老挝南俄3面板堆石坝结构安全和工程措施研究

魏匡民 李 媛 李国英 党振虎 米占宽

(1.南京水利科学研究院 岩土工程研究所,南京 210024;2.水利部 土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,南京 210029;3.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

我国土石坝筑坝技术快速发展,设计、建设能力已得到国外市场认可,近些年在海外承担了一批高土石坝建设项目[1-4].由于国内外技术规范体系、工程人员设计理念、重大工程实践经验等方面存在差异,我国土石坝技术走向海外还面临一些问题.一方面,在标准体系上应与国外标准全面对接;另一方面,应加大推广国内已积累的实践经验优势,在技术决策上占有主导地位.老挝南俄3面板堆石坝坝高210m,是“一带一路”重要项目,由中国电建西北院设计、水利水电第十工程局承担建设,受业主委托,法国ARTELIA 咨询公司担任监理、咨询工作.由于该坝坝高已接近世界第一高面板堆石坝-水布垭面板堆石坝(坝高233m),且坝料为片麻岩和风化粉砂岩混合料,模量较低,后期变形偏大,面板存在挤压破坏、拉裂破坏、翘曲脱空等多个问题,给大坝安全带来严峻挑战.

设计建设初期,ARTELIA 咨询团队就面板应力变形安全、坝体-地基摩擦接触效应、面板脱空问题提出了质疑.根据咨询意见,承建单位对该坝结构安全以及工程措施进行了计算论证,计算采用了双方均认可的计算理论模型和参数,并对面板脱空、坝体地基接触摩擦、面板抗挤压破坏、抗拉裂破坏措施等方面进行了分析,确定了最终的大坝设计、施工方案.在南俄3面板坝设计论证过程中,经与国外团队交流,深感国内在高坝设计、施工实践经验上存在领先的优势,但在计算模拟的方法、模型精细化等方面还需向国外借鉴学习.本文详细阐述了南俄3大坝结构安全论证方法以及工程应对措施,研究方法和技术路线可为海外同类型土石坝工程计算分析提供参考,研究结论可为特高面板堆石坝设计建设提供技术支撑.

1 工程概况

南俄3水电站位于老挝中部赛松本特区境内,坝址距万象约265km,坝址以上集水面积3913km2,厂址位于坝址下游约16km 处.

枢纽布置方案主要由混凝土面板堆石坝、泄洪建筑物和引水发电系统组成.水库正常蓄水位723m,相应库容14.11亿m3,死水位670m,调节库容9.72亿m3,属多年调节水库.电站装机容量480MW,装3台160MW 水轮发电机组.

混凝土面板堆石坝平面布置如图1所示.坝顶高程729.5m,最大坝高210m,坝顶长度572m,坝顶宽度8m.大坝上游坡1∶1.4,下游坝面综合坡度为1∶1.5,趾板宽度7.0～10.5m,厚度0.6～1.0m.

图1 南俄3面板堆石坝平面布置

坝体材料分区主要由垫层区(2A)、过渡料区(3A)、主堆石区(3B)、下游堆石区(3C)组成,大坝材料分区如图2所示.大坝主堆石料主要采用微新片麻岩和弱风化粉砂岩堆石料,次堆石料主要采用弱风化片麻岩和强风化粉砂岩堆石料.图3为南俄3大坝建设期实景图.

图2 南俄3面板堆石坝材料分区与填筑次序

图3 建设中的南俄3面板堆石坝

2 数值模型

图4为大坝结构计算分析所采用的数值模型,其中图4(a)为大坝整体模型,图4(b)为面板、趾板、竖缝、周边缝模拟,图4(c)为坝体-地基无厚度接触单元模拟.数值模型中堆石体和面板采用实体单元模拟,面板与垫层、坝体与地基之间的接触关系采用Goodman单元模拟,面板接缝采用连接单元模拟[5].

图4 南俄3面板堆石坝数值模型

堆石料瞬变模型采用国内外均广泛使用的Duncan E-B模型[6],参数见表1,流变模型采用指数型的7参数模型[7,8],参数见表2.坝体-地基接触面参数根据相关工程室内试验取定[9].大坝施工次序如图2所示,坝体分三期填筑,填筑至顶后分两期浇筑面板,I期面板高程650m.坝体填筑共820d,面板浇筑和预沉降时间共用610d,开始蓄水至正常蓄水位共用450 d,计算模拟至正常蓄水后5年.大坝动力计算采用沈珠江动力模型[10]以及非一致的地震动输入方法[11],参数见表3.表1中同时列出了水布垭面板堆石坝根据现场实测资料反演的E-B模型参数[12].可以看出,两座堆石坝主堆石k值非常接近,强度参数和kb值水布垭堆石坝略大于南俄3,因此本工程的沉降率可能接近或略大于水布垭.两座堆石坝从工程规模、筑坝料力学参数都具有较好的可比性,因此可充分借鉴水布垭的相关经验.

表1 筑坝料Duncan E-B模型参数

表2 筑坝料流变模型参数

表3 筑坝料沈珠江动力模型参数

3 面临的工程技术问题

3.1 运行期面板挤压破坏

初步设计面板采用C30 混凝土,标准抗压强度20.1MPa,抗拉强度2.01MPa.计算结果表明,蓄水和运行期面板顺坡向压应力无超标现象,坝轴向应力受流变导致的挤压变形所致,量值较大,图5为运行期面板轴向应力超标区域.

图5 面板轴向压应力超标可能导致的破坏区域

面板挤压破坏是高面板堆石坝需关注的重点问题,水布垭面板堆石坝2007 年4 月水库蓄水后,于2007年7月至2015年8月陆续发现板间压性缝两边表层混凝土出现挤压破损[13].

3.2 面板拉裂破坏

计算表明,面板在运行期存在较大范围的拉应力区域,这是由于该坝河谷地形特殊,两岸基岩均为外凸形,如图4(c)所示,两岸面板下的堆石体较薄,如图6所示,在水压力作用下导致面板出现“反弯”趋势,在面板底部出现了较大的拉应力.图7为运行期面板坝轴向和顺坡向拉应力超标区域.

图6 左岸0+390剖面

图7 混凝土面板拉应力超标区域

3.3 面板脱空

面板脱空的形成机理是刚性的混凝土面板和垫层料之间的变形不协调.未蓄水时,坝体的流变效应可能导致局部面板与坝体分离,蓄水后面板在水荷载作用下整体发生指向下游的位移,但由于面板在非均布荷载作用下仍可能在坝顶产生翘曲,形成局部面板脱空.如水布垭面板堆石坝在2015年进行了面板脱空检测,发现右岸岸坡处面板坝顶区域存在轻微的脱空现象.

后期变形控制是防止面板脱空的重要方面,南俄3大坝在坝体填筑到顶后再浇筑面板,所以,坝体填筑期的变形对面板不产生影响,有利于面板应力变形控制.另外,在面板浇筑前设置了不小于6个月的预沉降期,同时在坝顶设置了监测点用于记录坝顶沉降,当坝顶沉降率控制在3～5mm/月以内的时候,方能浇筑面板.

第二，对危害国家安全、损害国家利益的行为，要依法打击。2014年11月11日，习近平总书记签署中华人民共和国主席令第十六号：《中华人民共和国反间谍法》已由中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委员会第十一次会议于2014年11月1日通过，并已公布、施行。[注]《中华人民共和国反间谍法(2014年11月1日第十二届全国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过)》，《人民日报》2014年11月13日，第8版。2016年，在某涉密科研单位工作的黄某，因偷卖90项国家绝密情报获利70万美元被判死刑，妻子唐某、姐夫谭某也因“过失泄露国家机密罪”被分别判处五年、三年有期徒刑。

竣工期面板无脱空现象,初次满蓄时面板脱空最大值为0.39cm,沿顺坡向的脱空长度为13.6m.面板脱空较为严重的工况为大坝低水位运行时.图8为低水位(水位高程670m)时面板脱空范围分布,面板脱空最大值为1.67cm,脱空最大长度为34m,位于左岸坡,这与左岸外凸形的基岩面密切相关.

图8 低水位运行期面板脱空范围

3.4 坝体-地基接触摩擦

由于土石坝坝体与地基模量相差大,一般模拟中不考虑坝体与地基的接触效应.ARTELIA 咨询团队认为南俄3大坝外凸形的河谷具有特殊性,坝体-地基之间存在相对滑移,可能会导致坝体局部破坏或对防渗体不利,应评估大坝-地基的相对滑移.图9为竣工期坝体与地基相对滑移矢量,最大值为10.5cm,位于左岸594.0m 高程.图10为坝上0+8.7m 剖面相对滑移矢量分布.

南俄3大坝先填筑坝体后浇筑面板,施工期坝体与地基相对滑移不会影响防渗体安全,图11为工后坝体-地基接触位移增量矢量,可见蓄水运行后坝体相对地基的滑移主要指向下游,最大值为2.9cm 位于左岸564.0m 高程处,同时可以看出,河床周边缝区域也发生了一定的水平位移,这会导致河床部位面板周边缝变形增加,对止水安全不利.

图11 蓄水运行后坝体-地基相对滑移增量矢量

4 工程措施研究

4.1 面板抗挤压破坏措施

为了减小轴向压应力,决定在面板河床区域设置柔性缝,其中在12～17号、26～31号面板之间设置2.4cm 宽的压性缝,在17～26号面板之间设5.0cm的压性缝,如图12所示.对柔性缝填料模量进行了敏感性分析,结果表明,采用弹性模量E为50～100 MPa的柔性填充料时,面板轴向压应力能够满足要求.图13为柔性缝填料模量为50MPa时面板轴向应力分布,最大压应力为16.03MPa.

图12 面板设置柔性缝

图13 设柔性缝后运行期面板轴向应力(E=50MPa)

4.2 面板抗拉裂破坏措施

防止混凝土面板出现拉裂缝的工程措施主要有提高混凝土标号和加强配筋.由计算结果可知,面板拉应力出现在面板底部,高程较低部位.决定对620m 高程以下面板混凝土从C30提高至C35,并根据面板堆石坝设计规范和同类工程设计经验,加强了620m 高程以下面板配筋,配筋如图14所示.同时为了防止面板施工期由于温度、湿度变化引起的表面裂缝,在面板表面配置了一层钢丝网.

图14 620m 高程以下面板配筋布置

4.3 面板防脱空措施

混凝土面板的脱空容易造成面板的隆起和塌陷,本工程中设计人员建议预留灌浆孔,运行期对面板脱空进行检测,发现脱空后予以灌浆.ARTELIA 咨询团队认为,面板脱空主要发生在面板高高程部位,可在面板690m 高程设置一个铰接的永久缝,如图15所示,这样就可以减小面板的脱空.本文对面板设水平缝的可行性进行论证.图16给出了设置水平永久缝后低水位运行期面板脱空分布,脱空量最大值为1.17cm,脱空最大长度为20m,可见设置永久缝对改善面板脱空有一定效果.但是一些工程技术人员认为水平缝的设置会人为破坏面板的完整性,增加了施工的难度,同时在水压力和地震荷载下可能产生较大变位引起集中渗漏.

图15 面板690m 高程设水平缝

图17为水平永久缝运行期和遭遇地震后水平缝剪切变形值,结果表明,永久缝最大值位于左岸岸坡处,最大值分别达到了9.3mm 和15.8mm,量值虽在正常范围以内,但考虑到施工的复杂性,以及面板设横缝缺乏工程实践经验,不建议设置水平缝.另外,紫坪铺面板堆石坝震后施工缝上部面板表现出滑动失稳趋势[14],如图18所示,这表明地震动荷载作用下面板水平缝可能是面板安全的一个薄弱环节.基于计算成果与咨询、业主方讨论最终确定面板不设水平缝.

图17 水平缝剪切变形分布

图18 震后面板沿顺坡向的滑移(紫坪铺)

5 结论

老挝南俄3面板堆石坝坝高达200m 级,面临着面板挤压、拉伸破坏、局部脱空等技术难题.本文研究了南俄3堆石坝存在的技术问题,并提出了相应的解决措施,主要结论如下:

1)南俄3面板堆石坝由于坝料模量偏低、流变变形大、特殊地形条件等因素影响,存在面板挤压、拉裂破坏和局部脱空的风险.

2)采用对河床部位面板设置压性缝的工程措施,降低了面板的轴向压应力,提高中低高程区域面板的混凝土标号并加配抗拉钢筋,防止面板底部受拉破坏.

3)建议预留灌浆管作为预防面板脱空的措施,增设面板横缝对防止面板脱空有一定的作用,但考虑到横缝止水可能对面板防渗不利,尤其是对地震期面板抗滑稳定不利,本工程不予采用.