探究300m级浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝设计

1问题的提出我国西部有着丰富的水能资源，在大江大河上、高山峡谷区以及相对偏远地区开发水电资源，需要修建300m级(坝高在250m以上)的特高坝，以形成龙头水库来提高流域梯级电站的补偿调节性能和提高电能质量。但由于大江大河的上游一般都位于经济相对落后、交通闭塞的高寒山区，受对外交通条件、地形地质条件以及筑坝材料等因素的制约，使得混凝土面板堆石坝成为最具有竞争力的首选坝型。目前，因不能把握300m级特高面板堆石坝的工程特性以及关键技术问题和运行特性，使得在坝型选择时不能直接选择面板堆石坝方案，而选择外来建材运输量大、造价高的混凝土坝或体积大且占用耕地多、对环境和水土保持易造成不利影响的心墙堆石坝方案，有的工程在近坝区甚至没有可用的防渗土料，这使得待建水电站的经济指标竞争力降低，因此，未来我国水电站的建设迫切需要在300m级特高面板堆石坝技术上有所突破。当前，我国设计和建造200m级(坝高在150～250m范围)超高混凝土面板堆石坝的技术已经成熟。工程建设和运行实践表明，与100m级(坝高在70～150m范围)的高混凝土面板堆石坝相比，200m级超高混凝土面板堆石坝具有一些新的特点，主要表现在:①由于坝高增加，使得坝体的应力水平较高，造成分区堆石料变形差异趋于严重;②坝体工程量大，施工周期长，需要填筑临时剖面来抵挡施工期洪水，甚至有可能要求在堆石体上过流;③建于窄狭河谷中的特高面板堆石坝，其堆石体存在着拱效应，使坝体的三维效应加剧，在施工期、运行初期其应力和变形性状明显有别于100m级面板堆石坝;④堆石体流变变形的存在，使得200m级面板堆石坝后期坝体变形量较大，对防渗体系的应力、变形性态起着主导作用，是面板及趾板等防渗结构最大的安全隐患。200m级混凝土面板堆石坝表现出的上述性态，在300m级混凝土面板堆石坝上将会体现的更加明显、突出。因此，为了打破混凝土面板堆石坝向300m级坝高发展的关键瓶颈，必须在筑坝材料、坝体结构形式和施工技术方面寻求新的突破、创新。施工方式和筑坝材料的改进是大坝建设技术进步的关键，在筑坝材料方面寻求改进或变革，是突破300m级面板堆石坝筑坝技术瓶颈的研究重点。胶凝堆石料，即水泥胶结堆石料(Cementenrichedrockfill，欧美称为Hardfill、日本称为CSG)，以其独具有的工程特殊性能，使其成为300m级特高面板堆石坝理想的筑坝材料。而浇筑式沥青混凝土面板可以有效克服钢筋混凝土面板在特高坝方面表现出的不足，以其良好的防渗性能和适应变形能力，与以胶凝堆石料为主材填筑的堆石坝体组合，构成300m级面板堆石坝的完美结构形式。根据其筑坝材料的特点，这种坝型可称为“浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝”。2Hardfill坝及Hardfill材料的工程特性Hardfill材料是一种新型的筑坝材料，其基本特点是①利用在坝址附近易于得到的河床砂卵石或开挖弃渣料等材料，在其中加入水和少量水泥经碾压而成的一种低强度(相对于混凝土来讲)材料;②其材料性质具有较大的离散性，因为其性能随骨料级配、水泥用量、单位用水量的不同而不同;③基本上不进行骨料级配调整，也无需清洗骨料，因此，生产方便、价格低廉。Hardfill坝是一种新坝型，自1993年在希腊建成世界第一座Hardfill材料坝Marathia坝(坝高25m)以来，2005年在土耳其建成的Cindere坝(坝高107m)是目前世界上最高的Hardfill坝。日本自20世纪90年代开始大力研究和开发具有自身特点的Hardfill坝，并称为CSG(CementedSandGravel)，目前已建成多座CSG坝，其中坝高62m的Honmyogawa坝为建成的最大坝高。在我国，Hardfill坝的应用开始于2004年，已建成的最大坝高为50m，是2009年在云南澜沧江功果桥水电站上游围堰采用的胶凝砂砾石围堰工程。截至目前，我国尚无在主体工程上采用Hardfill坝(或CSG坝)的先例。Hardfill坝的坝体断面为上、下游对称或基本对称的梯形断面，其体形介于重力坝和面板堆石坝之间，上、下游坝坡可根据具体工程的坝基条件、坝高以及筑坝材料的性能等因素来确定，一般在1∶0.5～1∶0.8之间，坝体防渗由上游防渗面板来承担。大坝坝体按堆石坝施工工艺进行薄层碾压填筑，施工效率高，投资省。泄洪设施可布置在坝身，不需要在河岸开凿溢洪道或泄洪隧洞。施工期允许坝身过水，便于施工导流。Hardfill坝典型剖面见图1。Hardfill材料具有类似于贫碾压混凝土的一些性质，但又有其自身的特性。在力学性能方面表现为:①应力-应变关系。Hardfill材料是一种典型的弹塑性材料，具有弹性区域和塑性区域，拉伸性很强，是处于混凝土和堆石料之间的过渡材料，其强度和变形模量低于混凝土，但大大高于堆石料，Hardfill材料的变形模量大约是碾压堆石的10～100倍。②强度方面。Hardfill材料具有类似混凝土材料的性质，即强度随龄期增长，龄期越长，强度越大，同时也具有一定的抗拉强度(约为碾压混凝土的1/2～1/4)，拉压比在1/10左右，与混凝土相近。③骨料组成方面。Hardfill材料不进行骨料级配调整，但由于它比碾压混凝土有更大的离散性，通常需要严格控制粗骨料的含量，骨料最大粒径不宜大于80mm。④水泥用量和用水量方面。水泥用量是决定Hardfill材料强度的主要因素，水泥用量越多，Hardfill材料的弹性模量越高，这和常规混凝土的力学性能是一致的，在相同水泥用量情况下，只有选用最优用水量才能使Hardfill材料达到最高强度，低于最优用水量，虽然水灰比减小，但Hardfill材料存在很多空隙，弹性模量依然较低，Hardfill材料水泥用量一般为40～80kg/m3，水灰比应在0.8～1.2之间。Hardfill材料的工程物理性能表现为:①渗透性能。Hardfill材料具有较大的渗透性，渗透系数可达10-3～10-5cm/s，而一般常态混凝土渗透系数在10-10cm/s量级，故Hardfill材料可以达到自由排水的效果。②抗溶蚀性。在压力水长期渗透作用下，Hardfill材料的强度会有较大的下降(降幅达20%～30%)。③热力学性能。水泥掺量在50～60kg/m3的Hardfill材料，强度可达到5MPa(90d龄期)，弹性模量约为2GPa(是一般混凝土的1/10左右)，产生的绝热温升约为8～10℃，产生的温度应力约为碾压混凝土重力坝的1/15～1/20，故其自身的抗拉强度足以抵御其温度应力，不用设置伸缩缝。④施工。Hardfill坝可以像堆石坝一样全断面快速碾压施工，施工期可以允许坝身过水。3浇筑式沥青混凝土面板面板是面板堆石坝主要的防渗结构，采用常规堆石料修建的200m级钢筋混凝土面板堆石坝，由于堆石体流变变形的存在，使坝体在施工期和运行期较长时段内存在不均匀沉降变形，导致钢筋混凝土面板因不能适应超高面板坝坝体变形而出现挤压、开裂、错断等破坏形式，因此，钢筋混凝土面板应用于300m级特高面板堆石坝有其自身难以克服的缺点。浇筑式沥青混凝土面板由于具有较好的柔韧性和优良的防渗性能，可以适应特高面板堆石坝的变形，可以人工浇筑，不需要机械碾压，可以在-20～-30℃下浇筑，对于修建在寒冷地区、又需冬季施工、坝体变形较大的特高面板堆石坝特别适合。所以，浇筑式沥青混凝土面板是300m级面板堆石坝理想的面板结构形式。沥青混凝土面板按施工方式分为碾压式和浇筑式。根据国内外工程经验，沥青混凝土面板堆石坝的上游坝坡多是从施工便利角度出发来考虑，以满足施工人员的工作安全和摊铺、碾压机械的作业效果为前提条件，碾压式沥青混凝土面板目前多用于抽水蓄能电站的上池库盆防渗，且坝坡多缓于1∶1.7。由于多数面板堆石坝的上游坝坡采用1∶1.4，Hardfill坝的上游坝坡一般都陡于1∶1，因此，较陡的坝坡面不便于碾压式沥青混凝土面板的摊铺、碾压作业，从而限制了碾压式沥青混凝土面板的使用，但浇筑式沥青混凝土面板由于采用了浇筑方式进行施工，对于陡边坡或直立面都适合采用。从已建成的工程统计资料来看，沥青混凝土面板堆石坝坝高绝大多数在70m以下，且多采用碾压式沥青混凝土，在坝高大于100m的高面板坝上目前还缺乏成熟的应用经验。浇筑式沥青混凝土面板由护面板和沥青混凝土防渗层组成。护面板按钢筋混凝土预制构件设计，要求满足沥青混凝土防渗层流变侧压力对强度和刚度的要求，护面板厚5～10cm、长100～200cm、高40～60cm，护面板四周设置企口以便于相互联结，护面板用锚筋固定于坝面。沥青混凝土防渗层所用的沥青混凝土要求满足防渗性、流变稳定性、方便施工的要求，防渗层厚6～10cm，沥青采用50号水工沥青、道路沥青或掺配沥青，配合比参数范围为:沥青占沥青混合料总重的11%～16%，填料占矿料总重的16%～20%，骨料的最大粒径为4.75～13.2mm，级配指数0.24～0.3。4300m级浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝的典型剖面设计我国对Hardfill材料的研究起步较晚，现阶段对于胶凝堆石坝(或胶凝砂砾石坝)坝体剖面设计尚缺乏系统理论支撑，多将Hardfill材料看作混凝土材料，采用线弹性本构关系来模拟Hardfill材料的本构关系。但现有研究成果表明，胶凝堆石料具有明显的非线性及弹塑性特征，可是目前研究成果仍主要集中在对其弹性特征的描述方面，尚无法反映其塑性变形特征。因此，采用线弹性本构关系不能准确地模拟Hardfill材料的实际应力-应变状态。Hardfill材料介于堆石料和混凝土材料之间，Hardfill坝剖面同样介于面板堆石坝和混凝土重力坝之间，很显然，完全套用混凝土重力坝的设计理念进行Hardfill坝剖面设计是不合理、不准确的。如果依据重力坝设计理念，按材料力学的方法，以坝体不产生拉应力和满足Hardfill材料的抗压强度要求作为应力控制标准，同时满足坝体整体稳定要求来拟定Hardfill坝坝体剖面，当取上、下游边坡为1∶0.7、坝顶宽度5m时，在满库水重和坝体自重作用下，以Hardfill材料设计强度6MPa为控制标准，经计算，最大坝高为68m。已建成的土耳其Cindere坝，坝高107m，上、下游边坡均为1∶0.7，胶凝材料为50kg/m3水泥和20kg/m3粉煤灰，材料设计强度为6MPa，很明显是不满足重力坝设计标准的，但实际上大坝却在安全运行，这就是典型的例证。现代混凝土面板堆石坝设计，计算分析工作主要为坝体边坡稳定分析和坝体及面板的应力、变形分析，而变形控制是300m级特高混凝土面板堆石坝设计和施工的核心，变形控制的目的是确保上游坝面防渗结构与坝体堆石变形的协调性，防止防渗体系遭受破坏。坝体设计的基本过程为①采用极限平衡分析方法对坝体的边坡进行不同坡比的稳定分析，从中找出满足规范要求的最小坡比;②通过有限元计算，针对堆石分区边界线的不同位置进行应力变形分析，从中找出满足坝体和面板应力变形要求的坝体分区。因此，可以说坝体变形控制设计的核心就是坝体的分区设计以及各分区填筑材料性能指标的选用。采用普通堆石料填筑的堆石坝，无论堆石的密实状态如何，堆石块状颗粒之间的孔隙总是存在的，这就为堆石体的变形创造了条件。利用胶凝堆石料作为面板堆石坝的筑坝材料，由于其强度、刚度和整体性大大高于作为散粒体结构的普通堆石料，其较强的抗冲、抗剪、抗压强度以及更高的变形模量，可减小面板变形和周边缝张开，且不存在因时间效应引起的堆石体流变问题。面板胶凝堆石坝典型剖面示意面板胶凝堆石坝的设计应以控制大坝结构的强度安全和稳定安全为基本原则，其主导思想是变形控制和渗透稳定。为了充分利用当地材料以及发挥不同组份材料的力学性能，可以参照面板堆石坝进行材料分区，不必像胶凝砂砾石坝(CSG坝)一样全断面采用同一种组份和性能的材料。已有研究成果表明:当胶凝材料含量为40～80kg/m3时，满足坝坡自身稳定的临界坡比从1∶0.7过渡到直立，坝体剖面逐步从类似于堆石坝剖面过渡到混凝土重力坝剖面，此时的胶凝堆石坝既有混凝土重力坝的特征又有土石坝的特征。也就是说坝体剖面设计的上、下游边坡首先要满足坝坡自身稳定的边坡要求，当满足这一要求的边坡比较陡时(如小于1∶0.5)，坝体的下游边坡还要满足坝体的整体稳定要求。强度校核标准要根据坝体的应力分布状况而确定，当最大、最小应力出现在坝体表面时，按单轴抗压、抗拉强度校核，当最大应力出现在坝体内部时，既要校核坝体内部应力水平，又要按坝体边缘应力校核其抗压、抗拉强度。坝体结构从上游至下游依次为:(1)浇筑式沥青混凝土防渗面板。包括护面板和防渗层，厚度10～20cm。起防渗作用。(2)垫层料Hardfill区。厚度10～12m，采用等厚度设置。在常规垫层料中掺加富胶凝材料碾压而成，对沥青混凝土面板防渗体起支承作用，并起辅助防渗作用。其性能相当于碾压混凝土。(3)坝体排水层。采用常规主堆石料填筑，具有自由排水功能，厚度3～10m，从坝上部向下逐渐加宽;坝顶部因宽度限制无法设置排水层的部位改为设置坝内排水孔。其作用是对经过面板和垫层料Hardfill区的渗水进行截流、排泄，防止渗水对主堆石料Hardfill区的溶蚀破坏。(4)主堆石料Hardfill区。采用在常规主堆石料中掺加适量胶凝材料碾压而成，是大坝的主要受力区域，抵抗库水对坝体形成的压力。(5)下游坝基砂卵砾石保留区。为了节省大坝填筑工程量，在坝体下游部位的任意料Hardfill区基础部位，对满足大坝承载力要求的河床砂卵砾石层予以保留。(6)任意料Hardfill区。采用任意堆石料(包括隧洞开挖洞渣、坝基开挖弃渣、河床砂卵石、料场开挖弃料或其他软岩堆石料、常规的次堆石料以及它们的混合料等)掺加适量的胶凝材料碾压而成，其力学性能稍次于主堆石料Hardfill区，主要起坝体稳定作用。5浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝的施工方法研究5.1胶凝堆石料施工由于施工方法的改变对Hardfill材料的物理力学指标和坝体的剖面型式都有直接影响，因此，应通过工程实践，结合生产过程研究和探索适合胶凝堆石坝填筑的施工方法(包括坝材制备、坝料运输、铺料、洒水以及碾压方法)、施工机械(包括坝料开采机械、坝料拌和和运输机械、摊铺机械、填筑洒水机械以及碾压设备)以及施工方法与施工设备的相互配套，并提出保证工程质量的施工程序和现场质量控制标准。目前国内外的胶凝砂砾石坝(CSG坝)施工方法大多采用两种类型，一种是采用碾压混凝土坝的拌和及运输、卸料、平仓、碾压方法进行施工，即碾压混凝土施工法(或称为“浇筑法”);另一种是利用施工机械进行非常简易的拌和后，按照堆石料填筑的方法运输上坝、铺料、碾压，即堆石料填筑施工法(或称为“填筑法”)。前者施工质量较好，工程质量容易把控，但是当坝体剖面较大时，经济效益不明显;后者显然施工简单，但施工质量难以得到保证，目前只能在临时项目(如围堰工程)上采用，永久工程建设中未能够得以推广。但是，随着新型施工机具的出现以及对施工工艺、现场施工质量控制措施的不断完善，采用立模填筑法施工Hardfill材料将具有很大的技术优势，将会得到大力发展。5.2浇筑式沥青混凝土面板施工浇筑式沥青混凝土具有沥青含量高、矿粉含量高和拌和温度高的特点。浇筑式沥青混凝土因为是利用其高温时的流动性“浇筑、摊平”，不需要碾压而成为高密度的没有空隙的均匀的防渗层，具备如下优点:密实不透水，耐久性好，同时又具有极好的粘韧性，适应变形能力强，与坝面变形具有很好的随从性。目前，在坝工方面浇筑式沥青混凝土面板应用经验缺乏，但浇筑式沥青混凝土心墙应用较多，具有成熟的施工工艺;在交通领域，浇筑式沥青混凝土已经普遍采用，具有成熟的施工工艺。浇筑式沥青混凝土面板的施工方法可以参照浇筑式沥青混凝土心墙和交通领域浇筑式沥青混凝土路面的有关施工方法进行。6钢筋混凝土面板堆石坝与浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝比较与钢筋混凝土面板堆石坝相比，在施工方面，浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝具有如下优点:①坝体工程量相对较小，施工需要投入的人员、设备相对较少，临建规模和场地占用面积相对较小;②坝体进行立模填筑，不需要进行坝坡面防护;③不需要预留坝体沉降期，可满足大坝连续施工、均衡上升的要求，使工期缩短;④面板可随坝体上升随时浇筑，对水库进行分期蓄水、电站提前发电有利。