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混凝土面板堆石坝工程实践的启迪
发布时间:2022年06月02日


20 世纪 90 年代以来国内外相继建造了一批高混凝土面板堆石坝,这些高混凝土面板堆石坝出现了问题,概括为以下内容[5~9]

垫层区裂缝

天生桥一级坝(坝高 178 m)、辛戈坝 (坝高 140 m)垫层区都产生斜向裂缝,天生桥一级坝斜向裂缝长 5 ~ 40 m,最大缝宽 27 mm;辛戈坝斜向裂缝最大缝宽 56 mm,错位 16 mm,天生桥一级坝垫层区还产生水平裂缝,最大缝长 60 m,最大缝宽 180 mm。

面板脱空

天生桥一级坝一期、二期和三期面板顶部都存在严重脱空,一、二期面板有 85 % 面板脱空,三期面板有 52 % 面板脱空,最大脱空深度(沿面板斜长)10 m,最大脱空高度 15 cm 。

面板裂缝

天生桥一级坝 1997 - 2000 年 7 次检查面板裂缝,共发现水平状裂缝 1296 条,最大缝宽 4 mm,裂缝深度 10 ~ 34 cm;2002 年检查三期面板裂缝,又发现水平状裂缝 4537 条,缝宽大于 0.3 mm 的裂缝有80 条,裂缝最大深度 41.7 cm,已贯穿面板厚度。面板裂缝发生部位与面板脱空部位基本一致。阿瓜密尔帕坝(坝高 187 m)1997 年在高程 198 ~ 202 m、高程 180 、145 、120 、94 m 和 70 m 的面板上都发现水平状裂缝和斜向裂缝,其中 180 m 高程水平裂缝贯穿了 14 块面板,最大缝宽 15 mm,导致出现严重渗漏。伊塔坝(坝高 125 m)2000 年在周边缝上方 8 ~ 15 m 的 15 块面板都发现水平状裂缝,缝宽 7 mm,渗漏量从 160 L / s 增加到 1 700 L / s 。

面板垂直缝两侧混凝土挤压破坏

2003 年 7 月天生桥一级坝河谷中央垂直缝两侧 L3 面板和 L4 面板混凝土挤压破坏,挤压破坏区域是从三期面板顶部延伸到其底部,长约 55 m,宽约 3.5 m,最大深度 30 cm 。修补后 2004 年 5 月该区域面板又挤压破坏,挤压破坏区向下又延伸了38 m,宽度达到 6 m,部分可见止水铜片翼片外露。

莫海尔坝(坝高 145 m)2006 年 2 月首次蓄水时河谷中央面板垂直缝两侧 L17 和 L18 面板混凝土挤压破坏,两侧面板超叠 120 mm,错台 75 mm,渗漏量达 600 L / s。

巴拉· 格兰特坝(坝高 185 m)2005 年 9 月河谷中央面板垂直缝两侧第 19 块与第 20 块面板混凝土挤压破坏,挤压破坏区域从二期面板顶部延伸到其底部,使渗漏量增至 428 L / s。修复后 2005 年 11 月至 2006 年 1 月再次蓄水,渗漏量从 830 L / s 增至 1284 L / s,两次在破坏区铺洒粉砂处理渗漏,但渗漏量仍达到 1 000 L / s 。

坎普斯· 诺沃斯坝(坝高 202 m)2005 年 10 月首次蓄水时发现河谷中央垂直缝两侧第 16 块和第 17 块面板混凝土挤压破坏,挤压破坏区域从三期面板顶部延伸到水下,渗漏量 450 L / s 。2006 年 2 月渗漏量增至 1300 L / s,在破坏区铺洒粉砂处理渗漏,渗漏量减小至 848 L / s,4 月 4 日库水位上升,渗漏量又达到 1 294 L / s,2006 年 6 月放空水库,对面板混凝土挤压破坏区进行修复。

严重渗漏

除上述巴拉· 格兰特坝和坎普斯· 诺沃斯坝因垂直缝两侧混凝土挤压破坏造成严重渗漏以外,还有多座面板堆石坝出现严重渗漏,如表 1 所示。

表1 面板堆石坝严重渗漏

Table1 Serious seepage of concrete face rockfill dams

溃坝

500 多座混凝土面板堆石坝只有沟后混凝土面板砂砾石坝一座溃决,该坝高 70 m,1990 年 10 月建成, 1993 年 8 月 27 日约 22 时 40 分溃决。现场调查发现:1993 年 7 月下旬库水位从 3261 m 逐渐上升至 8 月 27 日 12 时的 3277 m,下游坝坡多处出渗和流水,13 时 30 分库水位超过防浪墙底面约 20 mm,坝底和坝顶处大面积流水。20 时下游坝坡大面积出渗与流水。下游坝坡出渗和流水示意图见图 2[10]

图2 沟后坝下游坝坡出渗和流水情况示意图

Fig.2 Outward seepage zones and water running zones on downstream slope of Gouhou Dam

笔者自 2002 年以来一直关注这些问题,分析概括其产生原因如下[5~8]

1) 主堆石区变形模量高、下游堆石区变形模量低、坝体变形不协调是导致垫层区裂缝、面板脱空和面板裂缝的主要原因。从原型观测资料得出阿瓜密尔帕坝主堆石区和下游堆石区的变形模量分别为 260 MPa 和 47 MPa,两者相差 5.5 倍。天生桥一级坝筑坝材料室内试验值和从原型观测资料反演分析得到的坝体各分区模量系数  值分别是:主堆石区(灰岩料)940(试验值)和 369(反演分析值),下游堆石区(灰岩料)720 (试验值) 和 269 (反演分析值),下游堆石区(砂泥岩料)500(试验值) 和 246(反演分析值)。两者相差 1.9 倍。

阿瓜密尔帕坝填筑竣工后实测的 9 个月坝体沉降增量等值线见图 3 。从图 3 可以看出下游坝体沉降明显大于上游坝体,上游坝体向下游位移,导致面板发生严重挠曲,正如实测的面板法向位移所示(见图 4),从而面板产生水平状挠曲应力裂缝。

图3 阿瓜密尔帕坝 1993 年 6 月 26 日至 1994 年 3 月 23 日坝体沉降增量等值线

Fig.3 Isolines of settlement increment of Aguamilpa Dam from June 26,1993 to March 23,1994

图4 阿瓜密尔帕坝第 18 块面板法向位移

Fig.4 Normal displacement of face slab No.18 of Aguamilpa Dam

天生桥一级坝 0 + 438 m、0 + 630 m 和 0 + 918 m3 个断面垫层区测点测得的 1999 年全年(或半年)的沉降增量为 10 ~ 36 cm,向下游水平位移增量为 4 ~ 15 cm,说明垫层区已脱开面板,面板发生严重挠曲,导致面板产生数千条水平状挠曲应力裂缝。

从两座高混凝土面板堆石坝的性状分析可以看出:以往经验设计的观点——“绝大部分水荷载是通过坝轴线以上坝体传到地基中去的。……而愈往下游堆石体对面板变形的影响则愈小,故坝料的变形模量可以从上游到下游递减”是不全面的,这也是造成垫层裂缝、面板脱空和面板裂缝的原因。为此笔者提出坝体分区设计必须遵循变形协调原则,要做到坝体各区的变形协调以及坝体变形与面板变形之间的同步协调[8]

图 1 为 J . B . Cooke 提出的高 244 m 的混凝土面板堆石坝分区,从上游到下游坝体各区的筑坝材料、填筑层厚和变形模量的要求是越来越低,第 5 区(下游底部堆石区)甚至可以采用抛填堆石[1]。假若他分析了 20 世纪 90 年代后建造的高混凝土面板堆石坝产生垫层裂缝、面板脱空和面板裂缝的原因,他也会认为以前提出的高坝坝体分区是不合理的。

2) 坝体变形对面板的作用是导致河谷中央垂直缝两侧面板混凝土挤压破坏的主要原因。堆石坝体某点的变形取决于该点代表的可变形坝体的几何尺寸和变形特性及其该点上作用的荷载——上覆坝体自重和面板传递来的水荷载。因此在填筑施工期坝体在坝轴线方向的变形是朝着河谷中央;蓄水期在水荷载作用下、坝体朝着河谷中央坝轴线方向的变形继续增加。

面板是位于坝体上一块刚度高几个数量级的混凝土板,坝体朝着河谷中央的变形(莫海尔坝实测坝顶朝向河谷中央的位移达 100 mm),必然在两者之间的接触面产生相当大的朝着河谷中央的摩擦力,从而使得靠近两岸坝肩面板的坝轴向方向应力为拉应力、而河谷中央面板的坝轴向应力为压应力,莫海尔坝实测挤压破坏区面板压应变 650 × 10-6,压应力 24 MPa,当压应力超过面板混凝土的强度(C25 和 C30 混凝土抗压强度是 17 MPa 和 20 MPa),则使其破坏。因此坝体变形对面板的作用是导致河谷中央垂直缝两侧面板混凝土挤压破坏的主要原因。

3) 面板挤压破坏、面板裂缝、垫层料冲蚀甚至面板坍塌以及接缝止水损坏是导致严重渗漏的主要原因。 采用 J. L. Shrard 建议的经验级配垫层料、单纯依靠在面板上铺撒粉质砂土,期望着用淤堵方法来根本解决渗漏问题几乎不成功,渗流作用下经验设计垫层料并非都是稳定,而且不能完全自愈。

4) 库水进入坝体,坝体浸润线抬高,砂砾石坝体饱和、产生湿陷变形并且抗剪强度降低,坝顶部分坝体失去稳定,最终导致沟后面板砂砾石坝溃决。溃坝后在筑坝材料的强度与渗流试验的基础上,下游坝坡稳定性可靠度分析表明:在下游坝坡渗流出逸点在 3243 m 高程时失稳概率接近 100 %;当渗流量大于 0.4 m/ s 时失稳概率接近 100 % 。这说明在较严重的渗流作用下堆石坝体或砂砾石坝体可能失去稳定。