竖向排水——地震区采用新材料修建CFRD的一种安全措施

［巴西］B．马特恩



竖向排水——地震区采用新材料修建CFRD的一种安全措施

［巴西］B．马特恩

摘要:随着建坝经验的不断累积，混凝土面板堆石坝(CFRD)的设计水平也在不断提高。介绍了RCC经典分区、CFRD的抗震性能、用于防止下游坝体饱和的竖向排水，以及中南美国家采用新材料筑坝的设计理念。研究表明，竖向排水可作为地震区采用新材料修建CFRD的一种安全措施。

关键词:混凝土面板堆石坝;坝设计;抗震设计

1　概述

自1984年在美国底特律举办的专题研讨会以来，CFRD设计与施工技术取得了显著进展。当时，J．B库克和J．L．谢拉德两位专家论述并建议采用国际分区对CFRD不同新设计和施工方案进行比较。

在过去的30 a内(1984～2014年)，由于发生了很多重大事件，使得设计方法不断改进，这包括采用不同于堆石料的新材料，以及在地震区采用更为安全的大坝施工方法。

本文旨在论述现有的经验，在坝体内部材料质量不良的情况下，通过控制中心排水来保护下游区域，甚至防止在极端情况下下游区域的饱和，以及由于地震破坏趾板的防水性能而导致的大坝上游区的饱和。

2　CFRD的经典分区

图1所示为底特律专题研讨会(1984年)提出的大坝分区图。

1A区:铺置在主板上的材料，之前采用的是不透水的黏土材料，现采用低塑性淤泥。

1B区:任意石料区，用来压实1A区的任意石料，用专门的压实设备压实。

图1　底特律研讨会建议的CFRD的经典分区(1985年)

材料2:这些石料级配良好，最大粒径在76～100 mm之间，砂的含量介于35%～60%，细粒料所占比例小于8%，与谢拉德建议的一致。

材料3A:这是石料2和石料3B之间的过渡区。在一些有冲积材料的大坝中已经除去了材料3A，因为在这些大坝中材料2和材料3B具有很好的自然相关性。

材料3B:材料级配良好，最大粒径等于或小于该层厚度。

材料3C:级配良好的高质量的细粒土，最大粒径等于或小于该层厚度。层厚度大于3B。

材料T:位于大坝中心区，材料质量稍差，其堆积角度取决于材料的质量，并且材料通常会压实到厚度小于3B。

材料4:材料位于下游坝坡，用以保证最后的美观性。

3　其他材料的使用

冲积材料在大坝施工中的应用表明，这些材料具有较好的变形特性，非常适合作为主防渗面板。目前应用的国家有哥伦比亚、中国、智利和秘鲁，应用的大坝包括哥伦比亚的萨尔瓦兴娜(Salvajina)坝(148 m)、智利的圣胡安娜(Santa Juana)坝(110 m)和普卡拉罗坝(85 m)，以及中国的柯柯亚坝(120 m)、乌鲁瓦提坝(138 m)等。其中一些坝还采用了内部斜坡排水，以防万一渗漏时主坝体出现饱和。还有一些大坝采用深厚冲积层上的连接趾板与地下连续墙来控制通过河床的渗漏量。这些面板坝运行状况良好。

使用页岩材料的澳大利亚袋鼠溪(Kangaroo Creek)坝的观测结果被应用到哥伦比亚的波尔塞(Porce) III面板坝中。采用水平排水与中央排水相连的方式，可以防止下游坝体饱和。秘鲁正在施工的查格亚(Chaglla)坝，在T区采用了大量的崩积土与细粒土料。

4　CFRD的抗震性能

地震中的许多观测结果，为人们解释关于地震高发区一带CFRD的设计采用防护措施的重要性提供了参考，最重要的措施总结如下:

(1)如作者和G．费尔南德斯(2011年)的建议，采用保守的轮廓，如图2所示，包括一个与中心轴线水平排水相连的竖向排水，这样在地震引起址板与基岩之间灌浆接触面破坏时，仍可以保证大坝的安全，同时允许进水;

(2)通过常规的动力稳定计算方法检验大坝稳定性，即赋予坝址位置一定的加速度值，N/A的值=抵抗系数/最大地震加速度=0．2;

(3)根据大坝高度，在大坝顶部(25%～30%H)采用坡比为1．5～1．6的较平缓坝坡;

(4)对于150 m高的坝，将大坝顶部拓宽至8 m，对于150～300 m高的大坝，采用公式8+2%H计算拓宽宽度;

(5)大坝分区考虑下游排水部位质量较差的T区材料，检验采用新参数时的稳定性;

(6)用大于20 t的振动碾压设备进行压实，转鼓之上最少为12 t，静止压力大于5 t/m。如果材料是堆石料，供水大于等于200 L/m3，每层的厚度可为3B=60 cm，T= 45 cm，3C = 80 cm，含有大量细粒土的材料(t)不需要加水;

(7)设置一或两道至少4 m高的防浪墙;

(8)除了水力要求外，额外增加1．3%H的安全超高;

(9)在周边缝处采用性能良好的止水，防止由于地震可能导致的开裂;

(10)根据山谷的特性处理压缩缝和张拉缝。

5　采用中央排水的CFRD

当前有很多已建或在建的面板坝采用中央排水，这样可以防止下游坝体的饱和。以下列举了一些案例。

5．1埃尔迪奎斯坝(哥斯达黎加)

埃尔迪奎斯(EL Diquis)坝由哥斯达黎加电力设计院(ICE)设计，坝高165 m，采用冲积材料，上游坝坡为1．4∶1，下游坝坡1．5∶1，中央竖向排水系统宽4 m，并由2 m过渡带保护(见图3)。该坝目前还处于设计阶段，将于几年之后施工。

图3　埃尔迪奎斯坝

5．2雷文塔松坝(哥斯达黎加)

雷文塔松(Reventazon)坝，坝高130 m，正处于施工阶段，由哥斯达黎加电力设计院(ICE)设计，堆石采用了冲积材料、砾岩以及已固结的角砾岩。该坝位于地震区，水平排水系统与埃尔迪奎斯工程类似，与水平排水系统相连。上游坝坡为1．5∶1，下游坝坡1．6∶1，并设有一个T区。该区是冲积材料与固结角砾岩的混合物，其比例为3∶1，如图4所示。排水材料通过一个由拖拉机拖动的金属模具来填筑，这样可以防止材料离析。

图4　雷文塔松坝

5．3波尔塞Ⅲ坝(哥伦比亚)

波尔塞(Porce)Ⅲ坝，坝高150 m，已建成投运。该坝位于地震区，采用了宽度为4 m的中央竖向排水系统，由从一侧到另一侧的过渡带保护，如图5所示。上游坝坡为1．4∶1，下游坝坡1．5∶1。大坝运行状况良好。

图5　波尔塞坝

5．4蓬塔内格拉坝(阿根廷)

蓬塔内格拉(Punta Negra)坝，坝高129 m，正在施工中，采用了冲积材料。大坝处于地震高发带。上游坝坡为1．5∶1，下游坝坡1．65∶1，水平排水在靠近下游坝坡的可透水3C区终止，与之相连的是一个竖向排水，如图6所示。

图6　蓬塔内格拉坝

5．5查格亚坝(秘鲁)

查格亚坝目前正处于施工中。大坝位于地震区，采用了石灰岩堆石料和冲积材料，上游坝坡为1．6H∶1V，下游坝坡1．8H∶1V。水平排水在下游坝坡处终止，与之相连的是一个竖向排水(见图7)。该坝的不同之处在于河床之上的趾板由一个约20 m高的重力墙支撑。位于下游排水处的T区采用崩积材料填筑，石料最大粒径为35 cm，15%的细粒料过200号筛。这些材料经20 t的振动压实设备(滚筒上的力为12 t)分层压实，每层厚度为45 cm，无需加水。堆石料用同样的震动压实机进行压实，压实过程加水量为200 L/m3。

图7　查格亚坝

5．6密西库尼坝(玻利维亚)

密西库尼(Misicuni)坝，坝高120 m，目前正处于施工阶段，采用了冲积材料。大坝处于地震高发区，上游坝坡为1．5H∶1V，下游坝坡1．6H∶1V，水平排水在下游坝坡处终止，与之相连的是一个竖向排水(见图8)。该坝在海拔3 800 m处进行施工。

图8　密西库尼坝

6　结语

在设计CFRD时，若与水平排水相连的竖向排水位于大坝轴线处，则可以在下游区域的堆石料中填入质量较差的颗粒状材料，防止下游坝体出现饱和。对位于地震高发区的大坝，在地震时可能会破坏趾板的防渗性，水会进入大坝上游区域，对这种情况，设置中央排水也是一种安全措施。

(徐耀张炬付湘宁编译)

收稿日期:2015-05-09

文章编号:1006-0081(2015) 08-0022-03

中图法分类号:TV641．43

文献标志码:A