狹窄河谷高面板堆石壩變形控制與結構安全

王建軍，李 卓，方藝翔，畢朝達

(1.寧夏六盤山水務有限公司，寧夏 固原 756000； 2. 南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029；

3.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029)

近些年，我國面板堆石壩筑壩技術發展迅速[1-4]，已建成一批世界級高壩，同時也面臨著優良壩址不斷減少，需在復雜河谷地形和地質條件下筑高壩的難題[5-6]。河谷地形是影響面板堆石壩應力變形的重要因素，寬闊河谷對壩體的約束效應較小，應力分布的三維效應較弱；狹窄河谷對壩體的約束效應強，壩體應力呈現明顯的“拱效應”，該“拱效應”會導致施工期壩體變形較小而后期變形偏大。另外，由于狹窄河谷區壩體與壩基可能存在更強的剪切滑移和變形梯度，對面板和周邊縫變形控制非常不利[7-8]。

20世紀70年代，國外幾座修建在狹窄河谷區的面板堆石壩先后發生了滲漏事故。哥倫比亞1978年建成的Golillas大壩[9]，壩高125.0 m，河谷寬高比僅為0.87。該壩1982年6月開始蓄水，第一階段水位達到1/2壩高前滲漏穩定，但蓄水至2 960 m高程時，滲漏急劇增加至520 L/s。緩慢降低庫水位至2 915 m高程時，滲漏量劇減到32 L/s，檢查發現主要滲漏源位于周邊墻及壩頭巖石的接觸面，并且面板的不均勻沉降導致了面板周邊縫的止水被破壞。哥倫比亞Anchicaya壩也是修建在狹窄河谷上的一座面板堆石壩[9]，壩高140.0 m，河谷寬高比為1.86，水庫于1974年10月19日開始蓄水，蓄水位達到溢洪道堰頂高程634 m時壩體滲漏持續增加，最大漏水量達到1 800 L/s。經過檢查發現，大部分滲漏發生在周邊縫的局部位置，尤以大壩右岸為重。

以上工程案例表明，修建在狹窄河谷區的面板堆石壩由于壩體與地基存在較大的剪切變形梯度，容易引起壩肩與地基接觸部位以及周邊縫的破壞，壩體變形控制顯得至關重要。本文以擬建的狹窄河谷區230 m面板堆石壩為例，系統介紹了狹窄河谷面板堆石壩變形控制技術，并采用三維有限元方法復核了該壩應力變形安全，以期能為同類型工程建設提供參考。

1 工程概況

正在籌劃建設的某水利樞紐工程以調控生態輸水、灌溉補水為主，結合防洪，兼顧發電等綜合利用。推薦壩型為混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位高程2 170.00 m，壩頂高程2 175.50 m，最大壩高約230.5 m，總庫容5.36億m3，為Ⅱ等大(2)型工程。上游壩坡為1∶1.5，下游壩坡上部為1∶1.5，下部為1∶1.4。壩體填筑分區從上游至下游分別為上游蓋重區、上游鋪蓋區、混凝土面板、墊層料區、過渡料區、堆石料區，典型剖面分區如圖1所示。

圖1 大壩典型材料分區(單位：m)

壩料各分區設計如下：①墊層料區，水平寬度5 m，要求最大粒徑Dmax≤80 mm，小于5 mm的含量(質量分數)為35%～55%，小于0.075 mm含量不大于8%，滲透系數為10-2～10-4cm/s，設計孔隙率n≤15%；②過渡料區，水平寬度5 m，Dmax≤150 mm，小于5 mm含量20%～35%，小于0.075 m含量小于5%，級配連續，n≤18%；③堆石區，最大粒徑Dmax≤600 mm，小于5 mm粒徑的顆粒含量不超過20%，小于0.075 mm粒徑的顆粒含量小于5%，n≤18%。墊層料、過渡料、主堆石料均采用P1料場爆破堆石料，主要為志留紀花崗閃長巖、角閃(黑云母)二長花崗巖和英云閃長斑巖，巖石干密度2.47～2.68 g/cm3，自然吸水率0.12%～0.63%，飽和吸水率0.16%～0.72%，飽和抗壓強度42.7～94.2 MPa，軟化系數0.72～0.95，各項指標滿足筑壩要求。

該壩位于狹窄河谷區，河谷寬高比為2.17，尤其是河床部位有深切河槽，非常不利于面板和趾板布置，壩體平面布置如圖1所示。該壩壩高達230.0 m，庫水位為217.00 m，已接近世界第一高水布埡面板堆石壩[10]，但其地形條件較水布埡大壩更為復雜，且地震烈度更高。為了保障大壩結構安全，設計中采取了一系列壩體變形控制措施。

2 狹窄河谷區面板壩變形控制措施

a.河槽區設置混凝土高趾墩。如圖2所示，該壩河床部位存在深切陡峭河槽，面板難以布置。一旦面板向下延伸至建基面必然導致面板寬度突變和陡峭的周邊縫布設，不利于面板和周邊縫結構安全。為了修補地形的缺陷，河槽底部設置一座43 m高重力式高趾墩，頂寬17 m，上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶0.85，頂部設計成趾板形式與混凝土面板連接，高趾墩三維布置如圖3。同時，為了保證高趾墩、混凝土面板、堆石料之間的變形協調，改善面板應力變形狀態以及高趾墩頂部周邊縫的變位，在高趾墩與堆石料之間設置了增模區，并且在高趾墩下游設置干貧混凝土區，如圖1所示。

圖2 趾板展開示意圖(單位：m)

圖3 高趾墩三維布置

b.岸坡增模區以及陡峭岸坡修補區。為了確保堆石與岸坡接觸帶變形均勻，減小陡峻岸坡的不利影響，兩岸堆石體地基在趾板內側到壩軸線范圍出露的高陡壁均采用干貧混凝土修補整形，處理后的坡比不陡于1∶0.3～1∶0.5，壩軸線下游區域也進行處理，保證處理后坡比不陡于1∶0.1～1∶0.3。壩體與兩岸接觸帶設置增模區，以避免壩體與岸坡接觸帶堆石料大顆粒集中，影響填筑質量。壩軸線上游增模區水平厚度設置為3 m，下游增模區水平厚度設置為2 m，如圖4所示。

圖4 大壩岸坡增模區布置

c.面板分塊設計。SL228—2013《混凝土面板堆石壩設計規范》[11]規定混凝土面板豎縫寬度一般為8～16 m。由于狹窄河谷區兩岸面板向河床部位的滑移趨勢更為明顯，為了緩解面板向河床滑移引起的拉應力，對兩岸陡峭岸坡處面板寬度進行縮小，以更好適應變形。具體地，將左岸0+0.0 m～0+120.0 m和右岸0+360.0 m～0+500 m區域面板寬度縮減為6 m，并設拉性豎縫，河床部位面板寬度設為12 m，并設壓性豎縫。

d.周邊縫設計。一般150 m以上的面板壩周邊縫應設底、頂部2道止水，也可設底、中、頂部3道止水[11]，考慮到在周邊縫中部止水可能會影響面板混凝土的振搗密實，所以只設置頂、底2道止水，其中頂部止水采用V形槽口橡膠/PVC棒+波形止水帶+塑性填料止水的結構形式。考慮到該壩鋪蓋頂高程2 045.00 m以上周邊縫因變形過大可能發生剪切破壞，在高程2 045.00～2 082.00 m之間沿周邊縫設置無黏性自愈型填料。

e.合理的預沉降期。為了克服狹窄河谷區大壩拱效應強、后期變形大影響面板澆筑的問題，該工程采用3期面板澆筑，并且Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期面板澆筑前分別設置了3個月、3個月和5個月的預沉降期，保證澆筑面板前壩體沉降速率在允許范圍以內。

3 狹窄河谷區面板壩變形控制有效性復核

3.1 筑壩料力學性質室內試驗

為了評估大壩設計的合理性，本文采用三維有限元方法模擬了該面板堆石壩的應力變形性狀。通過大型三軸壓縮試驗和流變試驗測定了墊層區、過渡區、主堆石、次堆石以及覆蓋層的瞬變、流變特性，得到的壩料“南水”模型[12]參數見表1，壩料流變模型[13]參數見表2。

表1 筑壩材料“南水”模型參數

表2 筑壩材料流變模型參數

3.2 筑壩料與基巖界面特性試驗

堆石區料與岸坡接觸面特性試驗在大型接觸面試驗儀上進行。根據地勘提供的巖層粗糙度曲線，取代表性起伏差值的均值作為在混凝土試塊表面開鑿相應凹槽的深度值，并按照巖層粗糙度曲線的最大起伏數，在混凝土試塊表面均勻開鑿相應數量的凹槽，采用人工增糙的方法模擬現場邊坡的粗糙面。通過大型接觸直剪試驗得到的Duncan和Clough接觸面模型[14]參數：干密度2.17 g/cm3，內摩擦角36.6°，黏聚力70.8 kPa，初始彈性模量系數6 605，孔隙率為0.38，破壞比0.71。

3.3 數值模擬方法

本文建立的230 m級面板堆石壩幾何模型如圖5所示，包括壩體、地基、高趾墩、壩體與地基之間的接觸摩擦單元。面板堆石壩壩體填筑分為7期，面板澆筑分為3期，填筑過程示意如圖6所示，施工期約650 d，計算模擬至蓄水運行后8 a。計算中基巖、高趾墩(C25)、面板(C30)均采用線彈性模型，壩料瞬變模型采用“南水”模型[12]，參數見表1，壩料流變模型參見文獻[13]，參數見表2，止水接縫模擬方法見文獻[15-23]，壩體-地基接觸面采用Goodman單元。

圖5 面板堆石壩幾何模型

圖6 面板堆石壩填筑次序(單位：m)

3.4 施工期壩體變形控制

施工期壩體變形控制主要由面板澆筑期的變形速率控制。本工程中Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期面板澆筑前分別設置3個月、3個月和5個月的預沉降期，用于控制面板澆筑前沉降速率。圖7(a)～(c)分別給出了面板澆筑前堆石頂部結點沉降速率變化過程。可見本工程預沉降期可將沉降率控制在4.6 mm/月、4.9 mm/月和4.9 mm/月，在面板澆筑前，沉降速率均小于5 mm/月，基本滿足面板澆筑要求[16-21]。

圖7 3期面板澆筑前堆石頂部結點沉降率過程線(高程單位：m)

3.5 蓄水、運行期壩體結構性狀

竣工期、滿蓄期、運行期壩體最大沉降分別為183.6 cm、195.0 cm和202.5 cm，最終沉降量約占壩高的0.88%。圖8為計算的河床壩頂結點沉降過程，計算結果表明，在大壩填筑到頂后，隨著水荷載、壩料流變效應的作用，壩頂沉降隨時間不斷增加，并在大壩蓄水運行8 a后變形基本收斂，壩頂最終沉降量為36.6 cm。

圖8 壩頂結點典型沉降過程

本研究考慮了壩體-地基之間的接觸摩擦效應，圖9給出了運行期壩體相對基巖的接觸摩擦位移，可以看出，接觸摩擦變形較大區域位于窄河槽兩岸部位，運行期最大滑移量達到了7.03 cm，可見壩體與地基之間的接觸摩擦變形較為明顯，應在計算中予以考慮。

圖9 運行8 a后壩體-地基接觸摩擦位移矢量分布

圖10為運行期混凝土面板的應力與變形分布。圖10(a)為面板軸向位移分布，可以看出面板在壩軸向位移表現為由兩岸指向河床的擠壓變形，由于該壩位于狹窄河谷使得擠壓效應更為強烈，右岸面板指向左岸位移最大值為5.4 cm，左岸面板指向右岸的最大位移為5.3 cm。圖10(b)為運行期面板撓度，最大值達到了81.6 cm。圖10(c)為運行期面板壩軸向應力分布，可以看出，受水荷載和后期流變效應影響，面板中部發生了較大的壓應力，最大值為17.65 MPa，左右岸面板區域存在一定的拉應力，最大值為1.20 MPa。圖10(d)為面板順坡向應力分布，可以看出，由于低高程部位河谷非常狹窄導致順坡向壓應力最大值發生在河谷地形突變部位，最大值達16.69 MPa，而頂部混凝土面板順坡向應力值較小。從計算結果來看，該工程面板應力在材料允許的強度范圍以內，未發生拉、壓破壞。但兩岸面板的拉應力較大仍需重點關注。

圖10 運行期8 a后混凝土面板應力與變形分布

在蓄水、運行過程中面板周邊縫會發生三向變位，即沿趾板走向的錯動變位、指向壩內的沉陷變位以及周邊縫的張開變形。對于位于狹窄河谷區面板壩來說面板向河床部位滑動引起的周邊縫錯動位移危害最大。表3給出了運行期周邊縫錯動變位分布，結果表明，錯動最大值為32.3mm，位于0+360剖面。該工程中周邊縫止水材料變位控制標準為：張開55 mm、沉陷70 mm、錯動55 mm，可以看出，周邊縫錯動變位仍在材料允許范圍以內。

表3 運行期周邊縫錯動變位分布

本文統計了已建的天生橋一級、洪家渡、水布埡、三板溪、Bakun等一批200 m級面板堆石壩沉降率，平均值約為1.03%，本文堆石壩運行期沉降率約為0.88%，小于已建堆石壩平均值；已建的200 m級面板堆石壩的工后沉降率平均值為0.155%，本文230 m堆石壩壩頂工后沉降率約為0.16%，大于已建壩平均值。可見，狹窄河谷區面板壩變形總量小但后期變形大。

為了驗證工程措施的有效性，本文同時比較分析了壩體內部不設置增模區、膠凝砂礫石區、基礎干貧混凝土區、兩岸岸坡增模區時大壩的應力變形性狀。表4列出了采取增模措施、不采取增模措施下壩體應力變形極值。可以看出，采用增模措施后壩體和防滲體的變形均有減小，增模措施尤其對于面板順坡向應力和周邊縫的變位改善效果明顯。需要指出的是，周邊縫是面板堆石壩的“生命線”，尤其是狹窄河谷區的面板堆石壩，周邊縫變形控制是重中之重，從表4看出，增模措施設置對周邊縫變形改善明顯，達到了增模措施設置的目的。另外可以看出，局部增模區用于改善局部變形，對大壩整體應力變形極值貢獻有限。

表4 采取和不采取增模措施下壩體應力變形極值(運行期)

4 地震期大壩安全評估

大壩抗震設計烈度為9度，設防類別為甲類，取基準期100 a內超越概率為0.02地震動作為設計地震動，地震峰值加速度為411.0 gal。篇幅所限。計算結果表明，設計地震作用下壩軸向、順河向和垂直向反應加速度分別為11.88 m/s2、12.17 m/s2和8.00 m/s2，相應加速度放大倍數分別為2.87、2.94和2.91。壩體軸向、順河向永久變形分別為18.3 cm和52.7 cm，地震引起的面板壩軸向正向、軸向負向、法向增量變形分別為4.2 cm、-3.5 cm和81.7 cm，壩軸向靜動疊加后面板壓應力、拉應力分別為20.11 MPa和5.24 MPa，順坡向靜動疊加后面板壓應力、拉應力分別為19.41 MPa和2.67 MPa，震后周邊縫錯動、沉陷、張開分別為37.0 mm、41.2 mm和20.8 mm，震后豎縫張開為30.4 mm。地震殘余變形是反映土石壩地震安全比較直觀的因素，與汶川地震中的紫坪鋪面板壩相比，設計地震作用下該工程最大震陷比為0.34%，遠小于汶川地震中的紫坪鋪面板壩的震陷率0.64%。地震情況下面板壓應力在C30材料允許范圍內，不會出現壓碎破壞，但左右兩側面板上部壩軸向拉應力以及右側面板頂部順坡向拉應力較大，出現拉裂破壞的可能性較大。震后面板止水接縫變位在允許范圍以內。為保障大壩抗震安全，對地震反應強烈的大壩壩頂采用了土工格柵加固，土工格柵鋪設范圍為2 172～2 110 m高程壩頂及下游壩坡區域，從下游坡起向上游壩體內部延伸，土工格柵沿壩高方向層間距設置為2.4 m。

5 結 論

a.受河谷效應影響，狹窄河谷區面板堆石壩變形總量較小但后期變形大，對面板和周邊縫等防滲體系的應力變形性狀影響尤為不利。

b.狹窄陡峻河谷區面板堆石壩壩體與基巖之間存在不可忽略的接觸變形，該變形可增加周邊縫的不利變位，在實際計算中應予以考慮。

c.數值仿真表明，本文案例中采用的河床高趾墩、岸坡增模區、面板分縫優化、周邊縫特殊設計、合理的預沉降時間等措施，較好地保障了狹窄河谷區大壩的靜、動力結構安全。這些措施可為同類型的面板堆石壩設計、建設提供參考。