面板坝挤压边墙

研究生专业：水工结构工程

面板堆石坝挤压边墙技术方案及300m级坝体材料分区设计研究2013年8月主要内容一、挤压边墙技术的发展概况二、土石坝应力变形计算的数值模拟三、300m级面板坝坝体材料分区设计理念一、挤压边墙技术的发展概况

面板堆石坝上游坡面挤压边墙技术是在实践过程中产生并推广的一种施工新技术，于20世纪90年代在巴西、秘鲁等国开发并首次使用。其具体施工方法是：每一层垫层料填筑之前，沿上游坡面坝轴线方向用挤压边墙机做一道半透水的混凝土边墙，待混凝土凝固后在其内侧按设计要求铺填并用振动碾平面碾压大坝垫层料，至本层堆石料碾压合格后再以同样的工序进行下一层的施工。1.1挤压边墙形状及尺寸

1.2挤压边墙技术的优点

面板坝上游面传统施工方法：在垫层料铺填时将其垫层区上游面超填30cm左右后进行水平碾压，一般压实厚度约40cm，待垫层料填筑至一定高度后，用机械或人工削坡整理，并反复进行斜坡碾压，最后进行削坡、喷砂浆固坡等工序，直至符合混凝土面板浇筑对垫层区上游面平整度和密实度的要求。

挤压边墙技术的优点：①挤压边墙技术施工简便，代替了传统工艺中垫层的超填、削坡、修整、坡面防护等工序，提高施工进度。对坝体而言，在汛期，挤压边墙还提供了一个临时可抵御冲刷的上游坡面，提高了坝体度汛的安全性；②采用挤压边墙施工工艺后，垫层料等下游填筑料的碾压为垂直碾压，使得上游坡面的密实度和平整度得以保证目前，我国已有多座面板堆石坝采用挤压边墙施工技术，表为国内部分采用挤压边墙技术的工程挤压墙尺寸表。工程名称上游坡坡比顶宽/cm

下游坡坡比

墙高/cm

公伯峡水电站

1:1.4108:140芭蕉河水电站

1:1.35108:140鲤鱼塘水电站

1:1.4128:140下溪水电站

1:1.4108:140水布垭水电站

1:1.4108:140崖羊山水电站

1:1.510-128:140那兰水电站

1:1.5108:140龙首二级水电站

1:1.5108:140汉坪嘴水电站

1:1.55108:140多儿水电站

1:1.4108:140挤压边墙机工作图

1999年在巴西埃塔面板堆石坝建设中首次使用挤压边墙施工方法，2000年，经国际大坝委员会介绍，2002年我国黄河公伯峡混凝土面板堆石坝开始使用挤压边墙施工技术。以公伯峡工程为依托，陕西省水电工程局（现中水十五局）借鉴公路工程道沿机的原理成功研制了边墙挤压机，并经多次现场试验表明运行良好后。首次运用于公伯峡面板堆石坝。1.3面板与挤压边墙间的接触柔性材料

在挤压边墙逐层施工的过程中，各层之间或多或少的会出现上下错层的现象，这种错层使挤压边墙表面不平整，增大挤压边墙对面板的约束。所以，在施工中，严格把控挤压边墙的施工质量尤为重要。

为了减小挤压边墙对面板的约束，一般会在挤压边墙上游表面做一定处理，工程上常采用的措施：

1.喷涂一定厚度的乳化沥青（一般厚3mm)；

2.喷涂乳化沥青与砂的聚合物(三油两砂）；

3.铺设沥青油毡；

4.铺设一层塑料薄膜。容易被破坏1.4挤压边墙的结构性能研究挤压边墙结构性能的研究主要是通过数值计算方法分析挤压边墙对面板及坝体的影响。挤压边墙混凝土的要求：低强度、低弹模及半透水，其弹性模量一般在5-7GPa之间。但其与传统垫层料性质的差异，决定其与面板的结构关系与传统的面板-垫层有很大差别。在挤压边墙逐层施工的过程中，各层之间或多或少的会出现上下错层的现象，这种错层使挤压边墙表面不平整，增大挤压边墙对面板的约束。已经采用挤压边墙施工技术的水布垭、公伯峡等面板堆石坝在施工期面板出现了比较严重的裂缝。中国工程院院士马洪琪等在2000年以后修建超高坝的主要经验中指出挤压边墙施工工艺简单，但在垫层料与挤压边墙界面处不易压实，产生亏坡不易修补，且挤压边墙对面板约束大，即使在挤压边墙上游坡面喷乳化沥青，在绑扎钢筋时也遭到严重破坏。国外也有一些专家有同样的意见，视挤压边墙为裂缝发生器，对超高坝，是否使用挤压边墙还需慎重。目前，对挤压边墙的计算分析也较多，得出的结论基本都是：挤压边墙对堆石体的应力变形基本没有影响，对面板的应力变形有较大改善。得出此结论的原因可归结为：挤压边墙混凝土模量较垫层料的模量有较大的提高，且混凝土边墙可以自由变形，不会对面板产生摩擦过大、局部挤压等不利作用，并且通常有限元几何模型都是建立在理想模型基础上的，即挤压边墙表面是平整的，不存在实际施工中存在的错台、亏坡或破坏而形成的任何尖角、突变。关于挤压边墙有限元计算分析存在的问题：

1.挤压边墙模型的概化。

（a）挤压边墙实际结构图（b）简化后挤压边墙计算模型

2.挤压边墙对混凝土面板影响。目前，对挤压边墙是否会引起面板裂缝还没有定论，对其进行研究很有必要。混凝土面板裂缝分温度裂缝，结构裂缝，如何在计算中计入温度效应，以分离挤压边墙对面板裂缝的影响，并评价有挤压边墙后面板产生裂缝的可能性。这将是挤压边墙研究的一大方向。

挤压边墙技术作为一种施工方法自身是没有什么问题的，但当挤压边墙结构作为面板堆石坝的一部分，其对面板及坝体的影响还有待进一步深入研究。二、土石坝应力变形计算的数值模拟

数值模拟：即采用数学计算的方法预估坝体的应力变形情况，一般计算结果包括：变形（竖直沉降、上下游水平位移）等值线图，应力（第一主应力、第三主应力；对于面板，面板挠度、面板顺坡向应力及坝轴向应力等值线图。

数值模拟主要步骤：

建立坝体几何模型坝体材料分区坝体填筑分期及加载过程坝址地形、蓄水过程面板分缝情况计算有限单元法土体本构模型静力本构模型E-B、E-v模型湿化本构模型堆石或土体流变本构模型动力本构模型计算结果整理分析。包括：文字分析，图表整理2.1坝体几何模型的建立

某面板堆石坝典型断面图及坝体分期示意图坝体三维整体网格剖分图

大坝典型断面网格剖分图本构模型：指反应土体应力变形规律的数学方程。目前，有限元计算中最常用的土体本构模型有邓肯E-B模型、邓肯E-V模型及南水双屈服面模型。（a）六面体单元；（b）五面体单元；（c）四面体单元大坝常用三维单元的形式2.2计算结果2.2堆石流变变形

土体变形和应力与时间的关系统称为土体的流变。它包括：

（1）蠕变：恒定应力作用下，变形随时间而发展的现象。（2）应力松弛：维持不变形的情况下，应力随时间衰减的现象。（3）长期强度：在长期荷载作用下土体强度随受荷历时变化的现象。（4）应变率效应：不同的应变或加荷速率下，土体表现出不同的应力－应变关系和强度特性。一般情况下一个地基或土工建筑物蠕变和应力松弛等流变现象是相互发生的，只是单独的松弛问题在土工实际中实际上遇到的较少，因此，这里所讲的流变主要是指蠕变，即“流变”的狭义的含义。堆石流变现象：国内外堆石坝监测资料显示，坝体建成运行后，坝体的变形仍在发展，且堆石坝的流变变形可持续几年甚至十几年或更长。据统计堆石坝流变变形一般为坝高的0.1%～0.4%，但有些坝的流变变形较大，超过坝高的1%，最大达3.8%，如土耳其184m高的Ataturk坝工后坝顶沉降达2.5m，坝内最大沉降变形达7m。坝越高，流变现象越明显，流变变形对坝体的影响更显著。堆石流变附加变形会对坝体的防渗系统产生重要影响，对心墙坝，会使心墙产生裂缝或水力劈裂，对面板坝，会使面板脱空或破坏。堆石流变产生的原因：(1)颗粒本身的流变，其量值是相当小的；(2)颗粒接触点的错动或破坏，堆石料的块体间接触是不均匀的，它容易引起颗粒间的错动或颗粒本身的破坏，一个颗粒错动或破坏的影响会向相邻颗粒传递，这种辐射作用使得堆石体的变形一直在发展，直到其达到新的稳定平衡位置;(3)颗粒接触点的侵蚀，在野外，雨水作用、干湿循环、大气氧化等作用使颗粒接触点处的摩擦力降低，原本稳定的颗粒产生错动滑移，带动相邻颗粒转动和移动，在宏观上表现为变形；(4)荷载的周期变化、反复增减(如水位的反复升降），引起堆石料的塑性变形。目前，对堆石流变机理比较统一的说法是：堆石料受力变形过程中不断地进行颗粒裂缝扩展－破碎－重排－应力调整过程。2.3堆石料湿化变形

在土石坝建设或运行过程中，水库蓄水、水位上下波动，雨水侵入坝体等，都会使堆石料浸水（湿化）产生变形，从而引起坝体应力应变状态发生改变。坝体正常运行后，心墙坝的上游堆石大部分浸入水中，所以，湿化变形对心墙坝的影响较明显。湿化变形往往使坝顶发生横向伸长变形从而造成纵向裂缝，轻者使坝顶产生湿陷裂缝，重者会造坝肩等重要部位产生深度裂缝，甚至形成渗透通道，威胁坝体安全。

对混凝土面板堆石坝，后部堆石体在面板的保护下大多处于干燥状态，湿化变形对其影响较小。三、300m级面板坝坝体材料分区设计理念

坝体断面和堆石体材料分区在现代面板堆石坝的设计中已基本趋于标准化。根据Cooke和Sherard于1987年提出的混凝土面板堆石坝坝体分区命名规则。问题的提出：我国正在规划建设或设计一批300m级的高土石坝。如西藏的如美土石坝，最大坝高315m，云南怒江马吉面板堆石坝，最大坝高277.5m，四川省甘孜康定县内的长河坝砾石土心墙坝，最大坝高240m，四川省甘孜州的两河口粘土心墙坝，最大坝高292m。坝体越高，坝体的变形越大，堆石体的应力水平也越高，堆石流变现象也越明显。因此，高土石坝对筑坝材料、坝体设计以及施工技术有了更加严格的要求。（1）1A区：位于面板底部，主要作用为封堵面板底部任何可能的裂缝及周边缝的张开。它可以起到辅助防渗的作用。（2）2A区：紧靠在周边缝的下游侧，主要功能为对面板上游面铺设的细粒料起反滤保护作用。同时，也可以起到减少周边缝的变形作用。（3）2B区：为面板的垫层区，为混凝土面板提供均匀的支撑，具有较低的渗透性，以控制坝体的渗流，起到坝体防渗第二道防线的作用。（4）3A区：为2B区与坝体主堆石区的过渡区。（5）3B区：坝体的主堆石区，包含了坝体上游大部分堆石，它是支承面板的主体，一般采用较好的堆石。（6）3C区：坝体的下游堆石区，位于坝体下游的外侧。这部分堆石对压实的要求相对较低，但一般要求具有较好的排水性能。

3.1200m级坝体分区设计国外的一些工程倾向于将次堆石的区域扩大至“死区”的上游侧，以扩大次堆石区的范围。

巴西Itapebi（伊泰普）坝体分区图（坝高121.0m)巴西BarraGrande（巴拉格兰德）坝体分区图（坝高185.0m),主、次堆石区分界线坡度1:0.5巴西CamposNovos（坎泼斯诺沃斯）坝体分区图（坝高202.0m)墨西哥Aguamilpa（阿瓜密尔帕）坝体分区图（坝高187.0m)

国内的一些工程倾向于将主堆石的区域扩大至“死区”的下游侧，以扩大主堆石区的范围。如：水布垭坝体分区图紫坪铺坝体分区图三板溪坝体分区图三板溪坝体分区图3.2200m级面板坝运行中出现的问题

近年来，国内外一批200m级高混凝土面板堆石坝相继建成，国内外坝工界对于高混凝土面板堆石坝应力变形特性的认识也不断深入，在这些工程实践中，既有成功的经验，也发现了一些问题。如：

1990年建成的巴西阿里埃面板堆石坝，坝高160m，建成后运行良好，第一次蓄满水面板挠度69.0cm，面板最大压应变（水平向）0.007，是面板坝的里程碑。

墨西哥的阿瓜密尔帕面板堆石坝，1995年建成，高187m，该坝蓄水至218.8m高程时漏水量突然增大。在距离面板顶部约30m的202.0m高程附近发现很多细而密的水平弯曲裂缝，距顶部50m出现一条较宽的水平拉伸裂缝，长度160m，最大缝宽15mm。

巴西BarraGrande（巴拉格兰德）面板堆石坝、巴西CamposNovos（坎泼斯诺沃斯）面板堆石坝在运行后均发生了面板挤压破坏。我国贵州省南盘江天生桥一级面板堆石坝，2000年建成。坝高178m，施工期间期间上下游堆石高