堆石壩薄柔性防滲結(jié)構(gòu)長期變形的適應(yīng)性

屈新利，馮 姍，王為標(biāo)

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

堆石壩防滲薄體面板結(jié)構(gòu)主要有混凝土面板和瀝青混凝土面板2種。防滲薄體心墻結(jié)構(gòu)主要是瀝青混凝土心墻。混凝土面板堆石壩的應(yīng)用比較廣泛，而瀝青混凝土面板防滲工程近年也比較多。瀝青混凝土面板工程在世界上已建350多座，中國已建40多座，特別是在中國的大型抽水蓄能電站水庫得到成功應(yīng)用。自1962年在德國建成世界上第一座瀝青混凝土心墻堆石壩以來，目前已建成的這種壩型近200座。這種壩型具有防滲性可靠、抗震性強、適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)變形能力強等優(yōu)點，目前正在設(shè)計和施工的這種壩型越來越多。Hydropower and Dams期刊[1]提供了各國已建和在建瀝青心墻壩的名冊，國際大壩委員會(ICOLD)[2]、H?eg[3]和王為標(biāo)[4]總結(jié)了該壩型的設(shè)計、施工和運行性能的經(jīng)驗。

1 堆石壩的長期沉陷變形

堆石壩是散粒體結(jié)構(gòu)，在完建后會隨著時間的推移而發(fā)生較大的沉陷變形。這主要有3個方面的原因：一是由于風(fēng)化作用(濕潤作用)使堆石料顆粒棱角破壞、堆石蠕變破壞和和堆石料性能的變化；二是由于水庫蓄水作用和蓄水與泄水往復(fù)循環(huán)的作用；三是地震作用造成的累積沉陷，如“5.12”汶川地震造成156m高的紫坪鋪混凝土面板堆石壩壩頂沉陷達(dá)0.8m。

影響堆石壩壩頂沉陷變形的因素主要有：堆石料的孔隙比、壩高和壩體邊坡、峽谷形狀系數(shù)、堆石料本身的強度、壩體材料分區(qū)、變形模量、堆石料鋪層厚度和灑水量及壓實功大小。峽谷形狀系數(shù)SF定義為壩體上游面的防滲面積除以壩高的平方，即SF=A/H2。

沉陷變形主要靠實際的觀測，或根據(jù)已建同類壩的觀測資料、經(jīng)驗公式和統(tǒng)計分析進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測堆石壩壩頂長期沉陷變形的計算模型也是基于已建工程的觀測資料，有巖石老化離散模型、長期性能的離散蠕變模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

Clements調(diào)查了68座堆石壩實際工程的壩頂沉陷變形資料，形成經(jīng)驗公式：

S=aHb

(1)

式中，S—壩頂沉陷變形，m；H—壩高，m；對于水庫初次蓄水，a=0.0002，b=1.1；壩體完建和運行10年后，a=0.0000014，b=2.6。

國際大壩委員會(ICOLD)于1993年給出了不同面板堆石壩在水庫初次蓄水和運行10年的觀測和預(yù)測壩頂沉陷變形之間的關(guān)系見表1。壩頂沉降變形的預(yù)測是按照簡化的Soydemir和Kjaernsli公式計算的(S=aHb)。

表1 觀測的沉陷變形(Sobs)和預(yù)測值(Spred)

表1表明，對于采用拋填堆石建成的面板堆石壩，預(yù)測值與觀測值相當(dāng)；而對于采用碾壓堆石建成的面板堆石壩，其預(yù)測值比觀測值大3～4倍。

H?eg在研究建在基巖基礎(chǔ)上堆石壩壩頂沉陷觀測值與時間的關(guān)系后表明，1970年以前建的堆石壩，運行10年壩頂沉陷為壩高的0.5%～1.1%；而1970年以后建的大多數(shù)堆石壩，運行10年壩頂沉陷僅為壩高的0.12%～0.34%。這主要原因是由于現(xiàn)代筑壩碾壓設(shè)備和技術(shù)有了很大提高，壩體碾壓密實，壩頂沉陷顯著減小。

Hunter和Fell根據(jù)6個國家35個面板堆石壩可靠的觀測資料和堆石料性能數(shù)據(jù)，研究了水庫初次蓄水、堆石料自身強度和壩高對壩頂沉陷變形的影響，表明水庫初次蓄水引起的壩頂沉陷變形約占到10年總沉陷變形的一半，水庫初次蓄水后的沉陷變形與時間對數(shù)坐標(biāo)成線性關(guān)系。結(jié)果也表明壩越高，壩頂沉陷變形率越大。對于同等壩高50～150m，碾壓中、高強度堆石的堆石壩壩頂沉陷變形是碾壓砂礫石、碾壓很高強度堆石的堆石壩壩頂沉陷變形的2～5倍。堆石料本身強度對壩頂沉陷變形的影響顯著，而且壩越高，影響也線性增大。

Yong-Seong Kim和Byung-Tak Kim采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANN)預(yù)測面板堆石壩的相對壩頂沉陷變形(RCS)。相對壩頂沉陷變形是指壩頂沉陷變形減去由水庫初次蓄水引起壩頂沉陷變形后的變形。他們用水庫初次蓄水后堆石壩運行6年以上的壩頂沉陷變形數(shù)據(jù)，因面板堆石壩壩頂沉陷變形6年后趨近于穩(wěn)定值。他們用21個堆石壩的數(shù)據(jù)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再用別的9個堆石壩的數(shù)據(jù)檢驗?zāi)Ｐ汀ＤＰ涂疾炝?因素，即壩高H、堆石孔隙比e、施工模量Ev和峽谷形狀系數(shù)SF。模型采用了單因素(H)、2因素(H，e)、3因素(H，e，Ev)和4因素(H，e，Ev，SF)。經(jīng)數(shù)據(jù)檢驗比較，3因素模型最好。各因素對壩頂沉陷變形的相對重要性見表2，結(jié)果表明堆石料的孔隙比對壩頂沉陷變形影響最大。

表2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型3因素對壩頂沉陷變形的相對重要性

Kim用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Clements公式(1)、建議公式(S=0.0069H0.655)對9個堆石壩的壩頂相對沉陷變形的預(yù)測值和實際觀測值進(jìn)比較，結(jié)果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法較好。

本文作者采用Kim的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對幾座150m以上的已建的和設(shè)計的面板堆石壩壩頂沉陷變形進(jìn)行了檢驗性計算，結(jié)果見表3。結(jié)果表明，預(yù)測的壩頂相對沉陷變形對于壩高200m以內(nèi)面板堆石壩比較可信。但從擬定的參數(shù)進(jìn)行計算來看，如水布埡壩壩體孔隙比為0.2、施工模量為200MPa，則預(yù)測的壩頂相對沉陷變形為0.33%H，比相同參數(shù)的Salvajing壩和Aquamilpa壩的值明顯偏大；如孔隙比為0.30、施工模量為50MPa，則預(yù)測的壩頂相對沉陷變形為1.35%H，此值大的不大可信。對于320m如美面板堆石壩，無論擬定參數(shù)取高值或低值，預(yù)測的壩頂相對沉陷變形都達(dá)1%H，且參數(shù)高低對壩頂相對沉陷變形沒有多大影響，預(yù)測值也不大可信。究其原因，Kim的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是建立在21個面板堆石壩實際觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，模型所依據(jù)的面板堆石壩的最大壩高是187m(墨西哥的Aquamilpa壩)，模型參數(shù)具有工程局限性。用187m壩高以下的工程觀測資料建立的模型預(yù)測233m水布埡壩和320m如美壩是有局限性的。

表3 采用Kim的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型檢驗幾座高面板堆石壩的壩頂相對沉陷變形

注：*擬定的參數(shù)。

2 堆石壩上游面最大撓曲變形與壩頂?shù)某料葑冃?/h2>

對于面板堆石壩，影響面板防滲和抗裂性能的是堆石壩上游面的撓曲變形。Kjaernsli等對堆石壩上游面最大撓曲變形和壩頂沉陷變形的進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明，水庫初次蓄水引起上游面最大撓曲變形比壩頂沉陷變形大2倍多；工程運行5～10年，上游面最大撓曲變形仍比壩頂沉陷變形大1.5倍左右。

Won和Kim對7座堆石壩在水庫初次蓄水和運行至少10年的面板撓曲變形(垂直于面板)進(jìn)行了統(tǒng)計。結(jié)果表明，面板在初次蓄水和至少10年運行條件下的撓曲變形平均值為壩高的0.22%，其中由初次蓄水引起的撓曲變形占總變形的74%。結(jié)果也表明，當(dāng)壩高低于100m時，面板撓曲變形比壩頂沉陷變形小且隨著壩高增加而接近壩頂沉陷變形；當(dāng)壩高大于100m時，面板撓曲變形比壩頂沉陷變形大且隨著壩高增加而增大，當(dāng)壩高為160m時，面板撓曲變形是壩頂沉陷變形的2倍多。

3 混凝土面板的柔韌性

混凝土面板必須進(jìn)行分塊分縫并依賴板塊之間的柔性連接以適應(yīng)堆石壩的變形。由于堆石壩上游面變形的復(fù)雜性，面板受力變形也具有復(fù)雜性，因而在設(shè)計板塊之間的柔性連接也多種多樣。

面板連接結(jié)構(gòu)一般分4種，第一種是面板和周邊的聯(lián)接，該聯(lián)接一般要在壓力、剪力和彎矩作用下能夠變形且具有防滲性。通常采取3道措施，一是在面板接縫底部設(shè)置銅片止水和瀝青瑪蹄脂或橡膠板和瀝青瑪蹄脂;二是在接縫中部設(shè)置浸瀝青板或橡膠棒;三是在接縫頂部設(shè)三角形槽，槽內(nèi)底部放橡膠棒，槽內(nèi)填充柔性材料，形成半圓形凸頭并用不銹鋼板或橡膠板保護(hù)。第二種是在堆石壩上游面下部中部可能出現(xiàn)應(yīng)力條件復(fù)雜的面板擠壓而設(shè)置的壓縮縫。面板接縫底部一般設(shè)置“W”型銅片止水，接縫中部設(shè)置木板，接縫頂部填充柔性材料。第三種是在堆石壩上游面中部可能出現(xiàn)因壩體沉降使面板受壓而設(shè)置的壓縮縫，接縫形式類似于第二種，接縫頂部設(shè)置三角形槽并填充柔性材料以適應(yīng)面板的受壓彎曲。第四種是在堆石壩壩肩部位可能因中部壩體沉降使該部位面板受拉而設(shè)置的拉伸縫，板塊在接縫處直接接觸，接縫頂部設(shè)置三角形槽并填充柔性材料以適應(yīng)面板的受拉彎曲。

盡管混凝土面板接縫設(shè)計得如此謹(jǐn)慎，但以往的工程經(jīng)驗表明必須對混凝土面板的張開接縫和拉伸裂縫的滲漏要有所準(zhǔn)備，特別是在沿兩岸的周邊縫附近。在很多這種情況下，在水庫上游滲漏部位傾倒粉砂和細(xì)砂(堵縫材料)可顯著降低面板滲漏。而這一防滲堵漏措施已成為混凝土面板堆石壩設(shè)計的一部分。正如上述，混凝土面板堆石壩上游面的撓曲變形隨著壩高的增加而顯著增大，用150m以內(nèi)的工程經(jīng)驗預(yù)測200m級和300m級的變形具有不確定性。工程經(jīng)驗表明，一些位于峽谷中的高混凝土面板堆石壩出現(xiàn)了沒有預(yù)見到的非常大的壓縮和剪切裂縫[5- 7]，如202m高的Campos Novos壩、185m高的Barra Grande壩、165 m高的Mohale壩。178m高的天生橋一級、205m高的巴貢、233m高的水布埡也出現(xiàn)不同程度的裂縫。

為了避免混凝土面板的裂縫，方法主要有2個，一是減小壩體的變形量；二是對接縫材料和結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)行特別設(shè)計。要求高質(zhì)量的堆石料和提高堆石料壓實效果可以減小壩體的變形，但這將增加筑壩成本而降低混凝土面板堆石壩的優(yōu)勢；在堆石壩體完建后預(yù)留蠕變變形期，然后再鋪設(shè)混凝土面板也降低面板裂縫的風(fēng)險，但這會延長工期而延緩工程發(fā)揮效益。面板接縫材料和結(jié)構(gòu)形式的室內(nèi)試驗表明可在高水頭作用下具有較大的柔韌性和防滲性，但混凝土面板裂縫往往是在接縫附近出現(xiàn)或騎縫開裂，如何分縫分塊把剛性的混凝土板和不同的柔性接縫組成防滲整體以適應(yīng)堆石壩上游面復(fù)雜的變形仍是高混凝土面板堆石壩研究的課題。

4 瀝青混凝土面板的柔韌性

瀝青混凝土是柔性的，在0～20℃條件下，拉伸應(yīng)變可達(dá)1%～3%，彎曲應(yīng)變可達(dá)3%～7%；在2℃條件下，彎曲蠕變可達(dá)8%～12%。瀝青混凝土用作防滲面板可以適應(yīng)堆石壩上游面較大的撓曲變形。面板與兩岸岸坡或混凝土齒墻等剛性建筑物可以設(shè)計成滑動接頭。在面板撓曲變形較大的部位，如斜坡與底部齒墻弧形聯(lián)接處和壩基挖填交界處等，在面板防滲層底部設(shè)置加筋網(wǎng)可顯著提高面板的彎曲變形能力。

正是由于瀝青混凝土的柔韌性好、適應(yīng)變形能力大，瀝青混凝土面板在堆石壩，尤其是抽水蓄能電站水庫，得到廣泛應(yīng)用。近年中國在幾個大型抽水蓄能電站水庫成功采用瀝青混凝土面板防滲，如浙江天荒坪上水庫(壩高72m)、河北張河灣上水庫(壩高57m)、山西西龍池上下水庫(上水庫壩高50m、下水庫壩高97m)、河南寶泉上水庫(壩高72m)、內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站上水庫。

與混凝土面板相比，瀝青混凝土面板優(yōu)點是變形能力大，結(jié)構(gòu)簡單，不需分縫分塊，缺點是面板坡度緩(通常緩于1∶1.7)、投資略大。在考慮長期變形和耐久性等綜合條件下，堆石壩采用瀝青混凝土面板具有一定的競爭性。

5 瀝青混凝土心墻的柔韌性

瀝青混凝土用作堆石壩防滲心墻更能適應(yīng)壩體的變形。瀝青混凝土是熱施工，處在堆石壩壩體中間的瀝青混凝土心墻溫度降低在施工期是一個先快后慢的過程。壩體在施工期的沉降變形對在較高溫度條件下具有較大變形能力的瀝青混凝土心墻沒有多大影響。堆石壩完建后，瀝青混凝土心墻受到壩體良好的保護(hù)，環(huán)境影響很小，在各種外界氣溫條件下心墻溫度一般在5～20℃。三軸試驗表明，在這樣的溫度條件下瀝青混凝土在不同圍壓條件下的垂直壓應(yīng)變可達(dá)8%～15%而保持防滲性。

1968年，奧地利的Eberlaste瀝青混凝土心墻壩建在深的可壓縮的覆蓋層基礎(chǔ)上。在施工期間河谷中部基礎(chǔ)沉降達(dá)2.2m，瀝青混凝土心墻沒有滲漏而且至今運行很好。該工程瀝青混凝土心墻經(jīng)受了基礎(chǔ)大沉陷變形的成功考驗為奧地利在1980年建成150m高的Finstertal瀝青混凝土心墻堆石壩(心墻高96m)和在1990年建成85m高的Feistritzbach瀝青混凝土心墻堆石壩提供了很好的工程經(jīng)驗背景。

幾座瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂長期沉陷變形的觀測結(jié)果見表4。中國修建的第一座碾壓式瀝青混凝土心墻壩是甘肅敦煌黨河壩。黨河壩的筑壩材料是戈壁灘砂礫石，因當(dāng)時壓實機(jī)具簡陋，壩體沉陷變形大。而且，心墻瀝青是采用質(zhì)量很差的玉門渣油摻配瀝青。即使在這樣的條件下，黨河壩瀝青混凝土心墻37年來運行良好。由此可見瀝青混凝土心墻是一種很“寬容”的防滲形式。

表4 瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂長期沉陷變形的觀測結(jié)果

瀝青混凝土心墻堆石壩的優(yōu)點之一是水庫蓄水可以和大壩施工同時進(jìn)行。這樣不僅可提前發(fā)揮工程效益，也可使因水庫初次蓄水引起的壩體沉陷變形早期發(fā)生。這樣的工程有三峽茅坪溪、冶勒、Storvatn、Storglomvatn瀝青混凝土心墻堆石壩，這些壩的壩頂長期沉陷變形最大為壩高的0.2%[8- 9]。

瀝青混凝土心墻堆石壩的另一個優(yōu)點是瀝青混凝土心墻具有很好的柔韌性而能適應(yīng)較大的壩體變形，因而堆石壩可以采用較差的堆石料填筑。奧地利的Feistritzbach瀝青混凝土心墻堆石壩在施工時發(fā)現(xiàn)采石場的巖石比原設(shè)計時預(yù)期的質(zhì)量要差得多[10]。這些巖石部分嚴(yán)重風(fēng)化，并在加工過程中易破碎。這些質(zhì)量差的堆石料導(dǎo)致土石壩變形比原估計的變形大兩倍多。表4中所示的挪威Storglomvatn和Holmvatn兩座瀝青混凝土心墻堆石壩，是同一水庫兩個擋水壩。在壩料開采中，石料比設(shè)計時預(yù)期的質(zhì)量更差。為了減少堆石碾壓破碎，初始規(guī)定的15t振動碾換成了較輕的12t振動碾。Storglomvatn堆石壩是在一邊水庫蓄水一邊填筑條件下完建的，壩頂沉陷變形為壩高的0.20%，而Holmvatn堆石壩是在水庫水位以上完建的，壩頂沉陷變形達(dá)壩高的0.95%。觀測表明兩個心墻實質(zhì)上是不透水的，大壩變形和瀝青混凝土心墻性能的反饋分析結(jié)果表明，盡管堆石壩有較大的變形，但大壩性能是非常令人滿意的[4]。

6 結(jié)語

堆石壩在運行中的長期變形大小受許多因素的影響，如堆石料孔隙比、壩高、峽谷形狀系數(shù)、堆石強度、壩體上下游邊坡和材料分區(qū)、施工過程中的鋪筑厚度、壓實功大小和灑水量。

堆石壩可采用高質(zhì)量堆石料和增加壓實效果減小堆石孔隙比而減小堆石壩長期變形。剛性混凝土面板只能依靠面板之間的接縫適應(yīng)壩體變形，因而接縫材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)予充分重視。

瀝青混凝土面板本身是柔性的，能較好地適應(yīng)堆石壩的變形，與混凝土剛性建筑物的接頭應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計。瀝青混凝土心墻能很好地適應(yīng)壩體的變形。瀝青心墻處在大壩中間，缺陷不易監(jiān)測和修補，每施工質(zhì)量必須嚴(yán)格控制。