浅谈混凝土面板堆石坝的发展及展望论文_涂幸

安徽省临淮岗洪水控制工程管理局 安徽合肥 230088

摘要:混凝土面板堆石坝由于其安全性、经济性、适用性等方面的优越性,成为目前最具竞争力的坝型之一。我国虽然在混凝土面板堆石坝方面起步较晚,但发展十分迅速,目前我国在建坝数量、筑坝技术等多方面均处于世界领先水平。本文从面板坝的发展历程出发,展望我国混凝土面板堆石坝的未来发展,浅谈后期建设超高级面板坝的关键技术核心问题。

关键词:混凝土面板堆石坝;发展;展望

1 引言

混凝土面板堆石坝是采用堆石分层碾压填筑成坝体,上游面设置混凝土面板作为防渗体的一种土石坝。1985年,我国开始以现代技术修建碾压式混凝土面板堆石坝,距今只有30多年,起步虽然较晚,发展却十分迅速。混凝土面板堆石坝能在短期内得到迅速地发展和广泛地运用,是由于其在技术和经济等方面的优越性,其优点主要有安全性高、造价低、实用性强、施工方便、抗震能力强等。

2 混凝土面板堆石坝的发展

虽然古代就已经采用石料筑坝的技术,但一般认为堆石坝是在1870年发展于美国的。J.B.Cooke认为堆石坝的发展进程可以划分为以下三个阶段[1]:

(1)早期阶段(1850-1940年)

早起以抛填堆石作为坝体,表面覆盖木板作为防渗体。随着筑坝技术的进步,18世纪末期开始修建以混凝土作为面板的堆石坝,并成为一种典型的堆石坝。

(2)过渡阶段(1940-1965年)

由于抛填的堆石坝体变形量大,导致面板破坏,蓄水后出现大量渗漏,虽然工程运行是安全的,但是渗漏问题使得混凝土面板堆石坝在20世纪40-50年代处于停滞状态。1960年美国土木工程师协会发表了堆石坝学术会议的论文和讨论文章,C.M.Roberts介绍了1958年完建的Quoich坝采用碾压式堆石的例子。土力学家K.Terzaghi提出,堆石体经过碾压之后,变形量就会变小很多,混凝土面板的应力变形状况也会得到大大改善。这为混凝土面板堆石坝后期得到发展提供了良好的基础。

(3)现代阶段(1965年以后)

以薄层碾压为特征的现代混凝土面板堆石坝开始兴起,薄层碾压堆石体密实且变形较小,使得混凝土面板的工作状况大为改善。同时,施工机械的发展,尤其是大型振动碾的发明,推进了混凝土面板堆石坝的发展,这些使得混凝土面板堆石坝又重新得到重视,日益成为一种常用的坝型。

我国于20世纪50年代后才开始修建堆石坝,20世纪80年代开始以现代技术修建碾压式混凝土面板堆石坝。1985年,湖北西北口大坝成为我国最早开工建设的混凝土面板堆石坝,1988年,我国第一座混凝土面板堆石坝辽宁关门山大坝建成,坝高58.5m。与国外相比,我国的混凝土面板堆石坝起步较晚,但是起点高,发展迅速。表1列出了我国具有代表性的混凝土面板堆石坝。

无论是在理论或是实践方面,我国混凝土面板堆石坝都取得了相当大的进展,但发展过程中也遭遇了挫折。

1993年,青海沟后面板坝溃决,造成下游人员和财产的严重损失。其主要原因是面板严重渗漏,尤其是防浪墙与面板之间接缝止水的失效,导致坝体大量进水,而坝体又未设排水设施,使得浸润线升高,坝体的稳定性降低,形成了渗透破坏,造成坝体溃决。而管理上的混乱和不负责任更是导致工程失事的直接原因。

天生桥一级面板堆石坝也发生了面板挤压破坏,垫层料、面板开裂的情况。施工期间上、下游堆石体高差较大,堆石间产生过大的沉降差,引起了上游坝面拉伸变形,导致垫层料开裂,垫层料裂缝最长96m,最宽5cm,最深1.5m。堆石体过大的变形使面板与垫层料脱空,脱空面板共计104块,最大脱空度150mm,脱空后顶部面板失去有效支撑,致使面板产生许多水平弯曲裂缝[3]。

水布垭坝的面板也有局部破损,一期、二期、三期面板均出现了不同程度的裂缝,裂缝数量多,且分布较广。出现裂缝主要有以下原因:(1)外力作用下产生结构性裂缝;(2)干缩和温度应力引起;(3)堆石体变形;(4)两岸坝坡不对称[3]。

这些工程出现的具有代表性的问题,虽有一定的影响,但是对我国面板坝发展是不可或缺的宝贵经验,对建设和管理水平的提高有巨大意义。目前,无论是在建坝高度、难度、数量上,还是在筑坝技术方面,我国的混凝土面板堆石坝均处于世界领先水平。我国的水布垭面板坝,坝高233m,是目前世界上最高的混凝土面板堆石坝。

3 展望

我国水电开发正进入一个快速发展期,开发利用西部地区丰富的水能资源,需要修建高坝大库。但这些高坝工程多处于高山峡谷地区,地质地形环境复杂,交通十分不便,混凝土面板堆石坝的优越性使其成为最具竞争力的坝型之一,越来越受到坝工界的重视。

随着我国水电开发的不断推进,修建超高(300m级)的混凝土面板堆石坝已经成为了一种必然趋势,如规划的新疆库玛拉克河大石峡水电站(251m)、青海黄河茨哈峡(254m)等。我国也正面临着实现300m级混凝土面板堆石坝的挑战。

对300m级面板坝筑坝的关键技术进行深入的研究是我国水电开发可持续发展的需要。从目前面板坝的建设和运行来看,如何控制堆石体的变形和面板的开裂问题是超高面板坝关键技术的核心。攻克300m级面板坝还需从以下几个方面进行深入研究[4,5]:

(1)研究建立更符合混凝土面板坝实际的堆石体本构模型及接触面模型,提高数值模拟的准确度和精细度。

(2)建设关键技术研究的试验性依托工程,选择建设条件较好的地点建设300m级的面板堆石坝作为依托工程,开展堆石体变形以及面板开裂的机理研究,与已建的面板坝资料进行比较,制定符合300m级超高面板坝的设计和施工技术要求。

(3)深入开展混凝土面板开裂机理和挤压破损机理的研究,预测300m级面板坝面板开裂及破坏的可能性,提出控制堆石体变形和面板防裂方面的超高面板坝筑坝材料及施工措施的要求。

(4)深入开展堆石体长期变形特性的研究,在超高混凝土面板堆石坝的设计和施工中为堆石体长期变形预留一定的沉降量。

(5)加强对已建工程监测,研制更为精密的坝体内部变形、渗流量的监测设施,为超高坝的研究提供数据支撑。

(6)研制更为先进的压实机具,提高堆石体的压实度,减少坝体后期的沉降量。

随着对高面板坝工作机理和工程实际的认识不断深刻,在不远的将来完成一批超高面板坝建设的同时,将形成我国自己的高混凝土面板堆石坝理论系统。

参考文献:

[1]蒋国澄,傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社,1997.

[2]马洪琪,曹克明.超高面板坝的关键技术问题[J].中国工程科学,2007,9(11):4-10.

[3]罗福海,张保军,夏界平.水布垭大坝施工期面板裂缝成因分析及处理措施[J].人民长江,2011,42(01):50-53.

[4]郦能惠,杨泽艳.中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J].岩土工程学报,2012,34(8):1361-1368.

[5]马洪琪.300m级面板堆石坝适应性及对策研究[J].中国工程科学,2011,13(12):4-8.

论文作者:涂幸

论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期

论文发表时间:2017/11/1

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