水利工程中面板堆石坝的关键技术

摘要： 混凝土面板堆石坝为美国首创，20世纪60年代引入堆石薄层振动碾压技术以后，面板堆石坝有了长足的发展，特别是高坝增长很快，已达到200米量级。虽然与一般的土石坝比较，面板堆石坝有很多的优点，但也存在其特殊性的问题，亦即变形问题，渗透问题和环境的适应问题。 
关键词：堆石坝；变形；流变 
　　1 我国在面板堆石坝方面的研究 
　　我国在混凝土面板堆石坝的材料特性研究、本构关系模型建立和数值计算方面居世界先进水平。面板堆石坝的材料性质与以往有所不同；而刚性的厚度很薄的混凝土面板与堆石料及垫层过渡料之间的接触面及其相互作用是这种坝型的关键技术问题。所以各种接触面的本构关系模型在大量试验的基础上被提出和改进。在数值分析中，面板的应力、变形与开裂等往往是受到最大关注的问题。另一方面，堆石料湿化变形和随时间持续的变形（或称为流变、蠕变性）也被人们所发现和得到重视，因为这可能使面板的工作条件和状态恶化，在本构模型和数值计算中不能不考虑到这一情况。沈珠江在堆石料室内试验的基础上，提出了指数衰减数学模型，并用这一模型计算天了生桥一级面板堆石坝，发现堆石体的流变可显著地加大面板脱空的可能性。 
　　2 土石坝的后期变形――流变与湿化变形 
　　实践表明，在荷载作用下随时间持续堆石料会发生变形，这对于混凝土面板的危害很大，可导致周边缝止水破坏和产生裂缝。这可能是由于堆石中的块石随时间软化而发生破碎、接触点的破损、颗粒的重新排列等原因造成的。由于堆石料的尺寸限制，难以通过传统的室内试验研究其规律和确定其参数。通过长期的原型观测，随后进行参数反分析是实用的手段。目前我国在计算中常常采用基于应力应变速率关系的经验函数型流变模型，如采用指数衰减函数的沈珠江模型，采用双曲函数的王勇和殷宗泽模型等；另一个影响土石坝变形的因素是土的湿化变形问题。堆石材料在初次蓄水时也可由于浸水而发生附加变形，这种变形会引起比较严重的后果。而由于雨水入渗，坝体下游尾水升高也会引起湿化变形，这种变形对于面板堆石坝的危害很大。在数值计算采用的计算模型中，关于湿化变形的测定一般可采用单线法和双线法。同时也建立了一些本构模型和数值分析手段来模拟这种变形。对公伯峡面板堆石坝的实例计算结果表明，湿化变形可以导致坝体的沉降和向下游的水平位移的增加，使面板中的水平向压应力和拉应力增加。 
　　3 面板堆石坝中的接触面问题 
　　对于面板堆石坝，面板的开裂会引起渗漏，因而面板的应力开裂分析、接触问题、面板混凝土材料和施工方法与程序都是重要的问题。在不同材料间的接触面，由于两侧材料性质的差异使两侧存在较大的剪应力和位移不连续。这样在面板堆石坝中，面板与垫层间的接触面常常会发生较大的变形和应力集中，成为薄弱环节。接触面问题的研究包括：接触面试验研究、接触面本构模型和数值计算接触面单元。 
　　4 高寒地区的混凝土面板堆石坝 
　　我国在高寒山区和高纬度严寒地区建成的面板坝将近20座，最早建成的是新疆柯柯亚坝，高41.5米，1986年建成，坝区最低气温达-32.5℃，年温差大于70℃，昼夜温差在20℃以上，要求面板混凝土抗冻标号D200，并在其表面涂以黑色憎水材料，使水面冰盖与坝面间保持1～3厘米的不冻区，在面板下的垫层区采用渗透系数厘2厘米/秒的材料，运行情况良好。在高纬度地区的黑龙江莲花面板坝，高71.8米，年最低温度为-45.2℃，冰层厚度达1.3米，冰期每年达5个月之久，年温差达80℃，日温差达20℃～30℃，运行条件十分恶劣。采取的措施是提高面板混凝土设计标号至300号、S8、D300，降低水灰比，掺引气剂使含气量达4%～6%，同时在面板表面涂一层防护涂料，面板浇筑后越冬时采取可靠的保温措施，避免混凝土早冻。运行中出现的问题是表面塑性止水材料压接用的膨胀螺栓被冰盖拔出，做了不少处理工作。西藏的查龙坝，坝顶高程为4388米，为世界上高程最高的面板坝，高39米，1995年建成，坝区年最低气温达-41.2℃。西藏的楚松面板坝，坝顶高程4190米，情况也极为相似。其他年气温低于-30℃地区的面板坝还有黑泉（高123.5米，-33.1℃）、小山（高86.3米，-40.5℃）、双沟（高109.7米，-37.7℃）、关门山（高58.5米， 37.9℃）、卡浪古尔（高62米，-40.5℃）、小干沟（高55米， 33.6℃）、山口（高40.5米，-44.8℃）、龙首二级（高146.5米，-33℃）、海潮坝（高56米，-31.5℃）等。 
　　综观上述工程，对寒冷地区建造面板坝，应采取的措施有：（1）加强坝体碾压，在冬季不能洒水时，采取减薄层厚，增加碾重和碾压遍数等措施保证压实质量，天暖时坝面连续加水浸润，以增加沉降。（2）提高面板混凝土抗渗抗冻标号，掺高效减水剂和引气剂，尽量降低水灰比（如查龙降到0.35），使含气量达4%～6%，有的达5%～7%。（3）面板表面涂黑色憎水（憎冰）涂料，增加热交换，维持冰面和面板间有一层不冻水。（4）适当增加面板钢筋含量，在水面变动及以上局部区域增设表层温度筋。（5）选择面板混凝土的有利浇筑时机，采取可靠保温措施，避免混凝土早冻。（6）改进表面止水与面板混凝土的联结方式，避免膨胀螺栓为冰盖拔出破坏。 
　　5 高地震区混凝土面板堆石坝 
　　一般认为面板堆石坝的抗震稳定性是好的，但设计上仍要采取一些抗震措施，如坝上部适当放缓坝坡，预留震陷超高、加大坝顶宽度、坝顶坡面采用大块石砌护、加强坝顶刚度（必要时在坝顶附近采用加筋堆石、上下游坝顶挡墙连成整体）等。我国对堆石坝料物的动力试验及动力分析方面研究得比较深入，取得了达到国际先进，部分达到国际领先的成果，对高地震区的面板堆石坝建设有所促进。