面板堆石坝若干问题

高面板堆石坝变形控制的若干问题

摘要：目前面板堆石坝的高度已从100m级发展到200m级，由于分期施工，高面板堆石坝的坝体变形性状更加复杂。本文以250m典型高面板坝为例，采用清华非线性K-G模型，分析了高面板坝的一些特殊变形问题，提出：优化施工临时剖面，以防止坝体在施工期出现过大的差异变形而产生裂缝；分期面板的浇筑高程要与堆石体的顶部保持一定的高差，以防止面板与支承堆石体间出现脱空；对高坝、特别是峡谷地区的高面板坝，要注意减少面板的法向变形，以控制坝肩附近周边缝和垂直缝的三向变形。

关键词：高面板堆石坝；填筑期坝体差异变形；施工临时剖面优化；分期面板浇筑高程；垂直缝三向变形

面板堆石坝是一种安全经济的坝型，对地形、地质和气候条件有广泛的适用性，近几十年来得到迅速发展。早期建成的现代面板堆石坝高度多在100m左右，国外几座高坝也大致在150m左右。在修建这些面板坝的基础上，总结了一整套设计、施工的经验[1,2]。随着筑坝技术的提高和发展，目前面板堆石坝已从100m级发展到200m级，甚至达到250m左右。我国目前已完建并投入运行的天生桥一级水电站面板堆石坝的高度为178m，在建的水布垭面板堆石坝的高度达234m.与100m级面板坝相比，大型高面板堆石坝具有一些新的特点[3]。随着坝高的增加，坝体的应力水平高，分区堆石料造成的差异变形也趋于严重；坝体的填筑方量大，施工期长，需要填筑临时施工剖面抵挡2～3次施工期洪水；坝体填筑期内库水位也可能有升有降，使高坝的应力及变形性状更加复杂[4]；此外，高坝常常修建在峡谷地区，岸坡陡峻，地形比较复杂，使坝体的三维效应加剧，这些都使高面板堆石坝的应力和变形性状与低坝相比有明显差别。因此，需对大型高面板坝的变形特点进行研究，本文采用清华非线性解耦K-G模型[5,6]，对典型的250m高面板坝进行有限元分析，以研究高面板堆石坝的一些特殊变形问题。

1 施工临时剖面对坝体变形的影响

100m级的面板坝，一般可以全断面填筑上升(图1)，同时压密，即使需要设置施工临时剖面，其新、老填筑体的高差也不会太大。因而从以往的筑坝实践中形成了一条经验，认为只要施工临时剖面的纵、横向内部坡度满足1∶1.3的条件，则包括主堆石区和次堆石区的坝体剖面，可以在不同时间内填筑到不同高程，而没有任何限制[1]。然而，对于高面板坝，由于填筑方量大和填筑强度的制约，施工时往往要求设置几期施工临时剖面，而且分期填筑的新、老堆石体间的高差往往较大。实践表明，这种分期施工的情况使坝体变形和应力性状都较低坝复杂得多[4]。因此，有必要针对高面板堆石坝的情况，对面板坝施工临时剖面的设计原则重新进行一些探讨。下面以250m级典型高面板坝为例，通过坝体变形分析做一些比较。

图1 全断面填筑(简单型加载)示意

图2 A型分期填筑(复杂加载)示意

250m面板堆石坝的典型剖面如图1、图2所示，代表两种加载过程，图中假定堆石坝体为全断面平起填筑(简单型加载)，面板浇筑完成后蓄水；图2为考虑实际施工条件的分期填筑和蓄水情况(A型复杂加载)，其中堆石体分4期填筑，面板分3期浇筑，在填筑期库水位有升有降，竣工时水库水位达160m.坝体堆石区分为主堆石和次堆石两种材料，以虚线分界(坡度1∶0.3)(图1、图2)，模型参数见表1.大坝在全断面平起填筑(简单型加载)和分期填筑(A型复杂加载)两种加载过程下的变形计算结果见图3～图6所示，其中垂直位移向下为正，水平位移向右为正。

表1 坝料的清华非线性解耦K-G模型参数(天生桥堆石料试验值)

材料 ρd/(g/cm3) KV 主堆石料(灰岩) 次堆石料(砂泥岩)

2.10

250 0.73

0.70

600

1.29

0.65

0.55

1.68

0.04

1.75

0.01

2.04

900 0.90

0.80

2080

1.51

0.55

0.60

1.93

0.03

2.04

0.02

H

m

GS

B

s

d

η0

α

ηu0

β

图3 简单型加载竣工期坝体位移(单位：cm)

图4 简单型加载蓄水期坝体位移(单位：cm)

图5 A型复杂加载竣工期坝体位移(单位：cm)

图6 A型复杂加载蓄水期坝体位移(单位：cm)

从图3及图4可见，在简单型加载的情况下，施工期位移分布有一定的对称性，只是由于下游坝壳填筑料较软，使位移峰值区略偏下游，无论施工期或蓄水期，坝体沉降和水平位移的等值线分布都比较均匀、协调。这些分布性状与通常在100m级面板坝中的计算结果基本一致。这表明，如果填筑方式(加载过程)相似，高坝与低坝的变形相比，只有数值大小的差别，而分布规律基本相同。但如果由于施工拦洪需要而采取了A型复杂加载方式，则将得出图5、图6所示的变形计算结果，其中坝体沉降与简单型加载情况也无明显不同，但水平位移却有不能忽视的显著差别，其特点是，在下游坝坡附近出现了水平位移大值等值线的密集区，而且这些大值等值线沿下游坝坡方向一直延伸到上游坝坡上部。 进一步分析表明，在施工期，由于填筑第8期堆石体，导致在上述部位产生很大的水平位移增量，对比图2和图5(b)、图8(b)可见，这种密集的大值水平位移等值线基本上是沿着新(第8期)、老(第6期)填筑堆石体的分界面(下游坝坡方向)分布。从图2还可看到，第8期填筑体与第6期填筑体的交界面与下游坡平行，而且宽度不大，高度却有120m.这时，如果新填坝料较软，而碾压层又较厚，就可能造成新填堆石体变形较大，而导致新、老填筑体交界面附近产生过大的位移增量的情况，如图8所示。显然，这种过大的位移增量，将导致上游坝壳上部位移增量等值线密集区的差异变形增大而产生裂缝，并恶化了面板的支承条件。

图7 A型复杂加载竣工后蓄水产生的坝体位移增量(单位：cm)

图8 A型复杂加载第8期坝体填筑产生的坝体位移增量(单位：cm)

为了改善这种情况，文中比较了如图9所示的B型复杂加载情况，其主要特点是没有出现A型加载类型中第8期填方区宽度较窄而高差过大的情况。在这种B型加载情况下，计算所得竣工期及蓄水期的坝体沉降最大值分别为309cm和329cm，与A型加载时相比，坝体沉降的最大值和分布规律也没有多大差别(未列图)，但施工期水平位移得到明显改善。从图10、图11可见，无论竣工期和蓄水期，水平位移等值线分布都很均匀，未出现图5和图6中水平位移等值线密集的情况，表明坝体各部位变形比较协调；水平位移的最大值也明显减小。

图9 B型分期填筑过程(复杂加载)示意

此外，图12所示第6期填筑后的坝体水平位移增量仅20cm左右，这就有利于避免施工期堆石填筑体(包括垫层)因过大的差异变形而发生裂缝。由此可见，对于高面板堆石坝，通过优化坝体的施工临时剖面，可以调整施工期坝体位移分布，从而显著改善坝体(包括垫层)的变形性状。

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图10 B型复杂加载竣工期坝体水平位移(单图11 B型复杂加载蓄水期坝体水平位移(单

图12 B型复杂加载第6期坝体填筑产生的坝体增量位移(单位：cm)

2 面板分期浇筑高程控制

如前所述，高面板堆石坝由于受到填筑强度的制约，经常设置2～3个施工临时挡水断面。堆石体的分期填筑，使面板也要相应地按不同高程分期浇筑。显然，这种分期浇筑的面板与低坝中面板的工作条件有很大不同。为了研究分期浇 …… 此处隐藏：5141字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……