面板壩擠壓邊墻

研究生專業(yè)：水工結(jié)構(gòu)工程

面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)方案及300m級(jí)壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)研究2013年8月主要內(nèi)容一、擠壓邊墻技術(shù)的發(fā)展概況二、土石壩應(yīng)力變形計(jì)算的數(shù)值模擬三、300m級(jí)面板壩壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)理念一、擠壓邊墻技術(shù)的發(fā)展概況

面板堆石壩上游坡面擠壓邊墻技術(shù)是在實(shí)踐過程中產(chǎn)生并推廣的一種施工新技術(shù)，于20世紀(jì)90年代在巴西、秘魯?shù)葒?guó)開發(fā)并首次使用。其具體施工方法是：每一層墊層料填筑之前，沿上游坡面壩軸線方向用擠壓邊墻機(jī)做一道半透水的混凝土邊墻，待混凝土凝固后在其內(nèi)側(cè)按設(shè)計(jì)要求鋪填并用振動(dòng)碾平面碾壓大壩墊層料，至本層堆石料碾壓合格后再以同樣的工序進(jìn)行下一層的施工。1.1擠壓邊墻形狀及尺寸

1.2擠壓邊墻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

面板壩上游面?zhèn)鹘y(tǒng)施工方法：在墊層料鋪填時(shí)將其墊層區(qū)上游面超填30cm左右后進(jìn)行水平碾壓，一般壓實(shí)厚度約40cm，待墊層料填筑至一定高度后，用機(jī)械或人工削坡整理，并反復(fù)進(jìn)行斜坡碾壓，最后進(jìn)行削坡、噴砂漿固坡等工序，直至符合混凝土面板澆筑對(duì)墊層區(qū)上游面平整度和密實(shí)度的要求。

擠壓邊墻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①擠壓邊墻技術(shù)施工簡(jiǎn)便，代替了傳統(tǒng)工藝中墊層的超填、削坡、修整、坡面防護(hù)等工序，提高施工進(jìn)度。對(duì)壩體而言，在汛期，擠壓邊墻還提供了一個(gè)臨時(shí)可抵御沖刷的上游坡面，提高了壩體度汛的安全性；②采用擠壓邊墻施工工藝后，墊層料等下游填筑料的碾壓為垂直碾壓，使得上游坡面的密實(shí)度和平整度得以保證目前，我國(guó)已有多座面板堆石壩采用擠壓邊墻施工技術(shù)，表為國(guó)內(nèi)部分采用擠壓邊墻技術(shù)的工程擠壓墻尺寸表。工程名稱上游坡坡比頂寬/cm

下游坡坡比

墻高/cm

公伯峽水電站

1:1.4108:140芭蕉河水電站

1:1.35108:140鯉魚塘水電站

1:1.4128:140下溪水電站

1:1.4108:140水布埡水電站

1:1.4108:140崖羊山水電站

1:1.510-128:140那蘭水電站

1:1.5108:140龍首二級(jí)水電站

1:1.5108:140漢坪嘴水電站

1:1.55108:140多兒水電站

1:1.4108:140擠壓邊墻機(jī)工作圖

1999年在巴西埃塔面板堆石壩建設(shè)中首次使用擠壓邊墻施工方法，2000年，經(jīng)國(guó)際大壩委員會(huì)介紹，2002年我國(guó)黃河公伯峽混凝土面板堆石壩開始使用擠壓邊墻施工技術(shù)。以公伯峽工程為依托，陜西省水電工程局（現(xiàn)中水十五局）借鑒公路工程道沿機(jī)的原理成功研制了邊墻擠壓機(jī)，并經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明運(yùn)行良好后。首次運(yùn)用于公伯峽面板堆石壩。1.3面板與擠壓邊墻間的接觸柔性材料

在擠壓邊墻逐層施工的過程中，各層之間或多或少的會(huì)出現(xiàn)上下錯(cuò)層的現(xiàn)象，這種錯(cuò)層使擠壓邊墻表面不平整，增大擠壓邊墻對(duì)面板的約束。所以，在施工中，嚴(yán)格把控?cái)D壓邊墻的施工質(zhì)量尤為重要。

為了減小擠壓邊墻對(duì)面板的約束，一般會(huì)在擠壓邊墻上游表面做一定處理，工程上常采用的措施：

1.噴涂一定厚度的乳化瀝青（一般厚3mm)；

2.噴涂乳化瀝青與砂的聚合物(三油兩砂）；

3.鋪設(shè)瀝青油氈；

4.鋪設(shè)一層塑料薄膜。容易被破壞1.4擠壓邊墻的結(jié)構(gòu)性能研究擠壓邊墻結(jié)構(gòu)性能的研究主要是通過數(shù)值計(jì)算方法分析擠壓邊墻對(duì)面板及壩體的影響。擠壓邊墻混凝土的要求：低強(qiáng)度、低彈模及半透水，其彈性模量一般在5-7GPa之間。但其與傳統(tǒng)墊層料性質(zhì)的差異，決定其與面板的結(jié)構(gòu)關(guān)系與傳統(tǒng)的面板-墊層有很大差別。在擠壓邊墻逐層施工的過程中，各層之間或多或少的會(huì)出現(xiàn)上下錯(cuò)層的現(xiàn)象，這種錯(cuò)層使擠壓邊墻表面不平整，增大擠壓邊墻對(duì)面板的約束。已經(jīng)采用擠壓邊墻施工技術(shù)的水布埡、公伯峽等面板堆石壩在施工期面板出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的裂縫。中國(guó)工程院院士馬洪琪等在2000年以后修建超高壩的主要經(jīng)驗(yàn)中指出擠壓邊墻施工工藝簡(jiǎn)單，但在墊層料與擠壓邊墻界面處不易壓實(shí)，產(chǎn)生虧坡不易修補(bǔ)，且擠壓邊墻對(duì)面板約束大，即使在擠壓邊墻上游坡面噴乳化瀝青，在綁扎鋼筋時(shí)也遭到嚴(yán)重破壞。國(guó)外也有一些專家有同樣的意見，視擠壓邊墻為裂縫發(fā)生器，對(duì)超高壩，是否使用擠壓邊墻還需慎重。目前，對(duì)擠壓邊墻的計(jì)算分析也較多，得出的結(jié)論基本都是：擠壓邊墻對(duì)堆石體的應(yīng)力變形基本沒有影響，對(duì)面板的應(yīng)力變形有較大改善。得出此結(jié)論的原因可歸結(jié)為：擠壓邊墻混凝土模量較墊層料的模量有較大的提高，且混凝土邊墻可以自由變形，不會(huì)對(duì)面板產(chǎn)生摩擦過大、局部擠壓等不利作用，并且通常有限元幾何模型都是建立在理想模型基礎(chǔ)上的，即擠壓邊墻表面是平整的，不存在實(shí)際施工中存在的錯(cuò)臺(tái)、虧坡或破壞而形成的任何尖角、突變。關(guān)于擠壓邊墻有限元計(jì)算分析存在的問題：

1.擠壓邊墻模型的概化。

（a）擠壓邊墻實(shí)際結(jié)構(gòu)圖（b）簡(jiǎn)化后擠壓邊墻計(jì)算模型

2.擠壓邊墻對(duì)混凝土面板影響。目前，對(duì)擠壓邊墻是否會(huì)引起面板裂縫還沒有定論，對(duì)其進(jìn)行研究很有必要。混凝土面板裂縫分溫度裂縫，結(jié)構(gòu)裂縫，如何在計(jì)算中計(jì)入溫度效應(yīng)，以分離擠壓邊墻對(duì)面板裂縫的影響，并評(píng)價(jià)有擠壓邊墻后面板產(chǎn)生裂縫的可能性。這將是擠壓邊墻研究的一大方向。

擠壓邊墻技術(shù)作為一種施工方法自身是沒有什么問題的，但當(dāng)擠壓邊墻結(jié)構(gòu)作為面板堆石壩的一部分，其對(duì)面板及壩體的影響還有待進(jìn)一步深入研究。二、土石壩應(yīng)力變形計(jì)算的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬：即采用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法預(yù)估壩體的應(yīng)力變形情況，一般計(jì)算結(jié)果包括：變形（豎直沉降、上下游水平位移）等值線圖，應(yīng)力（第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力；對(duì)于面板，面板撓度、面板順坡向應(yīng)力及壩軸向應(yīng)力等值線圖。

數(shù)值模擬主要步驟：

建立壩體幾何模型壩體材料分區(qū)壩體填筑分期及加載過程壩址地形、蓄水過程面板分縫情況計(jì)算有限單元法土體本構(gòu)模型靜力本構(gòu)模型E-B、E-v模型濕化本構(gòu)模型堆石或土體流變本構(gòu)模型動(dòng)力本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果整理分析。包括：文字分析，圖表整理2.1壩體幾何模型的建立

某面板堆石壩典型斷面圖及壩體分期示意圖壩體三維整體網(wǎng)格剖分圖

大壩典型斷面網(wǎng)格剖分圖本構(gòu)模型：指反應(yīng)土體應(yīng)力變形規(guī)律的數(shù)學(xué)方程。目前，有限元計(jì)算中最常用的土體本構(gòu)模型有鄧肯E-B模型、鄧肯E-V模型及南水雙屈服面模型。（a）六面體單元；（b）五面體單元；（c）四面體單元大壩常用三維單元的形式2.2計(jì)算結(jié)果2.2堆石流變變形

土體變形和應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系統(tǒng)稱為土體的流變。它包括：

（1）蠕變：恒定應(yīng)力作用下，變形隨時(shí)間而發(fā)展的現(xiàn)象。（2）應(yīng)力松弛：維持不變形的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象。（3）長(zhǎng)期強(qiáng)度：在長(zhǎng)期荷載作用下土體強(qiáng)度隨受荷歷時(shí)變化的現(xiàn)象。（4）應(yīng)變率效應(yīng)：不同的應(yīng)變或加荷速率下，土體表現(xiàn)出不同的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性。一般情況下一個(gè)地基或土工建筑物蠕變和應(yīng)力松弛等流變現(xiàn)象是相互發(fā)生的，只是單獨(dú)的松弛問題在土工實(shí)際中實(shí)際上遇到的較少，因此，這里所講的流變主要是指蠕變，即“流變”的狹義的含義。堆石流變現(xiàn)象：國(guó)內(nèi)外堆石壩監(jiān)測(cè)資料顯示，壩體建成運(yùn)行后，壩體的變形仍在發(fā)展，且堆石壩的流變變形可持續(xù)幾年甚至十幾年或更長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)堆石壩流變變形一般為壩高的0.1%～0.4%，但有些壩的流變變形較大，超過壩高的1%，最大達(dá)3.8%，如土耳其184m高的Ataturk壩工后壩頂沉降達(dá)2.5m，壩內(nèi)最大沉降變形達(dá)7m。壩越高，流變現(xiàn)象越明顯，流變變形對(duì)壩體的影響更顯著。堆石流變附加變形會(huì)對(duì)壩體的防滲系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，對(duì)心墻壩，會(huì)使心墻產(chǎn)生裂縫或水力劈裂，對(duì)面板壩，會(huì)使面板脫空或破壞。堆石流變產(chǎn)生的原因：(1)顆粒本身的流變，其量值是相當(dāng)小的；(2)顆粒接觸點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)或破壞，堆石料的塊體間接觸是不均勻的，它容易引起顆粒間的錯(cuò)動(dòng)或顆粒本身的破壞，一個(gè)顆粒錯(cuò)動(dòng)或破壞的影響會(huì)向相鄰顆粒傳遞，這種輻射作用使得堆石體的變形一直在發(fā)展，直到其達(dá)到新的穩(wěn)定平衡位置;(3)顆粒接觸點(diǎn)的侵蝕，在野外，雨水作用、干濕循環(huán)、大氣氧化等作用使顆粒接觸點(diǎn)處的摩擦力降低，原本穩(wěn)定的顆粒產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移，帶動(dòng)相鄰顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為變形；(4)荷載的周期變化、反復(fù)增減(如水位的反復(fù)升降），引起堆石料的塑性變形。目前，對(duì)堆石流變機(jī)理比較統(tǒng)一的說法是：堆石料受力變形過程中不斷地進(jìn)行顆粒裂縫擴(kuò)展－破碎－重排－應(yīng)力調(diào)整過程。2.3堆石料濕化變形

在土石壩建設(shè)或運(yùn)行過程中，水庫蓄水、水位上下波動(dòng)，雨水侵入壩體等，都會(huì)使堆石料浸水（濕化）產(chǎn)生變形，從而引起壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變。壩體正常運(yùn)行后，心墻壩的上游堆石大部分浸入水中，所以，濕化變形對(duì)心墻壩的影響較明顯。濕化變形往往使壩頂發(fā)生橫向伸長(zhǎng)變形從而造成縱向裂縫，輕者使壩頂產(chǎn)生濕陷裂縫，重者會(huì)造壩肩等重要部位產(chǎn)生深度裂縫，甚至形成滲透通道，威脅壩體安全。

對(duì)混凝土面板堆石壩，后部堆石體在面板的保護(hù)下大多處于干燥狀態(tài)，濕化變形對(duì)其影響較小。三、300m級(jí)面板壩壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)理念

壩體斷面和堆石體材料分區(qū)在現(xiàn)代面板堆石壩的設(shè)計(jì)中已基本趨于標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)Cooke和Sherard于1987年提出的混凝土面板堆石壩壩體分區(qū)命名規(guī)則。問題的提出：我國(guó)正在規(guī)劃建設(shè)或設(shè)計(jì)一批300m級(jí)的高土石壩。如西藏的如美土石壩，最大壩高315m，云南怒江馬吉面板堆石壩，最大壩高277.5m，四川省甘孜康定縣內(nèi)的長(zhǎng)河壩礫石土心墻壩，最大壩高240m，四川省甘孜州的兩河口粘土心墻壩，最大壩高292m。壩體越高，壩體的變形越大，堆石體的應(yīng)力水平也越高，堆石流變現(xiàn)象也越明顯。因此，高土石壩對(duì)筑壩材料、壩體設(shè)計(jì)以及施工技術(shù)有了更加嚴(yán)格的要求。（1）1A區(qū)：位于面板底部，主要作用為封堵面板底部任何可能的裂縫及周邊縫的張開。它可以起到輔助防滲的作用。（2）2A區(qū)：緊靠在周邊縫的下游側(cè)，主要功能為對(duì)面板上游面鋪設(shè)的細(xì)粒料起反濾保護(hù)作用。同時(shí)，也可以起到減少周邊縫的變形作用。（3）2B區(qū)：為面板的墊層區(qū)，為混凝土面板提供均勻的支撐，具有較低的滲透性，以控制壩體的滲流，起到壩體防滲第二道防線的作用。（4）3A區(qū)：為2B區(qū)與壩體主堆石區(qū)的過渡區(qū)。（5）3B區(qū)：壩體的主堆石區(qū)，包含了壩體上游大部分堆石，它是支承面板的主體，一般采用較好的堆石。（6）3C區(qū)：壩體的下游堆石區(qū)，位于壩體下游的外側(cè)。這部分堆石對(duì)壓實(shí)的要求相對(duì)較低，但一般要求具有較好的排水性能。

3.1200m級(jí)壩體分區(qū)設(shè)計(jì)國(guó)外的一些工程傾向于將次堆石的區(qū)域擴(kuò)大至“死區(qū)”的上游側(cè)，以擴(kuò)大次堆石區(qū)的范圍。

巴西Itapebi（伊泰普）壩體分區(qū)圖（壩高121.0m)巴西BarraGrande（巴拉格蘭德）壩體分區(qū)圖（壩高185.0m),主、次堆石區(qū)分界線坡度1:0.5巴西CamposNovos（坎潑斯諾沃斯）壩體分區(qū)圖（壩高202.0m)墨西哥Aguamilpa（阿瓜密爾帕）壩體分區(qū)圖（壩高187.0m)

國(guó)內(nèi)的一些工程傾向于將主堆石的區(qū)域擴(kuò)大至“死區(qū)”的下游側(cè)，以擴(kuò)大主堆石區(qū)的范圍。如：水布埡壩體分區(qū)圖紫坪鋪壩體分區(qū)圖三板溪壩體分區(qū)圖三板溪壩體分區(qū)圖3.2200m級(jí)面板壩運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

近年來，國(guó)內(nèi)外一批200m級(jí)高混凝土面板堆石壩相繼建成，國(guó)內(nèi)外壩工界對(duì)于高混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性的認(rèn)識(shí)也不斷深入，在這些工程實(shí)踐中，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。如：

1990年建成的巴西阿里埃面板堆石壩，壩高160m，建成后運(yùn)行良好，第一次蓄滿水面板撓度69.0cm，面板最大壓應(yīng)變（水平向）0.007，是面板壩的里程碑。

墨西哥的阿瓜密爾帕面板堆石壩，1995年建成，高187m，該壩蓄水至218.8m高程時(shí)漏水量突然增大。在距離面板頂部約30m的202.0m高程附近發(fā)現(xiàn)很多細(xì)而密的水平彎曲裂縫，距頂部50m出現(xiàn)一條較寬的水平拉伸裂縫，長(zhǎng)度160m，最大縫寬15mm。

巴西BarraGrande（巴拉格蘭德）面板堆石壩、巴西CamposNovos（坎潑斯諾沃斯）面板堆石壩在運(yùn)行后均發(fā)生了面板擠壓破壞。我國(guó)貴州省南盤江天生橋一級(jí)面板堆石壩，2000年建成。壩高178m，施工期間期間上下游堆石高