達1.3米，冰期每年達5個月之久，年溫差達80℃，日溫差達20℃～30℃，運行條件十分惡劣。采取的措施是提高面板混凝土設計標號至300號、S8、D300，降低水灰比，摻引氣劑使含氣量達4%～6%，同時在面板表面涂一層防護涂料，面板澆筑后越冬時采取可靠的保溫措施，避免混凝土早凍。運行中出現的問題是表面塑性止水材料壓接用的膨脹螺栓被冰蓋拔出，做了不少處理工作。西藏的查龍壩，壩頂高程為4388米，為世界上高程最高的面板壩，高39米，1995年建成，壩區年最低氣溫達-41.2℃。西藏的楚松面板壩，壩頂高程4190米，情況也極為相似。其他年氣溫低于-30℃地區的面板壩還有黑泉（高123.5米，-33.1℃）、小山（高86.3米，-40.5℃）、雙溝（高109.7米，-37.7℃）、關門山（高58.5米， 37.9℃）、卡浪古爾（高62米，-40.5℃）、小干溝（高55米， 33.6℃）、山口（高40.5米，-44.8℃）、龍首二級（高146.5米，-33℃）、海潮壩（高56米，-31.5℃）等。

綜觀上述工程，對寒冷地區建造面板壩，應采取的措施有：（1）加強壩體碾壓，在冬季不能灑水時，采取減薄層厚，增加碾重和碾壓遍數等措施保證壓實質量，天暖時壩面連續加水浸潤，以增加沉降。（2）提高面板混凝土抗滲抗凍標號，摻高效減水劑和引氣劑，盡量降低水灰比（如查龍降到0.35），使含氣量達4%～6%，有的達5%～7%。（3）面板表面涂黑色憎水（憎冰）涂料，增加熱交換，維持冰面和面板間有一層不凍水。（4）適當增加面板鋼筋含量，在水面變動及以上局部區域增設表層溫度筋。（5）選擇面板混凝土的有利澆筑時機，采取可靠保溫措施，避免混凝土早凍。（6）改進表面止水與面板混凝土的聯結方式，避免膨脹螺栓為冰蓋拔出破壞。

5 高地震區混凝土面板堆石壩

一般認為面板堆石壩的抗震穩定性是好的，但設計上仍要采取一些抗震措施，如壩上部適當放緩壩坡，預留震陷超高、加大壩頂寬度、壩頂坡面采用大塊石砌護、加強壩頂剛度（必要時在壩頂附近采用加筋堆石、上下游壩頂擋墻連成整體）等。我國對堆石壩料物的動力試驗及動力分析方面研究得比較深入，取得了達到國際先進，部分達到國際領先的成果，對高地震區的面板堆石壩建設有所促進。

作者簡介：閆靜華，女，大專，就職于舒蘭市呼蘭河流域水利管理處，研究方向：水利工程。