堆石壩的變形特性
——以巴西的幾座堆石壩特性為例

[] C.B.

1 概 述

巴西大多數堆石壩都建成于近40 a，其中多數都進行了觀測且公布了觀測數據。至于大壩的變形特性，本文試圖對其中8座大壩的觀測數據進行分析和討論，從而對這一問題給出清晰的認識。

表1列出了8座大壩的名稱，以及各壩的壩高與最大沉降量。F.阿雷亞(Foz do Areia)壩和欣戈(Xingó)壩都是混凝土面板堆石壩，其他為心墻壩。上下游邊坡均較陡。其中表現最突出的為恩博爾卡考(Emborca??o)壩，由于是初次蓄水，該壩的壩頂出現了大量的縱向裂縫，大壩斷面見圖1。該壩之所以采用上游斜心墻，主要是為了減少不均勻沉降的影響。堆石料分別按0.6，0.9 m和1.2 m的厚度進行壓實。就變形模量值而言，當層厚從0.6 m到1.2 m時，模量顯著降低。高碾壓厚度對變形帶來的影響遠大于心墻變形的影響，這一現象結合過渡帶的高模量以及其他設計細節，在水庫水位快速上升時導致了壩頂大量縱縫的產生。

對該壩體裂縫進行了修復，但在后期根據運行要求水庫水位下降時，又發生了新的開裂。盡管如此，大壩總體性狀仍令人滿意，其滲漏量很小，約10L/min,這是因為進行了大量的灌漿防滲處理，而且設置了內部防滲鋪蓋。分析恩博爾卡考壩的變形型式得出，下游邊坡在水平方向位移超過1 m，垂直方向超過1.5 m。大壩竣工后，變形仍十分明顯。需要指出的是，大壩尚未完建前就開始了蓄水。內部最大沉降量為3.8 m(見表1)。壩頂測量結果表明，上游沉降量比下游沉降量高出50 cm，壩頂每隔25 cm設一個標志點，測得最大裂縫寬度為25 cm。

表1 8座大壩壩高與最大沉降量

圖1 恩博爾卡考壩斷面

恩博爾卡考壩隸屬于CEMIG(巴西最大的能源公司)，該公司后來建設了N.篷蒂(Nova Ponte)壩，為了避免產生與恩博爾卡考壩同樣的問題，在斷面設計中采用了低壓縮性材料，這種材料由階地砂卵石和不透水土料組成。堆石料用于上下游不透水材料相對很窄的區域。最大沉降量為0.5 m，壩面變形也很小(見圖2)。

圖2 N.蓬蒂壩斷面

在S.梅薩(Serrada Mesa)壩建設中，采用了另一個解決變形問題的方法，見圖3。施工中對所有的材料進行了最大程度的壓實，達到很高的(超常)模量，如表2所示。可以看出，最優含水量偏干和偏濕擊實時得到的模量不同。大壩最大內部沉降量為0.5 m。這種方法并不推薦作為規范方法，但是對于庫容達到540億m3的大壩是可以接受的。

圖3 S.梅薩壩斷面

表2 模量MPa

在P.卡瓦盧(Pedra do Cavalo)壩(見圖4)中，同樣采用了上游斜心墻布置，除此之外，靠近過渡區的堆石料壓實厚度為1.2 m，更易于變形。與表2中的模量相對應，內部沉降量最大達到2.2 m。另外兩座堆石壩科倫巴(Corumbá)壩(圖5) 和米蘭達(Miranda)壩(圖6) 也采用了傳統的心墻壩型式。

圖4 P.卡瓦盧壩斷面

圖5 科倫巴壩斷面

圖6 米蘭達壩斷面

2 堆石壩變形的影響因素

分析擊實特性和變形模量得出，巖性在變形中并不是主要的影響因素，S.梅莎壩中大量使用花崗巖的情況除外。

影響堆石壩變形的主要因素如下：

(1) 巖性；

(2) 河谷形狀；

(3) 顆粒分布；

(4) 設計特性(封面、上下游邊坡、相鄰材料的特性)；

(5) 施工(進度、施工縫)；

(6) 壓實狀況(碾壓厚度、碾壓遍數)。

關于河谷形狀的影響，平托等人曾對15座混凝土面板堆石壩的壓縮模量和孔隙率之間的關系進行了探究，計算了壩體上游面面積與壩高平方比(A/H2)之間關系的形狀系數，并提出了一個窄河谷(A/H2<3.5)和寬河谷(A/H2>4)的概念，但分析中沒有考慮壓實特性。

本文提到的8座大壩都來屬于寬河谷，但A/H2遠大于4。分析這8座大壩的資料可以看出，河谷的形狀并非大壩變形的主要影響因素。

分析大壩材料的粒徑分布曲線得出，盡管粒徑大小有所不同，但并沒有考慮同變形建立起相關關系。表面看這之間并不存在什么聯系。考慮設計曲線的特點，粒徑大小影響最大的是大壩的總體變形量。例如，如果外部邊坡較陡，壩殼的變形量就會增加。另一個問題是過渡料通常變形量較小，對于心墻的變形以及對于臨近的壩殼部分的變形都會產生影響。F.阿雷亞壩和欣戈壩兩座面板堆石壩，并沒有受不均勻變形的影響，但由于堆石體的變形總是存在，所以本文一并進行討論。

施工也會影響到大壩的變形，例如施工速度。已有的信息表明，堆石料在填筑之后仍會繼續變形，因此人們會得出這樣的結論：施工速度較慢，產生的堆石體變形便較小。施工縫也會影響到變形，例如在科倫亞巴壩中，由于施工縫問題，在施工過程中就產生了裂縫。

由此可以認為，影響堆石壩變形的最主要因素是壓實特性，在這8座大壩的比較分析中，有一個要素始終不變，即都使用的是9 t的碾(靜力)。

在一些壩的碾壓過程中，僅在特定區域進行了適當的加濕處理，這種做法似乎對變形影響不大。

影響最大的還是碾壓厚度和碾壓遍數，有人試圖建立起壓縮模量與變形的相關關系。本文提到的模量是通過不同的方法得到的，有些是通過有限元應力-應變計算得到的，有些是根據在一個壓縮層中特定的變形通過計算得到的。為了測得壓縮層的變形，在壓縮層上部布置有沉降位移傳感器，頂部有壓力傳感器。對于人工計算模量的方法，戴維斯等人建議采用一個影響修正系數，但在其他計算中也不一定如此。不管怎樣，這里提到的模量已足以給出一個堆石料變形特性的大致輪廓。

圖7 碾壓厚度與壓縮模量的關系

圖7給出了碾壓厚度與模量的變化關系，圖中標記點旁邊的字母對應大壩的初始階段，可以看到碾壓厚度與模量之間確實有一定的相關性。需要注意，由于S.梅薩壩模量高，完全離開了圖中的主體范圍。多數大壩的碾壓厚度在0.8～1.0 m之間。圖8給出了碾壓遍數與模量之間的關系，包括0.8 m和1.0 m的碾壓厚度。分析表明，有6座大壩的模量在30～50 MPa之間，與碾壓遍數之間沒有明顯的相關

圖8 碾壓遍數與壓縮模量的關系

關系，也許這些模量的變化是由于其他一些因素造成的，例如巖石強度與粒度等。針對S.梅薩壩的情況，該壩通過12遍碾壓，得到了較高的模量值，表明碾壓遍數可能是堆石料變形的最為主要的影響因素。可惜在6～12遍碾壓遍數之間，缺乏相應的工程實例。另外需要指出的是，S.梅薩大壩使用的堆石料屬于塊體花崗巖，這也是得出高模量的一個原因。

針對S.梅薩壩，曾在試驗室采用直徑1 m的試樣對堆石料進行了試驗，得到與現場試驗吻合的結果，這對預測堆石料的變形是一個很好的手段。

最后需要指出的是，應盡一切可能的努力來避免壩頂產生縱向裂縫。正如以上所討論的，其裂縫的形成原因正是由于組成大壩斷面壩料間的不均勻沉降造成的。盡管這類裂縫對于大壩的安全不會產生太大的威脅，但也應該避免。本文旨在給出一些能夠改進堆石壩設計的信息，避免產生不愿出現的現象，不過這些現象在全世界許多大壩中都普遍存在。

3 結 語

如果需要設計一座高堆石壩(>100 m)，應進行信息分析，選取各類參數并用于應力-應變分析。同時也應配合室內試驗，確定細粒料的變形特性。

或許在不遠的將來可以在試驗室準確預測出堆石料的變形特性。

另外在施工過程中，所有的碾壓控制記錄應該妥善保存，通過試驗室試驗確定粒徑分布與巖石的質量，例如無側限抗壓試驗、洛杉磯抗磨損試驗和巴西抗拉試驗等等。大壩還應布設變形觀測設備。

根據材料的壓實特性，通過有效地調整斷面，就完全可以建成不再出現縱縫的堆石壩。