秘魯查格亞CFRD的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

［秘魯］A.M.卡爾齊納 等

查格亞(Chaglla)電站坐落于瓦努科，地處安第斯山脈和秘魯亞馬遜河流域之間。電站裝機(jī)容量為456 MW，其發(fā)電量占秘魯發(fā)電量的10%。工程于2011年4月開(kāi)工，預(yù)計(jì)2016年2月完建。

工程主要建筑物為高211 m的混凝土面板堆石壩(CFRD)，水庫(kù)庫(kù)容為815萬(wàn)m3，壩頂長(zhǎng)270m。左岸布置有一條1113 m長(zhǎng)的發(fā)電引水隧洞，3條總長(zhǎng)為2518 m的泄洪洞，由下游閘門(mén)控制，最大泄洪能力為5630m3/s。另外還布置有一座裝機(jī)6 MW的小水電站，此電站的發(fā)電引水隧洞毗鄰泄洪洞，從進(jìn)口到電站主廠(chǎng)房約14.5 km。

鑒于查格亞CFRD的某些特征，采用了類(lèi)似于新建高壩工程(150m至200m以上)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以保證大壩良好的性能。本文給出了三維有限元分析結(jié)果及其在大壩設(shè)計(jì)中所起的作用，同時(shí)提出了接縫和止水的設(shè)計(jì)與布設(shè)理念。

1 地質(zhì)與建基面特征

從地質(zhì)的角度來(lái)看，壩區(qū)屬于普卡拉(Pucará)組，主要由石灰?guī)r組成。

壩址區(qū)的瓦亞加河谷是不對(duì)稱(chēng)的，河床附近左側(cè)邊緣為一狹窄的沖積臺(tái)地，而右側(cè)邊緣直接形成峭壁。由于巖壁陡峭，沒(méi)有多的覆蓋層形成。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，河床有20m厚的沖積層，但隨著繼續(xù)開(kāi)挖，證明平均厚度僅為10m。基于此，將趾板改為修建在18 m高的混凝土塊上。

混凝土塊前20m坐落在風(fēng)化的灰?guī)r上，在壩肩部位，趾板建在弱風(fēng)化巖石上，根據(jù)RMR比尼奧斯基(Bieniawski)分類(lèi)法為Ⅱ和Ⅲ類(lèi)巖石。

壩肩部位的地基處理，考慮采用加密灌漿孔間距的方法進(jìn)行灌漿。河床部位的灌漿帷幕延伸到混凝土塊。

2 大壩簡(jiǎn)介

趾板根據(jù)基巖的質(zhì)量和水力梯度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并受山谷形狀的制約，特別是右岸。左右壩肩的坡度分別為50°和70°，不容許趾板延伸到下游段。為了維持約H/15的水力梯度 (H為庫(kù)水位)，并減少開(kāi)挖量，與水平段相連的趾板需與灌漿帷幕相適應(yīng)，而垂直段滿(mǎn)足其所需寬度。在右壩肩，從El.1080.0處開(kāi)始，趾板變?yōu)榇怪狈较颍粌H減少了開(kāi)挖量，最重要的是減少了開(kāi)挖高度。沿此輪廓線(xiàn)，施工人員利用懸掛的繩索進(jìn)行趾板的開(kāi)挖。

為得到期望的堆石變形模量，采用重型碾壓機(jī)械(介于18～21 t之間，超過(guò)49 kN/m)進(jìn)行薄層碾壓，加水量為150～200L/m3。

根據(jù)設(shè)計(jì)，大壩按漸進(jìn)的剛度進(jìn)行材料分區(qū)，面板下填筑2B區(qū)材料形成一個(gè)較硬的區(qū)域和一個(gè)填筑礫石的區(qū)域，此區(qū)域礫石比臨近右壩肩堆石料的模量更高，如圖1所示。

圖1 大壩過(guò)渡區(qū)

大壩填筑料采自河床和采石場(chǎng)，通過(guò)爆破或開(kāi)挖獲得。鑒于查格亞壩址形貌和陡峭的峽谷，石料的開(kāi)采方式為從斜坡的上部爆破，向山下傾倒石料，使其自然成堆，然后應(yīng)用到不同的大壩分區(qū)。

考慮到堆石料生產(chǎn)的難度，大壩中部采用特殊材料，形成占大壩總體積約20%的T區(qū)。T區(qū)材料由破碎巖石外加部分風(fēng)化料，形成良好的級(jí)配曲線(xiàn)，其不均勻系數(shù)高于40且細(xì)骨料少于15%。

T區(qū)材料孔隙率約為0.2，是目前所得材料中最低的，材料模量預(yù)計(jì)可達(dá)到80MPa。

T區(qū)材料鋪筑在反濾層上，目的是防止細(xì)骨料被帶入鄰近材料中。

3 三維有限元分析

為了評(píng)估大壩性狀和山谷形狀，采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行三維有限元模擬，基于承包商提供的施工工序計(jì)劃和水庫(kù)蓄水方案，用增量法作為分析標(biāo)準(zhǔn)，采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。

分析結(jié)果得出了兩種主要的趨向，面板應(yīng)力狀態(tài)和堆石體拱效應(yīng)，據(jù)此需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。

圖2給出了面板的壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)，可用于劃分受壓面板、受拉面板和接縫。

圖2 面板的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力

可以看出，右壩肩的拉應(yīng)力較高，因此在右壩肩處增加了部分礫石(見(jiàn)圖1)，使趾板基礎(chǔ)和面板之間形成漸進(jìn)的剛度，從而減少不均勻沉降。

盡管山谷高陡，但由于河床的寬度為30～40m，觀(guān)測(cè)到的堆石體的拱效應(yīng)低于預(yù)期。

4 接縫與止水

為保證防滲控制系統(tǒng)的安全性，需進(jìn)行接縫和止水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可參考水布埡壩等高CFRD的成功經(jīng)驗(yàn)。

(1)周邊縫。周邊縫主要采用了兩種不透水構(gòu)件作為保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)將縫密封。這兩種構(gòu)件為“D”型銅止水和波紋狀橡膠止水，分別置于面板的底部和頂部。

(2)垂直壓縫。通過(guò)觀(guān)測(cè)近期所建大壩的力學(xué)性狀，設(shè)計(jì)了此類(lèi)縫。

(3)垂直拉伸縫。兩種主要的止水層用于拉伸縫。這種構(gòu)件由安裝在頂部的波紋狀止水構(gòu)成，長(zhǎng)為30cm。同時(shí)，“D”型銅止水安裝在底部，此止水部件允許縫間出現(xiàn)25.2 cm的位移，從而避免了銅止水中出現(xiàn)拉應(yīng)力。