高面板堆石壩滲流控制關(guān)鍵技術(shù)探析

吳 航

0 引言

高面板堆石壩的施工工期相對較短，并且該壩型適宜在強(qiáng)震區(qū)以及深覆蓋層、深厚強(qiáng)風(fēng)化巖地區(qū)進(jìn)行修建，現(xiàn)階段高面板堆石壩已成為最有競爭力的壩型。早在二十世紀(jì)八十年代，我國就已經(jīng)注重并引入了面板堆石壩筑壩相關(guān)技術(shù)。進(jìn)入到二十一世紀(jì)，我國已建和在建的壩高達(dá)250 m～300 m級的高面板堆石壩已有多座，這對于超過300 m級的壩體研究有著重要的參考價值。

1 高面板堆石壩

為滿足我國河流梯級水電的開發(fā)需求以及水資源合理配置的相關(guān)要求，在可預(yù)見的未來我國將在西部地區(qū)建設(shè)一批具備良好調(diào)節(jié)性能的高壩大庫工程。近十年來，我國在建和已建成的幾十座200 m級高面板堆石壩，這些工程已經(jīng)為我國高堆石壩的修建工作提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。自2012年開始，技術(shù)人員將古水、茨哈峽以及馬吉、如美等水電工程作為依托，展開了壩高250 m～300 m級的水電站工程可行性的相關(guān)研究，并且就高堆石壩建設(shè)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)展開了相關(guān)的研究。對于面板壩來說，其突出問題就是面板和墊層存在的脫開的問題，這一問題一旦得不到有效的處理，勢必會影響到大壩運行過程中的安全性，因而研究人員就大壩的應(yīng)力、變形以及施工程序等方面展開了一系列的探討與研究，同時還將滲流控制措施多位重點的研究方向。研究過程中，首先要針對面板壩無面板的狀態(tài)下的滲流進(jìn)行分析，進(jìn)而可以確定出墊層料的相關(guān)滲透系數(shù)。經(jīng)過初步的估計，相關(guān)墊層料的滲透系數(shù)可以擬定為10-3～10-4cm/s的弱透水材料。這樣一來，不僅在進(jìn)行材料的選擇時比較容易，并且還能確保高面板壩具備第二道防滲防線的強(qiáng)大功能，這對于提升高壩的安全性能有著重要的意義，表1為四個壩體的工程基本特性。

表1 工程基本特性

2 高面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)研究

首先，在進(jìn)行堆石體本構(gòu)規(guī)律的研究過程中，對于基礎(chǔ)理論方面存在一定的局限性。由于筑壩堆石料本身就有一定的復(fù)雜性與不均勻性，并且材料還有多相耦合性，這就給本構(gòu)規(guī)律的研究增加了不小的難度。目前，一些國內(nèi)外的學(xué)者提出了很多類型的堆石體本構(gòu)模型，比如說現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的鄧肯E-B模型以及清華K-G模型。但是，由于本構(gòu)模型存在較大的缺陷，因而對于超高壩的應(yīng)力變形預(yù)測方面精確度不高。其次，目前在試驗檢測手段方面存在一定的局限性。在進(jìn)行三軸試驗過程中，容易受到堆石料的“縮尺效應(yīng)”影響，并且一些堆石料存在變形性態(tài)，對于這些問題應(yīng)用試驗手段很難進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測。另外，大壩填筑模擬的計算存在缺陷，并且在應(yīng)力變形的計算手段上也有著一定的局限性。最后，對于壩體內(nèi)部的變形問題缺乏相應(yīng)的安全監(jiān)測技術(shù)與相應(yīng)的儀器，這將嚴(yán)重的影響到大壩性態(tài)的監(jiān)測與評價質(zhì)量。

3 壩坡穩(wěn)定性的研究和設(shè)計

截至到2017年，國內(nèi)外已建成120余座高度上超過100 m的高面板堆石壩。從這些工程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同壩坡的變化范圍相對較大，并且上游坡的變化范圍大多在1∶1.3到1∶1.7，下游坡的變化范圍相對較大，主要在1∶1.2到1∶2.1之間。因此，目前在進(jìn)行高面板堆石壩的壩坡選擇工作時，很難直接參考已建成的壩體工程進(jìn)行壩坡的選擇。根據(jù)我國壩坡設(shè)計規(guī)范的條款，推薦使用的壩坡穩(wěn)定計算方法是剛體極限平衡分析法，并且設(shè)計過程中所用的方法和相應(yīng)的容許安全系數(shù)都可以參照規(guī)范中的相關(guān)要求[1]。在有地震作用的條件下，設(shè)計過程中可以把地震荷載簡化成擬靜力，并且這一過程中仍可以應(yīng)用剛體極限平衡分析法進(jìn)行相關(guān)的計算。但是，對于那些壩高大于200 m或者是特別重要的高面板堆石壩來說，設(shè)計過程中要對壩坡穩(wěn)定容許安全系數(shù)值等重要參數(shù)進(jìn)行專門的論證工作。另外，對于那些壩體高度特別大，或者是處于地震烈度高的高堆石壩來說，設(shè)計過程中首先要確保設(shè)計內(nèi)容渡河規(guī)范規(guī)定的剛體極限平衡條件，在這一基礎(chǔ)上再利用有限元應(yīng)力變形原理進(jìn)行計算，最終確定出邊坡的最小安全系數(shù)[2]。

4 高面板堆石壩滲流控制

在進(jìn)行壩體滲流控制工作時，不僅要對趾板和基巖的連接采取相應(yīng)的滲流控制措施，同時還要對高面板堆石壩的滲流進(jìn)行嚴(yán)格的控制。一般來說，滲流控制可以分為兩個主要的方面：其一，就是進(jìn)行堆石體滲透變形穩(wěn)定的控制；其二，就是面板（包含防滲墻）接縫止水結(jié)構(gòu)的滲流控制工作，下面就對著兩方面的技術(shù)進(jìn)行研究。

4.1 堆石體的滲流變形穩(wěn)定控制技術(shù)

對于堆石體的滲透變形穩(wěn)定性來說，主要是要求壩體具備排水暢通的能力，同時還要確保壩體分區(qū)之間能夠達(dá)到水力過渡以及滲透穩(wěn)定的相關(guān)要求。這樣一來，就可以使堆石壩的主體長期處于一種非飽和狀態(tài)。這一規(guī)定說明，壩體各區(qū)的壩料滲透性要成漸變的趨勢，并且自上游到下游要逐漸的增大。同時，自上游到下游堆石體分區(qū)之間要達(dá)到水力過渡的要求，并且要符合滲透穩(wěn)定原則。尤其對于特殊墊層以及墊層料來說，更是要符合層間水力過渡的相應(yīng)關(guān)系。工程建設(shè)過程中，如果采用軟巖或者是砂礫料進(jìn)行筑壩工作時，因為軟巖、砂礫料在進(jìn)行壓實之有著中等的透水性能，因而要在壩體的上游區(qū)內(nèi)設(shè)立相應(yīng)的豎向排水區(qū)，同時還要和壩底設(shè)置的水平排水區(qū)進(jìn)行連接，這樣一來才能最大程度的確保大壩堆石體主體的干燥性[3]。對于墊層區(qū)的滲透系數(shù)來說，一般要控制在10-3～10-4cm/s左右，對于一些寒冷地區(qū)來說，工程可能存在凍脹的問題，因而墊層區(qū)的滲透系數(shù)可以適當(dāng)?shù)脑龃蟮?0-2～10-3cm/s作用，進(jìn)而確保面板下的滲水能夠快速的排泄。

4.2 面板接縫止水結(jié)構(gòu)的滲流控制技術(shù)

對于面板和面板、趾板之間的變形規(guī)律有著較大的不確定性，這就給面板接縫的止水結(jié)構(gòu)滲流控制工作帶來了一定的難度。一般來說，趾板要建在深覆蓋層，并且防滲墻和面板趾板多使用連接板進(jìn)行連接。尤其對于高壩來說，為了能夠有效的降低壩體變形問題，建設(shè)過程中最好將趾板附近的覆蓋層去除掉，并且把趾板直接建在基巖上[4]。規(guī)范規(guī)定面板混凝土的滲透水力梯度不能大于200，并且防滲墻的滲透水力梯度也不能大于80～100，建設(shè)過程中要根據(jù)巖石的具體狀況來確定趾板下基巖的滲透水力梯度。面板堆石壩接縫止水結(jié)構(gòu)大體上可以分為四大類型，但是一些高壩工程把距離周邊縫20～30 m位置處的面板板間縫專門的設(shè)計為一種特殊的接縫型式。在進(jìn)行接縫的設(shè)計工作時，一定要參照高面板堆石壩的實際情況，科學(xué)地設(shè)定不同接縫的位移控制值。現(xiàn)階段，在進(jìn)行200 m級的高壩設(shè)計時，設(shè)計容許周邊縫的最大位移極值能夠取到80 mm甚至更大。對于周邊縫的滲流控制來說，主要利用防滲和自愈相結(jié)合的止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。另外，在進(jìn)行接縫止水結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，要把壓型垂直縫設(shè)計為具備相應(yīng)寬度和抗壓縮能力的形式，并且還要確保結(jié)構(gòu)有著一定的彈性。尤其是進(jìn)行接縫止水結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作時，一定要對縫底墊片以及銅止水片進(jìn)行嚴(yán)格的控制，同時對于混凝土面的處理工作以及嵌縫材料的選擇也要引起重視。

5 結(jié)束語

在進(jìn)行高面板堆石壩的設(shè)計與研究工作時，一旦出現(xiàn)遺漏或缺陷，相關(guān)問題都會在工程后期的運行過程中體現(xiàn)出來，直接威脅到工程的安全性與耐久性。因而，設(shè)計人員要對高面板堆石壩的應(yīng)力以及變形特性等方面進(jìn)行全面的研究，提升高壩的滲流控制質(zhì)量。

[1]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.水工設(shè)計手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2014.

[2]楊澤艷,周建平,蘇麗群.300 m級高面板堆石壩適應(yīng)性及對策研究綜述[J].水力發(fā)電,2011(6):1-5.

[3]酈能惠.高混凝土面板堆石壩新技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[4]賈金生,酈能惠,等.高混凝土面板堆石壩安全關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2014.