超高堆石坝工程设计与技术创新

【摘 要】超高堆石坝经常出现面板受挤压破损、弯曲裂缝以及拉伸裂缝等严重结构性损坏，为改进这种状况，必须做好工程设计和技术创新工作。文章针对天生桥石坝工程进行研究，探究了工程设计的特点与技术。 
【关键词】超高堆石坝；工程设计；技术创新 
　　我国自20世纪中叶起，从建成82.5米到310米高的石坝，证明了我国石坝工程建设的巨大进步。但是，超高堆石坝工程的建设仍存有很多问题。超高面板坝经常受外力挤压和拉伸，造成结构变形。超高堆石坝的设计，必须在原有设计原则的基础上，充分考虑它的特殊性，建立专属的设计原则，解决挤压破坏问题。改进设计方案和设计技术，需要进行大量的系统研究。 
　　一、超高堆石坝工程概况 
　　本文以天生桥一级面板堆石坝为研究对象。坝高178米，坝顶长为1104米，面板面积是17.27万平方米，石坝填筑量为1800万立方米，水库的总容量是102.6亿立方米。右岸的放空隧道与溢洪道构成泄水建筑，泄流量最大分别可达到每秒1766立方米与每秒21750立方米。泄水建筑采用挑流消能加护方式提高稳定性。坝高、面板面积以及坝体体积处于世界前列，给工程设计和施工技术带来巨大挑战。 
　　二、超高堆石坝工程设计 
　　第一，主堆石压缩模量值。控制面板挠度，并减少面板挤压。压应变和坝高的平方呈正相关，和堆石压缩模量呈负相关。当面板的压应变超过混凝土石坝可承受的最大压应变，面板就会出现破损。所以，超高堆石坝面板受挤压变形的可能是存在的。测试天生桥一级坝面板的压应变可知，面板临界压应变为900×10-6，但是垂直缝处应力集中，实际压应变值较高。垂直缝对面板结构的连续性也有一定破坏，使得应力集中现象加剧。在设计时，要充分考虑垂直缝对面板结构的影响。面板的挠度和坝高的平方呈正相关，和堆石坝压缩模量呈负相关。控制面板的稳定挠度不超过临界挠度，就能有效控制面板压应变值。 
　　第二，主堆石区的宽度。为施工方便，一般在坝顶只设主堆石区，在距离坝顶30米以外，设置主次堆石区。因水压力产生的面板挠度，受主堆石区的宽度以及次主堆石的压缩模量比影响。若模量比是0.5，则分界线应设置在坝轴线上，增加主堆石的压缩模量，保障面板挠度不变。当分界线位于坝轴线时，坝体受自身重力影响，主次堆石发生差异沉降，差值与坝高呈正相关。受超高石坝高度影响，堆石顶部的上游面极易受力拉伸产生变形，面板顶部甚至会出现裂缝。例如，在178米高的天生桥一级坝的垫层料部位，就产生了水平方位的拉伸裂缝。它的分界线顶部位于坝轴线上，模量比是0.5。而分界线倾下游1：0.5，模量比是0.2的萨尔瓦欣钠坝却没有出现问题。所以，可以将主堆石区的宽度进行加宽，减轻面板承受的拉伸力。同时，超高堆石坝主次堆石分界线可以采用倾下游的1：0.5。 
　　第三，堆石压缩模量比。控制次主堆石的压缩模量比，可以避免垫层料部位因拉伸产生裂缝。天生桥一级坝的次主堆石区的压缩量分别是22兆帕和45兆帕，模量比是0.49，主次堆石区分界线位于坝轴线上，垫层料出现了拉伸裂缝；而分析辛戈坝可知，它的次主堆石区的压缩量分别为20兆帕和32兆帕，模量比是0.63，垫料层没有出现拉伸裂缝。因此，在设计模量比时，应确定模量比不小于0.65。 
　　第四，蓄水计划。水位升到垫层料裂缝出钱，垫层料停止拉伸，就会避免面板与垫层之间产生摩擦力，从而降低面的出现裂缝的可能。因此，制定科学的蓄水计划，是降低超高堆石坝出现风险的重要手段。 
　　第五，制定科学的堆石预沉降时间。分析实测资料可知，拔钉的徐变沉降量和坝高呈正相关，超高堆石坝的面板在水平方向易出现弯曲裂缝。并且裂缝的产生使其为初期，所以在慢板浇筑之前设定科学的堆石预沉降时间，可以避免面板破损。目前，我国设定的预沉降时间是3到6个月，平均每月沉降5毫米。 
　　第六，渗流控制。要严格控制下游堆石的细料以及细料含量，保障堆石不变形。垫层料粒中要有35%到50%的颗粒粒径小于5毫米，有5%到8%的颗粒粒径小于0.75毫米。为减少细料流失，过渡料和下游堆石中粒径小于5毫米的颗粒含量小于20%；粒径小于0.075毫米的颗粒含量小于5%。 
　　三、技术创新 
　　（一）增强周边缝止水系统的自愈功能 
　　对接缝防渗进行科学研究，分析各种止水材料的性能，全面分析接缝位置的受力情况，通过使用底部铜片、橡胶止水带以及无粘性填料，增强止水系统的自愈功能。铜止水片能承受较大的切向位移，并且在1.3兆帕水压下不发生绕渗。无粘性填料在水流的带动下可以充实周边缝，具有较好的止水功能，并且无粘性填料老化慢，使用周期长。接缝设计需要遵循三项原则：第一，混凝土与止水片的粘结力要超过库水压力；第二，止水片尺寸与接缝位移相匹配；第三，高坝需配备自愈系统。 
　　（二）坝体分期填筑，分期蓄水 
　　在超高堆石坝工程建设完成之前进行分期蓄水，可以对坝体施加预压，有效控制坝体的变形。 
　　（三）创新监测技术 
　　超高堆石坝工程的施工量大，施工难度系数高，需要全面考虑工程自身特点，完善安全监测项目，使用先进的观测仪器，来检测工程的质量。设计初期，在坝体底部埋设水平垂直位移计，测量堆石体的内部位移；在后期，为了观测超高堆石坝工程特有的应以应变与变形，在设计中增加面板脱空观测技术和垫层料坡面裂缝观测技术，选用适宜的观察仪器并进行合理布置；在面板混凝土中埋设钢筋应力计，观测面板的弯矩，对于面板受力机理研究有着重要意义。 
　　（四）在坝基面延伸垫层料与过渡料长度 
　　参照反滤保护的设计原理，将垫层料与过渡料的长度向下游延展0.3H，形成0.3H的坝基面条带，增强地基的抗渗透能力。 
　　四、结语 
　　在建设超高堆石坝工程时，合理运用当地软岩料以及建筑物开挖料，分区设计坝体，实现挖与填的平衡，对于节省工程投资具有重要意义。在进行大坝渗流控制设计时，科学制定垫层料的级配，使用坝基面设置0.3H条带技术提高渗流控制性能。此外，在大坝建设中应用到的分期填筑和分期蓄水手段，既可以实现工程的度汛需求，又能够促进企业经济效益快速提高。