沥青心墙土石坝的技术发展

沥青心墙土石坝的技术发展

196年至196年，德国建造了第一座压裂式沥青混凝土水库。国际大坝委员会(ICOLD)在1982年第42号公报和1992年第84号公报中总结了这种坝型的设计与施工经验。《水电与大坝》2006年专集列表介绍了已建、在建或完成了正式设计的沥青心墙坝。在业已建成的这种坝中,有许多坝精心埋设了仪器,监测和分析了所获得的数据,以提高对这种坝的性状的认识和证实设计的可信度。本文的主题是两座沥青心墙坝的设计、施工和现场性能。两座坝都是1997年竣工和首次蓄水,到现在已有10a的性能观测资料,是挪威国家电力公司Statkraft在挪威北部靠近北级圈的斯瓦蒂森冰川附近兴建的600MW水电站的主要建筑物。斯图格罗姆湖(Storglomvatn)坝是主坝,坝高125m,霍尔姆湖(Holmvatn)坝是副坝,坝高56m。库容3.5km3,是挪威最大的水电水库。在经济的运输距离内没有适用的心墙土料(冰碛物),若采用这种土料就要新修公路。因此,必须另找替代方案,经过比较研究后,认为沥青心墙方案优于混凝土面板方案。作出这个决定主要是因为挪威以前修建的几座沥青心墙坝施工很成功、性能也很好。斯图格罗姆湖坝和霍尔姆湖坝设计的特殊之处在于,就地取材的堆石料的质量远远不及挪威以前所建沥青心墙坝所用的堆石料。对于一个特定的土石坝坝址,通常存在种种设计方案的比选:①土心墙坝;②上游面板(钢筋混凝土、沥青、合成土工膜)坝;③沥青心墙坝。本文第4节简要地讨论了这些方案及其相对优点。1斯图格罗姆湖水库1.1大规模的灌浆处理左坝肩主要为变质砂岩,而右坝肩为夹杂云母片岩、云母石英岩、云母片座岩和角闪石片岩夹层的褶皱石灰岩。石灰岩(主要为大理石)属喀斯特石灰岩,具有溶蚀通道和溶蚀洞穴,是大坝设计者的一大难题。坝址是挪威少数显著喀斯特化地区之一。由于挪威处理这种地基的经验有限,因此聘请外国专家帮助查勘和进行专门的灌浆处理。在石灰岩层的表面发现了大的溶洞和溶蚀通道,问题是喀斯特化的延伸深度。钻了一些垂直的和倾斜的钻孔,深入地下100m,并使用地震层析X射线摄影法和地质雷达勘探坝基。用这些方法没有发现很多的喀斯特特征,但决定沿右坝肩在地表以下20m开挖一条直径5m的廊道,其目的是更详细地勘探坝基,便于灌浆,以及如果需要的话,方便进行施工后灌浆。廊道揭露了大量喀斯特特征,在制定灌浆计划中采用了这些信息。由于地表喀斯特化,必须在右坝肩沥青心墙部位开挖相当深的槽建混凝土底座。1.2心墙的最佳位置和倾斜度主坝最大横断面和纵断面示于图1。如图所示,清除冲积物覆盖层(主要为粉砂)直至基岩表面。主坝最大坝高125m,坝顶总长825m,大坝体积530万m3。上游坝坡1V∶1.5H,下游坝坡,马道之间为1V∶1.4H,设有4个马道,宽2.5～2.9m。坝顶宽7m。坝轴线稍向上游弯曲,曲率半径为1500m。表1列出了坝体分区和压实规定。块石采料场位于水库内,相当靠近右坝肩。砾石采料坑位于副坝的正上游,在主坝西南约3km处。采石场开采的大理岩块石,质量相当差,在采石场的加工、坝体填筑和压实中,破损了不少。大理岩无侧限干抗压强度(UCS)为40～60MPa,仅为湿抗压强度的一半。因此,在坝体3区和4a区填筑时须加水(约500L/m3)以减小施工时的孔隙率,从而减小当上游堆石体被淹没和下游填筑体由于下雨和融雪被浸湿时会出现的沉降。沥青心墙底部宽0.9m,顶部宽0.5m,在上部51m范围内心墙宽度保持0.5m不变。以前的惯例是规定心墙的最小宽度为穿过心墙相应部位的水头损失的1%,但不得小于0.5m。然而,该坝的一些设计者感觉这一惯例太保守,因而决定心墙底宽0.9m已足够。心墙下方混凝土底座的宽度,河床部位为6m,坝肩顶部为4m。由于预计该坝在施工中和施工后的变形大于挪威以前兴建的沥青心墙坝,且该坝位于地震活动区,因此设计规定沥青拌和物采用质地较软的沥青(B180)和比以往稍高的沥青含量(总重量的6.7%)。采用有限元分析对心墙的最佳位置和倾斜度进行了研究。考虑了3个心墙方案:①整个高度都倾斜,坡比1V∶0.2H;②下半部垂直,上半部倾斜,坡比1V∶0.2H;③整个高度全部垂直。计算结果表明,就心墙及其相邻区域的应力与应变来说,倾斜心墙没有明显的优点。所以选择垂直方案,其优点是沥青方量较少,布置和施工稍简单。心墙的轴线位于大坝轴线上游1.5m处。大坝从5/6月到10月分4个施工季节施工。由于工程所在地区年年下大雪,每年6月中旬以前去不了工地,故施工季节很短。1.3沥青心墙坝工程在施工中安装了表面测量锚杆,下游坝坡57根,上游坝坡36根,一达到规定的填筑高程就进行大地测量,测量垂直沉降和径向与切向位移(沿着坝轴线的方向)。在坝顶以下3m,沿坝轴线在心墙顶部安装了8根测量锚杆。设计没有要求在坝体内安装位移传感器和测斜计,因为以前修建的几座沥青心墙坝安装过上述仪器,通过彻底分析所测得的数据,较好地了解了心墙和坝体的性状。在坝体施工的同时水库蓄水。施工速率和水库蓄水速率以及随后库水位的季节性波动见图2。水库最高水位为585m,坝顶高程为591m。最深处心墙底部高程为466m。竣工时,沿坝高实测垂直沉降的变化呈抛物线分布,坝顶和坝底沉降为零,1/2坝高处沉降最大。竣工时最大横断面上游坝坡实测的最大垂直沉降为450mm,出现在高程532m处。图2为竣工后最大横断面两个顶点(上、下游边缘)和心墙顶部位移与时间的关系曲线。这些曲线表明,运行5a后,实际上没有再出现位移。遗憾的是,1997年9月竣工时安装的顶点锚杆的基准读数丢失,这些曲线不得不从1998年6月向后外推9个月,以得出竣工后顶点的总位移。表2示出了运行9a后两个顶点和心墙顶部的位移观测结果,包括头9a产生的位移。2霍尔姆湖水库2.1心墙的混凝土也通槽,确保无起比该坝坝基未发现喀斯特岩层,主要为云母片岩。坝基存在一些与坝轴线大致平行的接近垂直的节理和软弱带。心墙底座下面的灌浆孔倾斜,以确保同节理相交。心墙沿整个高度的宽度约为0.5m。心墙的混凝土底座布置在沿坝轴线开挖的心墙槽内。最小槽深0.5m,底座宽4m。该槽在穿过节理或剪切带时,深度明显加大,且在这些部位,槽的上游部分用粉土回填,起防裂材料的作用。2.2粗地层铺有0200mm的粗砾石最大横断面示于图3。最大坝高56m,坝顶长380m,坝体体积120万m3。两岸坝肩岸坡平缓。河床基岩以上的冲积物覆盖层全部挖除,大部分材料用作坝体填筑料。坝体分区和压实要求同主坝的类似。不过,在2区的上、下游侧都铺有0～200mm的粗砾石(2a区),这大大减少了4a区的方量。对于霍尔姆湖坝来说,如果2a区的砾石碾压密实,3区和4a区就不需要浇水了。大坝附近的采石场含有带有大量云母片岩/页岩夹层的石灰岩。开采时,发现片岩的质量比设计预计的还要差,运到坝上的石料有些根本不能用。在一些情况下,在振动碾碾压之后,堆石表面竟被碾成粉末,以致在铺下一层之前必须先清除掉。为了减少破碎,把起初规定的15t碾改为较轻的11.7t碾。虽然堆石料质量不及设计预期的那么好,但还是决定采用附近相同采石场的石料进行施工,因而接受了施工中和施工后变形可能远远大于挪威以往修建的沥青混凝土心墙坝的事实。不过,由于心墙的柔性和易变形性,设计认为增大的变形无损于心墙或坝发挥作用。2.3坝体结构沉降该坝只安装了表面测量锚杆,下游坝坡18根,上游坝坡14根,心墙顶部5根。坝顶高程591m,最深处心墙底部高程535m。竣工时下游坝坡测得的最大垂直沉降为220mm,出现在高程560m处。竣工后最大横断面两个顶点和心墙顶部位移与时间的关系曲线示于图2。该坝的沉降大得不寻常,将在后面加以讨论。在上游侧,小的沉降仍在继续发生。表2示出了运行9a后坝顶和心墙顶的最大位移。3性能评价3.1坝体及坝基沉降从表2可以看出,两座坝坝顶上游缘的沉降比下游缘的大很多,这是正常的,因为上游堆石体在被水淹没、库水位季节性升降(慢循环荷载)时都会发生沉降。这种差别,该两座坝比挪威以前修建的许多坝更加显著,因为水库蓄水落后于堆石的上升,所以淹没引起的附加沉降只会在大坝竣工后才表现出来。对于较小的霍尔姆湖坝来说,这尤为重要,因为在竣工前不久,库水位仅比坝底高出几米。因此,上游淹没的全部影响在大坝竣工时还未感受到。水库蓄水比预计的慢这一事实使得设计者在最后施工季节把两座坝的最大起拱度增加了0.2m,主坝增加到1.2m,副坝增加到0.7m。对于副坝,在运行9a之后,心墙顶部已沉降0.55m,不过,由于特别增加了起拱度,心墙的超高仍然足够。表3示出了两座坝竣工后坝顶沉降与坝高的百分比,以及挪威以往兴建的一些土心墙和沥青心墙坝的资料。竣工后沉降的大小取决于一些因素,例如,堆石特性、填筑层厚与压实效果、填筑时是否加水、心墙的位置与倾斜度、坝体施工速率、竣工时水库水位以及水库水位季节性变幅等。坝顶上游的相对沉降,斯图格罗姆湖坝只比以往的坝略大一点,但霍尔姆湖坝,正如所预料的,比以往的坝大很多。不过,两座坝的垂直位移、径向位移和切向位移的等值线都很有规律,沥青心墙和2区的剪应变也不太大。鉴于喀斯特坝基,加之层理面的走向几乎与坝轴线垂直,对斯图格罗姆湖坝的渗漏问题曾颇为担心。水库蓄水时进行了渗流测量,至今已经9a了。由于雨水和融雪水进入测量堰,实测渗流数据每年都有所变化,考虑到这一因素,实测渗流量是逐年减小的,而实测渗漏量很小(满库水位时,小于7L/s)。由于粉土和细砂进入坝下的节理和裂缝产生了止缝作用,渗流量随着时间推移而减小。对喀斯特坝基进行的灌浆似乎很成功,没有必要进行竣工后的灌浆。应该指出的是,已安装的渗流观测堰没有收集到深层的全部渗流,不过,自水库蓄水以来,在坝下游的各条小河中未观测到流量的增加。通过霍尔姆湖坝坝体和坝基的实测渗流量也很小。尽管变形相当大,但沥青心墙是不透水的。3.2坝体沉降和坡向上游位移竣工时下游坝坡的最大实测沉降,斯图格罗姆湖坝约为450mm,霍尔姆湖坝约为220mm。如果两座坝堆石体的平均压缩模量相同,则最大施工沉降前者应为后者的(125/56)2,即5倍,但实际上仅为450/220,即2倍,可见后者的压缩模量仅为前者的40%。霍尔姆湖坝的堆石料易压缩(变形模量低)和易破碎的特性也使得竣工后的徐变沉降较大,表2中的实测坝顶沉降证明了这一点。表2还显示,在运行9a之后,较高的斯图格罗姆湖坝心墙顶部的径向位移朝向下游,而低得多的霍尔姆湖坝,相应的径向位移朝向上游。这种向上游的径向位移是淹没造成的大位移和上游填筑体的沉降所引起的。由于心墙顶部和坝顶下游缘两者的径向位移存在差异,两者之间5m距离内出现拉伸应变。正如图2所示,坝顶下游缘2000年向下游的径向位移比现在的大。斯图格罗姆湖坝最大横断面下游坝坡的实测最大垂直位移是540mm(竣工后位移占110mm),出现在高程540m处。在同一测点,径向位移为430mm(竣工后位移占160mm)。运行9a以后实测最大径向位移为590mm,出现在高程511m处,该处的垂直沉降为390mm。在霍尔姆湖坝,最大横断面上的相应位移都出现在高程533m处,最大垂直位移300mm(竣工后位移占100mm),最大径向位移400mm(竣工后位移占180mm)。4最新研究与经验的总结4.1心墙体质量控制以往的研究和现场经验证明:可以在相当宽的范围内,调整沥青混凝土的特性来满足特定的设计要求。沥青配合比设计和材料特性在现场试验室和现场施工中都容易进行质量控制。实际上可使沥青混凝土不透水、柔性、抗侵蚀与老化,且能做到心墙施工无接缝。如果由于严重的地震荷载所造成的位移差(剪切变形)使心墙开裂,沥青混凝土的粘弹性-塑性和易延展性能提供自愈(自行密闭)能力。使用比以往更软的沥青可提高自愈质量,并允许在材料的配制、运输和心墙填筑中操作温度较低、能量消耗较少。在所有已建的坝中,没有发现沥青心墙漏水的情况。4.1.1沥青混凝土心墙材料沥青混凝土薄心墙能适应在静荷载和地震荷载作用下坝体被迫产生的永久和循环变形。20多年前,Bretb和Schwab(1973年)施加循环荷载做过一些很有意义的直剪试验,但自那以后直到最近才有人再做这种研究。最近所做的试验主要为三轴循环加压,但也有直剪、弯曲和直接拉伸试验。试验验证了Bretb和Schwab以往所得出的研究结果,对于循环加压和剪切的现实地震荷载条件,沥青混凝土心墙材料不会发生材料老化或开裂。在循环应力作用下,循环应变的幅值基本保持不变,对于短期地震荷载,残余(永久)应变可以忽略。对于次数很多的荷载循环,远远多于地震中的荷载循环次数,残余应变会累积,但那主要是在室内试验时在持续平均应力作用下产生徐变的结果,而不是因循环荷载所引起的材料性能的老化。4.1.2开裂应变速率及环境条件影响沥青混凝土出现张拉裂缝的抗拉强度和极限拉伸应变取决于所用沥青的等级、温度和加荷速率(应变速率)。在既定的温度下,当应变速率增大两个数量级,即从每秒0.01%增大到每秒1%时,受拉开裂应变减小约4/5。对于地震,应变速率一般约为每秒0.1%。在5℃时,当应变速率为每秒100%时,弯曲开裂应变一般为4%;当应变速率为每秒1%,为1%。在零下5℃时,相应的弯曲开裂应变为1%和0.2%,这就是说,减小约4/5。对土石坝中央心墙的沥青混凝土来说,环境条件是有利的,而且在冻结温度以上(如果不采取专门的保温措施,在极寒冷地区,心墙顶部有可能在冻结温度以下)。通过采用沥青用量较多的沥青混凝土配合比,使用质地较软的沥青或掺添加剂以提高沥青混凝土的延展性,可大大增加受拉开裂应变(即开裂以前沥青混凝土可承受的拉应变)的大小。4.1.3室内压实试验室内压实方法对沥青混凝土变形模量和延展性有很大影响,甚至对孔隙比(密度)相同的试件亦如此。Wang和Hoeg(2002年)讨论了室内压实方法,该方法可以很好地再现沥青混凝土在大坝心墙中压实以后的性能。在沥青混凝土的质量控制中,如果不考虑压实方法可能带来的显著差别,把现场心墙试件同室内压实试件的特性相比较会使人误解。4.1.4沥青混凝土的性能Hoeg(1993年)和Wang(2006年)讨论了骨料的力学特性对沥青混凝土的应力、应变、强度和渗透性的影响。试验结果表明,骨料所需强度和沥青所需的粘着力的验收标准毋须象公路和机场跑道所用沥青的验收标准那么严格,这是因为心墙沥青混凝土的沥青用量比路面沥青混凝土的多,而且不会遭受相同的恶劣环境。4.1.5沥青混凝土施工,不会大力推进重质板的施工如果需要,可以采用比以往施工更快的速率进行心墙施工,而不会牺牲碾压沥青混凝土的质量。这已为现场试验和最近的施工所证实。通过把浇筑层厚增厚到0.25～0.3m和/或增加日浇筑层数,可以提高施工速率。4.2确定最佳方案下面讨论3种土石坝方案的相对优点:①土心墙坝;②上游面板坝;③沥青心墙坝。除估算的建设费用外,还要根据以下因素来确定最佳方案:安全、坝址天气条件、总工期(直到水库蓄满可以利用的时间)、要求的施工技术(承包商的经验)、施工中大坝漫顶的可能性、维修费用以及环境等。4.2.1坝体施工为坝基、心墙体开坝如果在短距离范围内有适合修心墙的土料,一般说来,从经济角度而言,其他设计方案不是土心墙方案的竞争对手。宽心墙和宽反滤层的土石坝是抵抗地震和坝基断层位移的最好方案。不过,如果心墙土料的粘土含量高,而坝址位于1a中下大雨时间很长的地区,那么施工安排和心墙质量控制会很困难。对内部侵蚀的担心使得反滤层的设计与施工标准非常严格,且要求增加反滤料的加工,这就使得工程费用增加。如果施工中发生洪水,同混凝土面板和沥青心墙相比,土心墙更易受到漫顶造成的损害。4.2.2心墙坝板及面板坝体施工情况分析以往的经验表明,必须为通过上游混凝土面板张开接缝和裂缝漏水作好准备。不过,设计合理的混凝土面板堆石坝,堆石料从上游到下游逐渐变粗,如果下游坝体具有充分的排水能力来对付漏水流量,即使大的漏水也不会危及整体稳定。很多情况下,只在漏水部位上游的水库内倒粉土和细砂(防裂材料)就可显著减少面板的漏水。如果裂缝不太大,而且使混凝土面板下面的砂砾石区起无粘性反滤层的作用,那么,粉土就会进入裂缝使裂缝不怎么透水。不过,新近的施工实践表明,建在狭窄河谷的高混凝土面板堆石坝出现了很大的压缩裂缝和剪切裂缝。现在正在仔细分析这些情况,以解释未曾预见的性状。为了避免这种开裂,似乎要求质量很高、变形模量很高的碾压堆石和/或面板和接缝的特殊设计。沥青心墙呈现出粘弹性-塑性和易延展性,因此,具有自愈能力和减轻任何应力集中的潜在能力。没有报道过沥青心墙漏水的情况,可以认为无需维修。需要有经验的承包商来妥善地修建混凝土面板,要注意细部结构,如面板接缝处的止水和钢筋,以及趾板处的周边缝等。沥青心墙和过渡区(2区)的施工比面板施工简单得多。此外,工人在混凝土面板堆石坝上游陡坝坡(通常1V∶1.3H)上工作的风险比在沥青心墙上施工所面临的风险要高得多。沥青心墙受到保护,不会遭受水库漂浮物的冲击和破坏,不会因风化而老化,沥青心墙忍受基础沉降以及静荷载和地震荷载引起的坝体变形方面的性能也优于倾斜的上游混凝土面板,