探究300m級澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩設計

探究300m級澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩設計問題的提出我國西部有著豐富的水能資源， 在大江大河上、高山峽谷區(qū)以及相對偏遠地區(qū)開發(fā)水電資源，需要修建300m級(壩高在250m以上)的特高壩，以形成龍頭水庫來提高流域梯級電站的補償調節(jié)性能和提高電能質量。但由于大江大河的上游一般都位于經濟相對落后、 交通閉塞的高寒山區(qū)，受對外交通條件、地形地質條件以及筑壩材料等因素的制約，使得混凝土面板堆石壩成為最具有競爭力的首選壩型。目前，因不能把握300m級特高面板堆石壩的工程特性以及關鍵技術問題和運行特性，使得在壩型選擇時不能直接選擇面板堆石壩方案，而選擇外來建材運輸量大、造價高的混凝土壩或體積大且占用耕地多、對環(huán)境和水土保持易造成不利影響的心墻堆石壩方案，有的工程在近壩區(qū)甚至沒有可用的防滲土料，這使得待建水電站的經濟指標競爭力降低，因此，未來我國水電站的建設迫切需要在300m級特高面板堆石壩技術上有所突破。當前，我國設計和建造200m級(壩高在 150～250m 范圍)超高混凝土面板堆石壩的技術已經成熟。工程建設和運行實踐表明，

與

100m

級(

壩高在

70～150m

范圍)

的高混凝土面板堆石壩相比，

200m

級超高混凝土面板堆石壩具有一些新的特點，

主要表現(xiàn)在

:①由于壩高增加，

使得壩體的應力水平較高，造成分區(qū)堆石料變形差異趨于嚴重;②壩體工程量大，施工周期長，需要填筑臨時剖面來抵擋施工期洪水，甚至有可能要求在堆石體上過流;③建于窄狹河谷中的特高面板堆石壩，其堆石體存在著拱效應，使壩體的三維效應加劇，在施工期、運行初期其應力和變形性狀明顯有別于 100m 級面板堆石壩;④堆石體流變變形的存在， 使得200m 級面板堆石壩后期壩體變形量較大，對防滲體系的應力、變形性態(tài)起著主導作用， 是面板及趾板等防滲結構最大的安全隱患。200m級混凝土面板堆石壩表現(xiàn)出的上述性態(tài)，在300m級混凝土面板堆石壩上將會體現(xiàn)的更加明顯、突出。因此，為了打破混凝土面板堆石壩向300m級壩高發(fā)展的關鍵瓶頸，必須在筑壩材料、壩體結構形式和施工技術方面尋求新的突破、創(chuàng)新。施工方式和筑壩材料的改進是大壩建設技術進步的關鍵，在筑壩材料方面尋求改進或變革，是突破300m級面板堆石壩筑壩技術瓶頸的研究重點。膠凝堆石料，即水泥膠結堆石料(Cementenrichedrockfill，歐美稱為Hardfill、日本稱為CSG)，以其獨具有的工程特殊性能，使其成為300m級特高面板堆石壩理想的筑壩材料。而澆筑式瀝青混凝土面板可以有效克服鋼筋混凝土面板在特高壩方面表現(xiàn)出的不足，以其良好的防滲性能和適應變形能力，與以膠凝堆石料為主材填筑的堆石壩體組合，構成300m級面板堆石壩的完美結構形式。根據其筑壩材料的特點，這種壩型可稱為“澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩”。2Hardfill 壩及Hardfill 材料的工程特性Hardfill 材料是一種新型的筑壩材料， 其基本特點是①利用在壩址附近易于得到的河床砂卵石或開挖棄渣料等材料， 在其中加入水和少量水泥經碾壓而成的一種低強度 (相對于混凝土來講)材料;②其材料性質具有較大的離散性， 因為其性能隨骨料級配、水泥用量、單位用水量的不同而不同 ;③基本上不進行骨料級配調整， 也無需清洗骨料， 因此，生產方便、價格低廉。Hardfill壩是一種新壩型，自1993年在希臘建成世界第一座Hardfill材料壩Marathia壩(壩高25m)以來，2005年在土耳其建成的Cindere壩(壩高107m)是目前世界上最高的Hardfill 壩。日本自20世紀90年代開始大力研究和開發(fā)具有自身特點的Hardfill 壩，并稱為 CSG(CementedSandGravel) ，目前已建成多座CSG壩，其中壩高62m 的Honmyogawa壩為建成的最大壩高。在我國， Hardfill 壩的應用開始于 2004年，已建成的最大壩高為50m，是2009 年在云南瀾滄江功果橋水電站上游圍堰采用的膠凝砂礫石圍堰工程。截至目前， 我國尚無在主體工程上采用 Hardfill 壩(或CSG壩)的先例。Hardfill 壩的壩體斷面為上、下游對稱或基本對稱的梯形斷面，其體形介于重力壩和面板堆石壩之間， 上、下游壩坡可根據具體工程的壩基條件、壩高以及筑壩材料的性能等因素來確定， 一般在 1∶5～1∶0.8之間，壩體防滲由上游防滲面板來承擔。大壩壩體按堆石壩施工工藝進行薄層碾壓填筑，施工效率高，投資省。泄洪設施可布置在壩身， 不需要在河岸開鑿溢洪道或泄洪隧洞。施工期允許壩身過水，便于施工導流。 Hardfill 壩典型剖面見圖 1。Hardfill 材料具有類似于貧碾壓混凝土的一些性質， 但又有其自身的特性。在力學性能方面表現(xiàn)為:①應力-應變關系。Hardfill材料是一種典型的彈塑性材料，具有彈性區(qū)域和塑性區(qū)域，拉伸性很強，是處于混凝土和堆石料之間的過渡材料，其強度和變形模量低于混凝土，但大大高于堆石料，Hardfill材料的變形模量大約是碾壓堆石的10～100倍。②強度方面。Hardfill材料具有類似混凝土材料的性質，即強度隨齡期增長，齡期越長，強度越大，同時也具有一定的抗拉強度(約為碾壓混凝土的1/2～1/4)，拉壓比在1/10左右，與混凝土相近。③骨料組成方面。Hardfill材料不進行骨料級配調整，但由于它比碾壓混凝土有更大的離散性，通常需要嚴格控制粗骨料的含量，骨料最大粒徑不宜大于80mm。④水泥用量和用水量方面。水泥用量是決定Hardfill材料強度的主要因素，水泥用量越多，Hardfill材料的彈性模量越高，這和常規(guī)混凝土的力學性能是一致的，在相同水泥用量情況下，只有選用最優(yōu)用水量才能使Hardfill材料達到最高強度，低于最優(yōu)用水量，雖然水灰比減小，但Hardfill材料存在很多空隙，彈性模量依然較低，Hardfill材料水泥用量一般為40～80kg/m3，水灰比應在0.8～1.2之間。Hardfill 材料的工程物理性能表現(xiàn)為 :①滲透性能。Hardfill 材料具有較大的滲透性， 滲透系數可達10-3～10-5cm/s ，而一般常態(tài)混凝土滲透系數在 10-10cm/s 量級，故Hardfill 材料可以達到自由排水的效果。②抗溶蝕性。在壓力水長期滲透作用下，Hardfill材料的強度會有較大的下降(降幅達20%～30%)。③熱力學性能。水泥摻量在50～60kg/m3的Hardfill材料，強度可達到5MPa(90d齡期)，彈性模量約為2GPa(是一般混凝土的1/10左右)，產生的絕熱溫升約為8～10℃，產生的溫度應力約為碾壓混凝土重力壩的1/15～1/20，故其自身的抗拉強度足以抵御其溫度應力，不用設置伸縮縫。④施工。Hardfill壩可以像堆石壩一樣全斷面快速碾壓施工，施工期可以允許壩身過水。澆筑式瀝青混凝土面板面板是面板堆石壩主要的防滲結構，采用常規(guī)堆石料修建的200m 級鋼筋混凝土面板堆石壩， 由于堆石體流變變形的存在， 使壩體在施工期和運行期較長時段內存在不均勻沉降變形，導致鋼筋混凝土面板因不能適應超高面板壩壩體變形而出現(xiàn)擠壓、開裂、錯斷等破壞形式，因此，鋼筋混凝土面板應用于300m級特高面板堆石壩有其自身難以克服的缺點。澆筑式瀝青混凝土面板由于具有較好的柔韌性和優(yōu)良的防滲性能，可以適應特高面板堆石壩的變形，可以人工澆筑，不需要機械碾壓，可以在-20～-30℃下澆筑，對于修建在寒冷地區(qū)、又需冬季施工、壩體變形較大的特高面板堆石壩特別適合。所以，澆筑式瀝青混凝土面板是300m級面板堆石壩理想的面板結構形式。瀝青混凝土面板按施工方式分為碾壓式和澆筑式。根據國內外工程經驗，瀝青混凝土面板堆石壩的上游壩坡多是從施工便利角度出發(fā)來考慮，以滿足施工人員的工作安全和攤鋪、碾壓機械的作業(yè)效果為前提條件，碾壓式瀝青混凝土面板目前多用于抽水蓄能電站的上池庫盆防滲，且壩坡多緩于1∶1.7。由于多數面板堆石壩的上游壩坡采用1∶1.4，Hardfill壩的上游壩坡一般都陡于1∶1，因此，較陡的壩坡面不便于碾壓式瀝青混凝土面板的攤鋪、碾壓作業(yè)，從而限制了碾壓式瀝青混凝土面板的使用，但澆筑式瀝青混凝土面板由于采用了澆筑方式進行施工，對于陡邊坡或直立面都適合采用。從已建成的工程統(tǒng)計資料來看，瀝青混凝土面板堆石壩壩高絕大多數在70m以下，且多采用碾壓式瀝青混凝土，在壩高大于100m的高面板壩上目前還缺乏成熟的應用經驗。澆筑式瀝青混凝土面板由護面板和瀝青混凝土防滲層組成。護面板按鋼筋混凝土預制構件設計，要求滿足瀝青混凝土防滲層流變側壓力對強度和剛度的要求，護面板厚5～10cm、長100～200cm、高40～60cm，護面板四周設置企口以便于相互聯(lián)結，護面板用錨筋固定于壩面。瀝青混凝土防滲層所用的瀝青混凝土要求滿足防滲性、流變穩(wěn)定性、方便施工的要求，防滲層厚6～10cm，瀝青采用50號水工瀝青、道路瀝青或摻配瀝青，配合比參數范圍為:瀝青占瀝青混合料總重的11%～16%，填料占礦料總重的16%～20%，骨料的最大粒徑為4.75～13.2mm，級配指數0.24～0.3。4300m級澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩的典型剖面設計我國對Hardfill材料的研究起步較晚，現(xiàn)階段對于膠凝堆石壩(或膠凝砂礫石壩)壩體剖面設計尚缺乏系統(tǒng)理論支撐，多將Hardfill材料看作混凝土材料，采用線彈性本構關系來模擬Hardfill材料的本構關系。但現(xiàn)有研究成果表明，膠凝堆石料具有明顯的非線性及彈塑性特征，可是目前研究成果仍主要集中在對其彈性特征的描述方面，尚無法反映其塑性變形特征。因此，采用線彈性本構關系不能準確地模擬Hardfill材料的實際應力-應變狀態(tài)。Hardfill材料介于堆石料和混凝土材料之間，Hardfill壩剖面同樣介于面板堆石壩和混凝土重力壩之間，很顯然， 完全套用混凝土重力壩的設計理念進行Hardfill壩剖面設計是不合理、不準確的。如果依據重力壩設計理念，按材料力學的方法，以壩體不產生拉應力和滿足Hardfill材料的抗壓強度要求作為應力控制標準，同時滿足壩體整體穩(wěn)定要求來擬定Hardfill壩壩體剖面，當取上、下游邊坡為1∶0.7、壩頂寬度5m時，在滿庫水重和壩體自重作用下，以Hardfill材料設計強度6MPa為控制標準，經計算，最大壩高為68m。已建成的土耳其Cindere壩，壩高107m，上、下游邊坡均為1∶0.7，膠凝材料為50kg/m3水泥和20kg/m3粉煤灰，材料設計強度為6MPa，很明顯是不滿足重力壩設計標準的，但實際上大壩卻在安全運行，這就是典型的例證?，F(xiàn)代混凝土面板堆石壩設計，計算分析工作主要為壩體邊坡穩(wěn)定分析和壩體及面板的應力、變形分析，而變形控制是300m級特高混凝土面板堆石壩設計和施工的核心，變形控制的目的是確保上游壩面防滲結構與壩體堆石變形的協(xié)調性，防止防滲體系遭受破壞。壩體設計的基本過程為①采用極限平衡分析方法對壩體的邊坡進行不同坡比的穩(wěn)定分析，從中找出滿足規(guī)范要求的最小坡比;②通過有限元計算，針對堆石分區(qū)邊界線的不同位置進行應力變形分析，從中找出滿足壩體和面板應力變形要求的壩體分區(qū)。因此，可以說壩體變形控制設計的核心就是壩體的分區(qū)設計以及各分區(qū)填筑材料性能指標的選用。采用普通堆石料填筑的堆石壩，無論堆石的密實狀態(tài)如何，堆石塊狀顆粒之間的孔隙總是存在的，這就為堆石體的變形創(chuàng)造了條件。利用膠凝堆石料作為面板堆石壩的筑壩材料，由于其強度、剛度和整體性大大高于作為散粒體結構的普通堆石料，其較強的抗沖、抗剪、抗壓強度以及更高的變形模量，可減小面板變形和周邊縫張開，且不存在因時間效應引起的堆石體流變問題。面板膠凝堆石壩典型剖面示意面板膠凝堆石壩的設計應以控制大壩結構的強度安全和穩(wěn)定安全為基本原則， 其主導思想是變形控制和滲透穩(wěn)定。為了充分利用當地材料以及發(fā)揮不同組份材料的力學性能，可以參照面板堆石壩進行材料分區(qū)， 不必像膠凝砂礫石壩(CSG壩)一樣全斷面采用同一種組份和性能的材料。已有研究成果表明:當膠凝材料含量為40～80kg/m3時，滿足壩坡自身穩(wěn)定的臨界坡比從1∶0.7過渡到直立，壩體剖面逐步從類似于堆石壩剖面過渡到混凝土重力壩剖面，此時的膠凝堆石壩既有混凝土重力壩的特征又有土石壩的特征。也就是說壩體剖面設計的上、下游邊坡首先要滿足壩坡自身穩(wěn)定的邊坡要求， 當滿足這一要求的邊坡比較陡時(如小于 1∶0.5)，壩體的下游邊坡還要滿足壩體的整體穩(wěn)定要求。強度校核標準要根據壩體的應力分布狀況而確定，當最大、最小應力出現(xiàn)在壩體表面時，按單軸抗壓、抗拉強度校核，當最大應力出現(xiàn)在壩體內部時，既要校核壩體內部應力水平，又要按壩體邊緣應力校核其抗壓、抗拉強度。壩體結構從上游至下游依次為 :(1)澆筑式瀝青混凝土防滲面板。包括護面板和防滲層， 厚度～20cm。起防滲作用。(2)墊層料 Hardfill 區(qū)。厚度10～12m，采用等厚度設置。在常規(guī)墊層料中摻加富膠凝材料碾壓而成， 對瀝青混凝土面板防滲體起支承作用， 并起輔助防滲作用。其性能相當于碾壓混凝土。(3)壩體排水層。采用常規(guī)主堆石料填筑，具有自由排水功能，厚度3～10m，從壩上部向下逐漸加寬;壩頂部因寬度限制無法設置排水層的部位改為設置壩內排水孔。其作用是對經過面板和墊層料Hardfill區(qū)的滲水進行截流、排泄，防止?jié)B水對主堆石料Hardfill 區(qū)的溶蝕破壞。(4)主堆石料Hardfill區(qū)。采用在常規(guī)主堆石料中摻加適量膠凝材料碾壓而成，是大壩的主要受力區(qū)域，抵抗庫水對壩體形成的壓力。(5)下游壩基砂卵礫石保留區(qū)。為了節(jié)省大壩填筑工程量，在壩體下游部位的任意料Hardfill區(qū)基礎部位，對滿足大壩承載力要求的河床砂卵礫石層予以保留。(6)任意料 Hardfill 區(qū)。采用任意堆石料(包括隧洞開挖洞渣、壩基開挖棄渣、河床砂卵石、料場開挖棄料或其他軟巖堆石料、常規(guī)的次堆石料以及它們的混合料等 )摻加適量的膠凝材料碾壓而成，其力學性能稍次于主堆石料 Hardfill 區(qū)，主要起壩體穩(wěn)定作用。澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩的施工方法研究1膠凝堆石料施工由于施工方法的改變對Hardfill材料的物理力學指標和壩體的剖面型式都有直接影響，因此，應通過工程實踐，結合生產過程研究和探索適合膠凝堆石壩填筑的施工方法(包括壩材制備、壩料運輸、鋪料、灑水以及碾壓方法)、施工機械(包括壩料開采機械、壩料拌和和運輸機械、攤鋪機械、填筑灑水機械以及碾壓設備)以及施工方法與施工設備的相互配套，并提出保證工程質量的施工程序和現(xiàn)場質量控制標準。目前國內外的膠凝砂礫石壩 (CSG壩)施工方法大多采用兩種類型， 一種是采用碾壓混凝土壩的拌和及運輸、卸料、平倉、碾壓方法進行施工，即碾壓混凝土施工法 (或稱為“澆筑法” );另一種是利用施工機械進行非常簡易的拌和后， 按照堆石料填筑的方法運輸上壩、鋪料、碾壓， 即堆石料填筑施工法(或稱為“填筑法” )。前者施工質量較好， 工程質量容易把控， 但是當壩體剖面較大時，經濟效益不明顯;后者顯然施工簡單， 但施工質量難以得到保證，目前只能在臨時項目(如圍堰工程)上采用，永久工程建設中未能夠得以推廣。但是， 隨著新型施工機具的出現(xiàn)以及對施工工藝、現(xiàn)場施工質量控制措施的不斷完善， 采用立模填筑法施工 Hardfill 材料將具有很大的技術優(yōu)勢， 將會得到大力發(fā)展。2澆筑式瀝青混凝土面板施工澆筑式瀝青混凝土具有瀝青含量高、礦粉含量高和拌和溫度高的特點。澆筑式瀝青混凝土因為是利用其高溫時的流動性 “澆筑、攤平”，不需要碾壓而成為高密度的沒有空隙的均勻的防滲層， 具備如下優(yōu)點:密實不透水，耐久性好，同時又具有極好的粘韌性，適應變形能力強，與壩面變形具有很好的隨從性。目前，在壩工方面澆筑式瀝青混凝土面板應用經驗缺乏，但澆筑式瀝青混凝土心墻應用較多，具有成熟的施工工藝;在交通領域，澆筑式瀝青混凝土已經普遍采用，具有成熟的施工工藝。澆筑式瀝青混凝土面板的施工方法可以參照澆筑式瀝青混凝土心墻和交通領域澆筑式瀝青混凝土路面的有關施工方法進行。鋼筋混凝土面板堆石壩與澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩比較與鋼筋混凝土面板堆石壩相比， 在施工方面，澆筑式瀝青混凝土面板膠凝堆石壩具有如下優(yōu)點 :①壩體工程量相對較小， 施工需要投入的人員、設備相對較少， 臨建規(guī)模和場地占用面積相對較小 ;②壩體進行立模填筑，不需要進行壩坡面防護;③不需要預留壩體沉降期，可滿足大壩連續(xù)施工、均衡上升的要求，使工期縮短;④面板可隨壩體上升隨時澆筑，對水庫進行