300m級高混凝土面板堆石壩的可行性分析

P.T.克魯茲

1 CFRD分區

B·庫克等學者于1987年對CFRD進行了初步分區，見圖1。其目的是便于設計人員和建設人員之間的溝通，簡化對大壩斷面的描述。當提到3B、T和3C區時，讀者就會知道其在大壩中的位置。有時T區也作為3B或3C區的延伸。基礎上的第1層應當作為可自由排水的排水層。

圖1 CFRD分區

隨著2003年坎普斯諾武斯(Campos Novos)高CFRD的建設，3個區域的厚度急劇減少。“新建”大壩的沉降和混凝土面板位移顯著減少。中部壓縮面板上壓縮材料(氯丁橡膠，三元乙丙橡膠)的應用以及止水和粘結劑的應用，減少了因裂隙、裂縫、開口及混凝土面板失效所引起的滲漏。

2 碾壓堆石料的特性

2.1 壓應力與抗壓強度

如果用土力學術語來描述材料的性能，則碾壓堆石料性能類似于預固結材料。壓應力或剪應力增加時，壓縮模量E和抗剪強度會降低。圖2示出了4種堆石料的壓縮模量E隨著壓應力的增加而降低的變化趨勢。這些參數是通過大壩現場觀測得到的。

圖2 堆石料豎向應力與壓縮模量關系

2.2 滲透性與抗沖刷能力

堆石料的滲透性主要取決于填充孔隙的細骨料含量。滲透系數可以在10～3 cm/s到10cm/s間變化，代表了堆石料滲透的極限值。堆石料的一個重要特性就是不論受壓或受剪都不會產生超孔隙水壓力。

當細骨料含量超過正常值20%，或者骨料粒徑小于4號篩孔徑的8%～10%，或者小于200號篩的孔徑時，壩體的滲透性將會降低。當重型卡車碾壓時會出現“車轍”，如果“車轍”能壓實，也就不會影響大壩的整體性能。堆石料抗水流沖刷能力較強，但不能漫頂。

3 更高壩可行性分析

3.1 穩定性分析

雖然很多CFRD的設計未見相關的穩定性分析，但可對其進行穩定性分析并可作為參考。

表1列出了300m級高CFRD的安全系數，這些堆石壩是用不同的堆石或礫石料建造的，有3種不同的壩坡。根據Bishop穩定性分析法計算得到的安全系數是合適的，查爾斯等學者在1984年發表的文章也證實了這一點。圖3為兩種分析方法的臨界滑動面。從表1可以看出，300m級高CFRD壩需用具有高抗剪強度的材料來滿足安全系數要求。

大壩的高度亦對安全系數有影響，對于抗剪強度 τ =1.13，σ =0.85 ，壩坡為1.4∶1.0的堆石壩，100，200，300m級 CFRD對應的安全系數分別為2.09，1.33，1.26。

圖3 臨界滑動面

3.2 變形分析

如果在現代數值計算模型中引入可變壓縮模量，并對CFRD的位移進行預測，將有助于確定面板接縫以及趾板和壩肩的接觸界面內止水和其他保護材料的尺寸。

通過估算壓縮縫中的壓應力，有助于選擇合適的填充材料，也有助于選擇面板尺寸和確定狹窄河谷中靠近壩肩的面板減少量。

3.3 滲流分析

3.3.1 施工期

通過在諸如低滲透性的堆石體外設置“豎向反濾層加水平排水層”，可收集雨季或施工期堆石體表面的水，使得堆石體的滲流降到最低。

表1 300m級高CFRD不同巖性堆石料的抗剪強度指標與安全系數

3.3.2 汛期

在鋪設混凝土面板之前，或在運行期，或地震及其他突發事件發生之前，處于擠壓邊墻正下部的2A和2B區(破碎巖塊與砂)上游側的堆石料可作為半滲透層，以降低浸潤線，并減少汛期壩體滲流量。

若因地震導致部分面板失效或因面板之間過大的壓應力導致面板失效，2B區將以同樣的方式防止壩體內出現大量滲流。

由土和礫石組成的1A和1B區亦可減少因裂縫和裂隙或者部分面板破壞產生的滲漏。

4 結語

在300m級高CFRD的設計中，適當參考上述數據和工程實例是很重要的。

研究表明，減少填筑層厚、使用硬巖作為筑壩材料、填筑料加水200～300L/m3、使用重型振動碾(＞5 t/m)等，對于降低CFRD的堆石體變形模量E以及減少壩體滲漏是有效的。

基于大量類似大壩堆石料的研究成果，建議在大壩施工期進行基于堆石體試樣剪切試驗性與壓縮試驗的穩定性與壓縮分析。

大壩施工期需安裝大量觀測儀器并讀取數據，這些數據可用于數學模型的修正，并可表明大壩剖面和壩坡的自然變化，也是成功修建越來越高大壩的寶貴資料。

研究、觀測和實踐三者緊密結合，是實現300m級高CFRD成功設計和運行的前提。