高寒地區面板壩設計中的特殊問題與對策

李遠程，張利娟， 史海英，周 偉，韓 健

(1.黃河勘測規劃設計有限公司,鄭州 450003;2.武漢大學,武漢 430072)

1 國內外建設現狀

混凝土面板堆石壩以其充分利用當地材料、適應性廣、施工簡單、工期較短、造價較低等優點，成為水電站設計中最富有市場競爭力的主流壩型，因而在國內外得到了廣泛的采用和迅速的發展。隨著“西部大開發”和“一帶一路”的推進，在高寒、強蒸發、大溫差等惡劣自然環境下建造面板壩的工程正在增多。可喜之處，在我國的西北、華北、東北、西南及其他高海拔的嚴寒、寒冷地區，已率先建成了許多混凝土面板堆石壩，可供借鑒：最著名的是高緯度的黑龍江蓮花壩,壩高72 m,位于北緯42 ℃，極端溫差82.7 ℃；新疆的吉勒布拉克壩,壩高140.3 m,在北緯48 ℃左右, 最低氣溫分別為-49 ℃，是目前已建成高寒地區最高的面板壩；在高寒高海拔地區的工程有，西藏查龍水電站，壩高38.6 m，壩頂高程4 386 m，最低氣溫-41.2 ℃，松楚水電站，壩高40 m，壩頂高程4 190 m。國外的高寒地區面板壩，有美國的Courtright壩, 壩高98 m，位于高程2 500 m處； CabinCreek，壩高55 m，位于高程3 360 m處，最低氣溫都在-40 ℃，但在建造時沒有采取特殊抗凍措施。其中CabinCerek壩建20世紀60年代，已安全運行了幾十年；冰島Karahnjukar混凝土面板堆石壩，壩高198 m，也處于寒冷地區，冬季氣溫可達-25 ℃。表1給出了國內部分建成高寒地區面板壩的資料。

表1 國內部分建成在建高寒地區面板壩統計表Tab.1 Statistics of CFRD built in the high-cold area

早期修建的工程因對寒冷氣候條件的負面影響認識不足，工程多少出現了一些問題，經采取一些針對性的措施，修補處理后能正常運行。在此過程中積累了很多寶貴經驗, 但也有不少教訓, 總結分析高寒地區面板堆石壩的筑壩經驗和教訓,并提出相應的新對策，避免后續工程重蹈覆轍，且對我國青海、新疆、西藏、云南等地的高寒地區面板堆石壩建設具有指導意義。

2 墊層料級配和滲透系數問題

高寒地區面板壩主要爭議集中在墊層料的半透水性或全透水性。文獻[1]指出格里拉斯壩(位于哥倫比亞安第斯山區高程3 000.0 m) 墊層料含砂最平均值為25%，美國阿拉斯加州恐怖湖壩墊層料含砂量為29%～40%，僅具半透水性，由于墊層較薄，又是傾斜布置在壩體中，位于其后的過渡層、主堆石料的滲透系數較墊層料大數十倍以上，進入墊層的滲水在重力作用下，滲流基本上是垂直向下的，很容易排出，故水位變動面板下墊層料僅有潮氣，并非飽和態,墊層區或小區料發生凍脹的可能性不大。文獻[2]指出嚴寒和寒冷地區的面板堆石壩墊層料壓實后滲透系數宜為1×10-2～1×10-3cm/s。文獻[3]指出設計有必要將墊層按水位進行分區，對于冬季可能受凍部位，設計中重點解決防凍脹的問題，對于非受凍部位，應注重第二道防滲和防凍功能的共同發揮，指出高寒地區存在水的凍脹問題，為保證面板穩定, 要求水位變幅區附近的墊層料有較好的排水性能，需適當加大其滲透系數。然而，匹配滲透系數一項主要工作是墊層料級配的選擇，關門山壩和蓮花壩按照全透水性進行墊層料級配設計，即滲透系數K≥10-3cm/s, 表2給出了其級配曲線主要參數。文獻[4]給出最近新疆等地修建的混凝土面板砂礫石壩(如烏魯瓦堤壩)，從加強滲流控制、保證墊層的滲透穩定性出發，加強調墊層料的半透水性和墊層作為第二道防滲線的作用，要求墊層料為連續級配料，其最大粒徑不超過80 mm，小于5 mm粒徑含量控制在35%～50%，小于0.1 mm粒徑含量不超過8%，滲透系數大多控制在10-3～10-4cm/s范圍內。

表2 2座面板壩墊層料級配曲線主要參數Tab.2 Major parameters of grading curve with two CFRD bedding materials

通常認為，墊層料的滲透特性與其小于5 mm的顆粒含量直接相關，但進一步研究發現，針對小于5 mm粒徑百分比相同的兩組不同試樣，5 mm以下顆粒組成若有較大的不同，仍然導致滲透系數差別較大。文獻[5]表明，墊層料滲透性主要取決于細料含量，特別是d20的粒徑值，當小于1 mm的粒徑含量小于20%時，滲透系數將大于10-3cm/s。

因此，為兼顧高寒地區面板壩墊層料保持一定的透水性和防滲性，墊層料小于5 mm的粒徑含量宜控制在25%～45%，小于1 mm的粒徑含量宜控制在15%～25%，可以確保墊層料滲透系數能夠達到5×10-2～5×10-4cm/s。圖1給出了推薦的高寒地區、溫和地區和國際大壩委員會修正的墊層級配曲線。可知，高寒地區墊層料下限已經突破國際大壩委員會推薦的墊層料下包絡線，即國際大壩推薦的墊層料級配曲線并不能考慮高寒地區墊層料的特殊要求。

圖1 高寒地區、溫和地區和國際大壩委員會修正的墊層級配曲線Fig.1 The grading curve comparisons of high-cold area、 temperate area and modified by ICOLD

3 面板混凝土設計指標問題

在我國的高寒地區，往往伴隨著高蒸發的氣候特征，面板混凝土除了滿足抗凍要求外，還需具備抗干縮、冷縮等防裂要求。察汗烏蘇面板壩面板澆筑30 d后的裂縫條數為711條，分析原因是，澆筑面板時風速大、濕度低、水化熱溫升快[6]。柳樹溝面板壩吸取了前者經驗，選擇了溫和少風季節澆筑、加強流水養護，并摻加羅賽纖維素，共發現裂縫27條。積石峽面板壩為減小水和膠凝材料的用量，面板混凝土出機坍落度為2～4 cm，且選用“祁連山”牌強度等級為42.5 MPa的中熱硅酸鹽水泥，面板澆筑30 d后的裂縫條數僅為71條。

混凝土的凍融破壞是影響其耐久性的另外一項主要因素。設計要考當地的極端最低溫度、凍融循環次數、晝夜溫差、溫度年變幅等要素, 特別是每年的凍融次數對混凝土壽命的影響甚至比極端最低氣溫更大。如北京十三陵抽水蓄能電站上水庫, 當地最低氣溫約為-25 ℃,而每年凍融次數卻達到140余次,比東北地區的混凝土凍害更為嚴重。為此在面板混凝土設計上,一般都采用較高的混凝土強度等級,如C30F300。適度增加鋼筋含量,雙層雙向配筋,或上部面板配表層鋼筋。

建議在高寒地區面板壩的混凝土配比設計中, 要優選低/中熱硅酸鹽水泥，使用高效減水劑和引氣劑；采用低坍落度,建議為3～5；盡量降低水灰比，宜小于0.45；減少用水量, 使用減水劑摻加聚丙烯纖維等措施, 以提高混凝土的抗凍、抗滲、抗裂性能；混凝土的強度等級應大于C30，抗凍等級應大于F300。表3給出了部分工程面板混凝土技術指標性能匯總。

表3 部分工程面板混凝土技術指標性能匯總Tab.3 Capability of concrete indexes with some CFRD

4 面板表面抗冰凍涂隔離層的設置

西藏查龍水電站，在運行期混凝土面板出現了嚴重的冰蝕，粗骨料大面積暴露和滾落。

實驗室和現場觀測資料都顯示，在高寒地區，每年一旦進入冰凍期，面板壩庫區首先結冰形成不連續冰膜，隨氣溫進一步降低，冰膜在庫面上迅速擴展并封庫，封庫之后在冰層的增厚過程中，由于自身體積膨脹會對面板產生擠壓力和摩擦力，稱為靜冰壓力，靜冰壓力可經由混凝土面板均勻傳遞給下部堆石體，轉化為變形，能量被耗散，這部分作用力對面板的損傷有限；進入第二年，氣溫回升，面板與冰蓋脫開，受風浪作用冰塊和面板發生反復撞擊，砸傷面板混凝土，部分特殊地區，春汛來臨，河流攜帶大量冰塊進入庫區，即便有排冰泄洪設施，仍會對混凝土面板形成沖擊，甚至影響防浪墻，這部分力稱為動冰壓力，這部分作用力對面板的損傷非常嚴重，可造成面板表面局部脫落和裂縫；第三種破壞力：面板混凝土中的微裂隙水，在冰凍過程中產生內部膨脹力，在消融過程中，形成滲透壓力，在兩種綜合壓力反復交替的過程中，出現了由表及里的剝蝕破壞，若任其發展，則破壞加速，稱為凍融力。綜上所述，動冰壓力和凍融力是破壞面板混凝土的主要荷載，在設計過程中應減弱其破壞力，因此嚴寒和寒冷地區的混凝土面板堆石壩，宜提高裂縫處理標準，以防發生凍融力，同時，國內對高寒地區面板表面涂刷抗冰凍隔離層材料的工程實例日益增多，目的是阻斷冰體和面板的直接接觸。

因此，建議在高寒地區面板表面涂刷改性瀝青、聚脲、水泥基滲透結晶型材料、彈性聚氨酯等憎水隔離層。柯柯亞面板堆石壩面板表層涂刷雙組分彈性聚氨酯防水黏結材料，顯著提高了混凝土的抗凍性能。新疆JLBLK水電站在死水位以上面板表層涂刷彈性聚氨酯，國內在建工程中，四道溝(壩高80.16 m)、西黑溝(壩高44 m)、馬拉臺(壩高71 m)均在混凝土表面涂刷彈性聚氨酯防水黏結材料，表4給出了彈性聚氨酯技術要求。

表4 JLBLK面板壩彈性聚氨酯的技術指標Tab.4 The technical index of elastic polyurethane with JLBLK CFRD

5 面板表層止水問題

已建的豐寧水電站、黑龍江蓮花壩、吉林小山壩、西藏查龍壩、新疆察汗烏蘇壩在早期運行過程中，進入冬季，水位波動區域的面板頂面表層止水系統不銹鋼錨栓被拔出、按壓表層蓋板的角鋼被拉彎，甚至拉斷、表層橡膠(不銹鋼)蓋板遭到撕裂、塑性填料被擠出，整個表層止水系統遭遇全方位破壞。

究其原因，如本文第4節所述風浪作用下的動冰頻繁碰撞塑性止水，造成不銹鋼錨栓的疲勞性損傷，最終松動，庫水輕易流入螺栓與螺栓孔的縫隙中，在負溫下，水結成冰并在縫隙中膨脹，最終由于這種凍脹導致不銹鋼錨栓拔出失效，完全放松了表層止水的固定方式，這是表層止水破壞的第一步。從冰膜向冰蓋發展過程中，靠近面板的冰蓋受到側向約束，無法向下游膨脹，勢必會沿上游壩坡向防浪墻方向發生移動，在沿面板推頂的過程中，對止水鼓包、角鋼產生牽引，使之發生破壞，稱為牽引破壞；冬春季節入庫徑流減小，而發電和灌溉的需求增加，導致庫水降低，剛性的冰蓋不能隨之下降，必然會懸掛在面板表面，在冰蓋消融過程中，面板與冰蓋接觸面率先解凍，冰蓋產生向下位移，對角鋼、橡膠蓋板、產生向下的拖曳，止水必然破壞，稱為拖曳破壞；如若庫水降落速度加快，冰蓋則會出現迅速斷裂，在混凝土面板表面發生翻滾、滑移等，會對橡膠蓋板、塑性填料產生較大撞擊和沖切，稱為撞沖破壞。

綜上所述，冰蓋的牽引、拖曳和撞沖對面板壩表層止水體系破壞巨大，為此，需盡量減小表層止水與冰面的接觸面積，即將角鋼換成扁鋼、采用下沉式塑性止水、減小鼓包表面積延長表層蓋板的長度，使用黏接強度更高效的錨固劑。圖2給出了目前國內較為認可的高寒地區面板壩表層止水基本結構。

圖2 高寒地區面板壩表層止水推薦形式Fig.2 The surface watertight seal recommended of CFRD in high-cold area

6 其 他

雖然是堆石壩，但面板壩在負溫條件下仍然不易灑水碾壓，部分工程冬季停工，影響了工期，目前的對策是可在冬季提高碾壓標準，在暖季對大壩進行大量補水或浸泡來彌補冬季未完成的濕化變形；擠壓邊墻低標號混凝土因氣溫過低，強度無法增長，制約了墊層料的施工強度，早期工程使用暖棚供暖，但供熱效率低，目前工業用電熱毯可供參考使用；早期工程發生了大量的安全監測設備因冰凍發生破壞，這些問題都需要特別對待。

7 總 結

系統總結了國內高寒地區面板壩成功經驗和教訓，主要結論如下：

(1)區別常規面板壩，高寒地區面板壩主要有以下特殊性：墊層料容易發生凍脹破壞，影響面板穩定；面板混凝土的抗凍、防裂問題突出；庫區冰蓋對面板的破壞效應顯著；常規表層止水難易適應冰蓋作用力。

(2)通過限定小于5 mm、1 mm粒徑的顆分組成，給出了匹配墊層料排水、防滲雙重功能的級配曲線。

(3)面板混凝土應具有高強、高抗凍指標，配合比設計應考慮實施減少水化熱溫升的措施及摻加防裂材料。

(4)分析研究冰蓋對面板混凝土、表層止水的損傷機理，給出了面板、止水防冰凍破壞的對策。

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