堆石坝的变形特性——以巴西的几座堆石坝特性为例

[] C.B.

1 概 述

巴西大多数堆石坝都建成于近40 a，其中多数都进行了观测且公布了观测数据。至于大坝的变形特性，本文试图对其中8座大坝的观测数据进行分析和讨论，从而对这一问题给出清晰的认识。

表1列出了8座大坝的名称，以及各坝的坝高与最大沉降量。F.阿雷亚(Foz do Areia)坝和欣戈(Xingó)坝都是混凝土面板堆石坝，其他为心墙坝。上下游边坡均较陡。其中表现最突出的为恩博尔卡考(Emborcação)坝，由于是初次蓄水，该坝的坝顶出现了大量的纵向裂缝，大坝断面见图1。该坝之所以采用上游斜心墙，主要是为了减少不均匀沉降的影响。堆石料分别按0.6，0.9 m和1.2 m的厚度进行压实。就变形模量值而言，当层厚从0.6 m到1.2 m时，模量显著降低。高碾压厚度对变形带来的影响远大于心墙变形的影响，这一现象结合过渡带的高模量以及其他设计细节，在水库水位快速上升时导致了坝顶大量纵缝的产生。

对该坝体裂缝进行了修复，但在后期根据运行要求水库水位下降时，又发生了新的开裂。尽管如此，大坝总体性状仍令人满意，其渗漏量很小，约10L/min,这是因为进行了大量的灌浆防渗处理，而且设置了内部防渗铺盖。分析恩博尔卡考坝的变形型式得出，下游边坡在水平方向位移超过1 m，垂直方向超过1.5 m。大坝竣工后，变形仍十分明显。需要指出的是，大坝尚未完建前就开始了蓄水。内部最大沉降量为3.8 m(见表1)。坝顶测量结果表明，上游沉降量比下游沉降量高出50 cm，坝顶每隔25 cm设一个标志点，测得最大裂缝宽度为25 cm。

表1 8座大坝坝高与最大沉降量

图1 恩博尔卡考坝断面

恩博尔卡考坝隶属于CEMIG(巴西最大的能源公司)，该公司后来建设了N.篷蒂(Nova Ponte)坝，为了避免产生与恩博尔卡考坝同样的问题，在断面设计中采用了低压缩性材料，这种材料由阶地砂卵石和不透水土料组成。堆石料用于上下游不透水材料相对很窄的区域。最大沉降量为0.5 m，坝面变形也很小(见图2)。

图2 N.蓬蒂坝断面

在S.梅萨(Serrada Mesa)坝建设中，采用了另一个解决变形问题的方法，见图3。施工中对所有的材料进行了最大程度的压实，达到很高的(超常)模量，如表2所示。可以看出，最优含水量偏干和偏湿击实时得到的模量不同。大坝最大内部沉降量为0.5 m。这种方法并不推荐作为规范方法，但是对于库容达到540亿m3的大坝是可以接受的。

图3 S.梅萨坝断面

表2 模量MPa

在P.卡瓦卢(Pedra do Cavalo)坝(见图4)中，同样采用了上游斜心墙布置，除此之外，靠近过渡区的堆石料压实厚度为1.2 m，更易于变形。与表2中的模量相对应，内部沉降量最大达到2.2 m。另外两座堆石坝科伦巴(Corumbá)坝(图5) 和米兰达(Miranda)坝(图6) 也采用了传统的心墙坝型式。

图4 P.卡瓦卢坝断面

图5 科伦巴坝断面

图6 米兰达坝断面

2 堆石坝变形的影响因素

分析击实特性和变形模量得出，岩性在变形中并不是主要的影响因素，S.梅莎坝中大量使用花岗岩的情况除外。

影响堆石坝变形的主要因素如下：

(1) 岩性；

(2) 河谷形状；

(3) 颗粒分布；

(4) 设计特性(封面、上下游边坡、相邻材料的特性)；

(5) 施工(进度、施工缝)；

(6) 压实状况(碾压厚度、碾压遍数)。

关于河谷形状的影响，平托等人曾对15座混凝土面板堆石坝的压缩模量和孔隙率之间的关系进行了探究，计算了坝体上游面面积与坝高平方比(A/H2)之间关系的形状系数，并提出了一个窄河谷(A/H2<3.5)和宽河谷(A/H2>4)的概念，但分析中没有考虑压实特性。

本文提到的8座大坝都来属于宽河谷，但A/H2远大于4。分析这8座大坝的资料可以看出，河谷的形状并非大坝变形的主要影响因素。

分析大坝材料的粒径分布曲线得出，尽管粒径大小有所不同，但并没有考虑同变形建立起相关关系。表面看这之间并不存在什么联系。考虑设计曲线的特点，粒径大小影响最大的是大坝的总体变形量。例如，如果外部边坡较陡，坝壳的变形量就会增加。另一个问题是过渡料通常变形量较小，对于心墙的变形以及对于临近的坝壳部分的变形都会产生影响。F.阿雷亚坝和欣戈坝两座面板堆石坝，并没有受不均匀变形的影响，但由于堆石体的变形总是存在，所以本文一并进行讨论。

施工也会影响到大坝的变形，例如施工速度。已有的信息表明，堆石料在填筑之后仍会继续变形，因此人们会得出这样的结论：施工速度较慢，产生的堆石体变形便较小。施工缝也会影响到变形，例如在科伦亚巴坝中，由于施工缝问题，在施工过程中就产生了裂缝。

由此可以认为，影响堆石坝变形的最主要因素是压实特性，在这8座大坝的比较分析中，有一个要素始终不变，即都使用的是9 t的碾(静力)。

在一些坝的碾压过程中，仅在特定区域进行了适当的加湿处理，这种做法似乎对变形影响不大。

影响最大的还是碾压厚度和碾压遍数，有人试图建立起压缩模量与变形的相关关系。本文提到的模量是通过不同的方法得到的，有些是通过有限元应力-应变计算得到的，有些是根据在一个压缩层中特定的变形通过计算得到的。为了测得压缩层的变形，在压缩层上部布置有沉降位移传感器，顶部有压力传感器。对于人工计算模量的方法，戴维斯等人建议采用一个影响修正系数，但在其他计算中也不一定如此。不管怎样，这里提到的模量已足以给出一个堆石料变形特性的大致轮廓。

图7 碾压厚度与压缩模量的关系

图7给出了碾压厚度与模量的变化关系，图中标记点旁边的字母对应大坝的初始阶段，可以看到碾压厚度与模量之间确实有一定的相关性。需要注意，由于S.梅萨坝模量高，完全离开了图中的主体范围。多数大坝的碾压厚度在0.8～1.0 m之间。图8给出了碾压遍数与模量之间的关系，包括0.8 m和1.0 m的碾压厚度。分析表明，有6座大坝的模量在30～50 MPa之间，与碾压遍数之间没有明显的相关

图8 碾压遍数与压缩模量的关系

关系，也许这些模量的变化是由于其他一些因素造成的，例如岩石强度与粒度等。针对S.梅萨坝的情况，该坝通过12遍碾压，得到了较高的模量值，表明碾压遍数可能是堆石料变形的最为主要的影响因素。可惜在6～12遍碾压遍数之间，缺乏相应的工程实例。另外需要指出的是，S.梅萨大坝使用的堆石料属于块体花岗岩，这也是得出高模量的一个原因。

针对S.梅萨坝，曾在试验室采用直径1 m的试样对堆石料进行了试验，得到与现场试验吻合的结果，这对预测堆石料的变形是一个很好的手段。

最后需要指出的是，应尽一切可能的努力来避免坝顶产生纵向裂缝。正如以上所讨论的，其裂缝的形成原因正是由于组成大坝断面坝料间的不均匀沉降造成的。尽管这类裂缝对于大坝的安全不会产生太大的威胁，但也应该避免。本文旨在给出一些能够改进堆石坝设计的信息，避免产生不愿出现的现象，不过这些现象在全世界许多大坝中都普遍存在。

3 结 语

如果需要设计一座高堆石坝(>100 m)，应进行信息分析，选取各类参数并用于应力-应变分析。同时也应配合室内试验，确定细粒料的变形特性。

或许在不远的将来可以在试验室准确预测出堆石料的变形特性。

另外在施工过程中，所有的碾压控制记录应该妥善保存，通过试验室试验确定粒径分布与岩石的质量，例如无侧限抗压试验、洛杉矶抗磨损试验和巴西抗拉试验等等。大坝还应布设变形观测设备。

根据材料的压实特性，通过有效地调整断面，就完全可以建成不再出现纵缝的堆石坝。