江坪河水電站高面板堆石壩變形特點及設計研究

王國輝，殷彥高，張嘉明

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

江坪河水電站位于澧水一級支流溇水上游河段湖北省鶴峰縣走馬鎮境內，工程以發電為主，兼顧防洪。水庫正常蓄水位470 m，水庫總庫容13.66億m3，具有多年調節性能。電站裝機容量450 MW，多年平均年發電量9.64億kW·h，為一等大(1)型工程。

電站樞紐建筑物主要有大壩、泄洪建筑物、引水發電系統。大壩布置于峽谷中部；泄洪建筑物集中布置于右岸，溢洪道為2條平行布置的隧洞泄槽式結構，溢流堰采用開敞式，孔口尺寸14 m×22 m(寬×高)，泄洪放空洞平行布置于溢洪道左側，由進水口、有壓洞、弧形閘門豎井及無壓洞組成，控制斷面6 m×6 m(寬×高)，泄洪建筑物采用挑流消能；引水發電系統布置在左岸，采用單機單洞供水方式，設2條直徑為6.4 m的引水隧洞。岸坡式地面廠房安裝2臺混流式機組，單機容量225 MW。

1 壩體結構設計

混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，壩頂寬10 m，壩頂長414 m，最大壩高219 m。壩頂上游設“L”形防浪墻，下游設混凝土擋墻；大壩上游坡比為1∶1.4，下游綜合坡比為1∶1.4，局部坡比1∶1.36，設置4級馬道。

大壩分區設計：從上游至下游依次為上游蓋重區(1B)、粘土鋪蓋區(1A)、墊層區(2A)、特殊墊層區(2B)、過渡區(3A)、堆石區(3B)和下游面塊石護坡。其中，1A區頂高程378 m，寬5.0 m，上游坡比1∶1.6；1B區頂高程380 m，寬7.4 m，上游坡比1∶2.0；2A區水平寬4.0 m；3A區水平寬6.0 m，等寬布置。

混凝土面板高程400 m以下采用不等厚面板設計，以上為等厚面板，最大厚度1.05 m，最小厚度0.55 m。兩岸受拉區面板分縫間距6 m，中部受壓區為12 m。面板分三期澆筑，在高程360 m設置施工縫，高程430 m設置永久水平縫。其中，一期面板混凝土強度等級采用C35，二、三期面板為C30，抗滲等級W12，抗凍等級F100。趾板采用壩前設標準板，下接防滲板的結構形式。

周邊縫止水系統采用三道止水加自愈系統，即“粉煤灰與表層塑性填料—中部銅止水—底部銅止水”的止水結構，高程380 m以上取消中部銅止水；面板垂直縫底部設“W”形銅止水，表面設置塑性止水。

表1 冰磧礫巖物理力學性質

表2 堆石料E-B模型參數

圖1 主堆石料室內三軸試驗應力-應變關系

2 填筑料特性及填筑參數

2.1 填筑料特性

壩體填筑石料主要為震旦系冰磧礫巖，屬堅硬巖石，巖石壓縮模量和抗剪強度較高。冰磧礫巖物理力學性質見表1。

為了解冰磧礫巖壩料的工程力學特性，通過室內大型三軸試驗測定了壩料應力應變參數。試驗強度破壞值原則：若主應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1關系曲線有峰值時，取峰值作為破壞強度；若無峰值，則取ε1=15%時的(σ1-σ3)值作為破壞強度。根據應力-應變關系曲線整理的鄧肯E-B模型參數見表2。

此外，為進一步了解江坪河水電站面板壩堆石料的力學特性，將目前世界上幾座高面板壩主堆石料的室內三軸試驗成果進行了對比，見圖1。圖中，同1種材料4條應力變形曲線的圍壓分別為0.5、1.0、1.5 MPa和2.0 MPa。從圖1可知，各區堆石材料的應力、應變參數與密度增大、孔隙率減小有較好的正面效應。在高應力狀態下強度呈非線性，各堆石區密度較高時，剪切過程中出現剪脹現象，低圍壓下剪脹性更為明顯。經分析可知，堆石料冰磧礫巖變形模量較高，破壞變形相對較小，材料脆性較強。

2.2 爆破碾壓試驗及填筑參數

針對壩體填筑料進行了3次爆破碾壓試驗，其中，第3次為生產性爆破碾壓試驗。共進行了5場爆破試驗，8場碾壓試驗，其中，第4場和第6場為推薦碾壓場次。推薦場次碾壓試驗參數及碾后試驗成果見表3、4。第4場碾壓試驗碾壓前、后顆粒級配曲線見圖2。通過分析爆破碾壓數據可得：

(1)爆破料級配基本達到設計要求，整體上存在爆破料中P5含量和大于400 mm顆粒含量偏低的問題。

(2)不均勻系數、曲率系數、干密度等指標試驗成果滿足設計要求，整體上顆粒級配較好；但P5含量偏低，碾壓后顆粒級配大于400 mm顆粒含量偏少。

(3)由碾壓遍數與累積沉降率關系分析可知，碾壓8～10遍，沉降量基本趨于穩定。

根據爆破碾壓試驗成果，確定壩體各區填筑參數及碾壓技術指標，見表5。

表3 推薦場次碾壓試驗參數

表4 推薦場次碾壓試驗成果

圖2 第4場碾壓試驗顆粒級配

表5 壩體各分區碾壓技術指標

3 大壩應力變形特性分析

建立大壩三維模型進行非線性有限元計算分析。堆石料、墊層料和過渡料選用鄧肯E-B模型，混凝土面板與墊層料間設置Goodman接觸面單元，計算過程中考慮堆石體的流變效應，荷載逐級施加。由于江坪河水電站壩址區岸坡陡峻，考慮了壩體與岸坡間的摩擦接觸作用，在壩體與岸坡之間設置了接觸面單元，見圖3。

圖3 壩基與地基間的接觸面

整個壩體結構共剖分得到總結點9 926個，總單元7 662個。其中，實體單元5 670個，面板單元451個，面板與墊層之間的接觸面單元451個，壩基地基之間的接觸面單元1 054個，豎縫單元431個，周邊縫單元56個。壩體整體剖分網格見圖4。

圖4 大壩剖分網格

考慮堆石體運行期蓄泄循環作用下，壩體變形與應力的有限元計算極值見表6。大壩面板變形計算極值見表7。典型斷面的變形和應力見圖5～8。

表6 大壩有限元計算極值

表7 大壩面板變形計算極值

圖5 壩體最大斷面沉降(單位：cm)

江坪河水電站大壩的河谷寬高比僅1.8，且高程375 m以下為深切陡峭岸坡的河谷地形，為狹窄河谷上建設的典型高面板堆石壩。經過大壩三維靜動力有限元分析，得到如下結論：

(1)狹窄河谷地形導致堆石體具有明顯的拱效應[1-3]。不同計算條件下堆石體主應力最大值僅為1.96 MPa，僅占堆石體自重的40%左右；堆石體的最大沉降為149 cm，占壩高的0.7%；水庫蓄水后面板的最大撓度為81.9 cm。

(2)分析狹窄河谷堆石體與基巖之間的相互作用表明，考慮狹窄河谷堆石體與基巖之間的滑移時，堆石體的最大主應力從1.87 MPa增大到1.96 MPa；堆石體的變形量也有所增大；面板的應力也有增大的趨勢，更符合大壩的實際工作性態。

(3)堆石體的流變導致壩體的變形和應力均增加。滿蓄后堆石體的沉降從138.3 cm增大到149.5 cm；面板撓度從77 cm增加到81.9 cm。堆石體流變使面板呈現進一步壓緊的趨勢，導致面板應力也有所增加。

(4)考慮運行期水庫蓄泄循環荷載作用的流變過程，壩體的變形與應力都有所增大。堆石體最大沉降從128.2 cm增大到146.2 cm；面板撓度從54.0 cm增大到65.5 cm；面板順坡向應力增大到18.6 MPa。

(5)大壩面板分別設置2條、1條和不設永久水平縫時，順坡向壓應力極值分別為12.20、13.81、14.23 MPa。設置永久水平縫可減小面板順坡向壓應力，均化面板應力分布；設置2條水平縫比設置1條更能改善面板工作性狀。

圖6 壩體最大斷面水平位移(單位：cm)

圖7 壩體最大斷面大主應力(單位：MPa)

圖8 大壩面板穩定期順坡向應力(單位：MPa)

(6)壩址區地形復雜，如兩岸扭曲的沖溝、陡坎和主河床在壩軸線位置的漏斗狀河谷地形，導致壩體應力與變形較為復雜。

4 壩體變形控制措施

面板是大壩的主要防滲體。為避免200 m級高面板堆石壩容易產生的面板脫空、面板結構性裂縫、面板垂直縫擠壓破壞等情況，針對江坪河水電站面板壩壩料(冰磧礫巖)、壩高(219 m)和河谷狹窄的特點，為減小大壩變形和不均勻變形，減少壩體沉降，主要采取以下措施：

(1)合理選擇壩料。堆石料的選擇是限制過大變形的主要手段，巖石類型是影響總變形量的決定性因素，較堅硬的巖石具有較小的變形，硬巖堆石流變變形速率的減少比軟巖堆石快[4- 6]。江坪河水電站壩料主要采用冰磧礫巖，屬堅硬巖石，強度適中，由占50%～59%碎屑和占41%～50%雜基2種礦物質組成。飽和單軸抗壓強度為41.3～107 MPa，平均值為71.1 MPa；巖石的軟化系數為0.55～0.78，平均值為0.65。

(2)提高填筑標準。壩體填筑標準從嚴要求，主堆石料和下游堆石料孔隙率采用了比已建200 m級高面板堆石壩更小的指標，即孔隙率小于或等于18.8%。壩體孔隙率在規范要求的填筑標準基礎上提高約10%。

(3)合理壩體分區。在壩體分區方面，堆石體采用均質壩結構，有利于控制壩體變形與不均勻沉降。根據料源實際情況，主堆石料和下游堆石區均為同一種料，即冰磧礫巖，設計指標和碾壓參數均相同，并在沖溝和兩岸接頭部位采用過渡料設置低壓縮區。

(4)選擇合適的碾壓機具及碾壓工藝。通過多場次爆破碾壓試驗，對碾壓機具、碾壓參數等提出了比以往面板堆石壩施工更高、更嚴的要求，首次提出了“32 t振動碾、60 cm鋪層厚度、碾壓12遍、灑水15%”的碾壓機具和填筑碾壓參數。

(5)減小河谷形狀的不利影響。壩址岸坡陡峻，為漏斗狀地形。為減小壩體拱效應，控制壩體不均勻沉降，修整陡坎使趾板下游邊坡成為較平順的連續面，避免較大的陡坡突變；填筑分區上使大壩不同部位的變形能平緩過渡。

(6)大壩填筑上下游均衡上升。大壩分期施工時，除壩內臨時斷面外，采取了均衡上升的填筑方式，盡量使壩體均衡沉降，減少壩體不均勻對周邊縫和面板應力變形的不利影響。

(7)面板澆筑時機與分期。為減輕后期填筑的堆石體對先期面板位移的不利影響，面板分三期澆筑；面板澆筑采用雙指標控制：一是，控制堆石體自沉降時間不少于6個月；二是，控制下部壩體沉降速率不大于5 mm/月。此外，在面板高程430 m設置1條永久水平縫，以減小面板順坡向壓應力，均化面板受力，改善其工作性態。

5 結 語

在狹窄河谷采用超硬巖填筑高混凝土面板堆石壩，壩體應力變形復雜，技術難度大[7-9]。本文在介紹江坪河水電站大壩結構設計與填料設計的基礎上，通過研究填筑料的物理力學特性，提出了用于大壩應力變形預測的本構模型參數，通過現場爆破碾壓試驗，提出了大壩填筑參數及碾壓技術指標，并分析了狹窄河谷高面板壩應力變形特性、變形產生的原因，以及采取的應對措施，可為狹窄河谷高混凝土面板堆石壩的建設積累經驗。