高面板堆石坝安全性研究技术进展

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优化接缝止水结构形式,取消中部 止水,加强表层止水,单一止水型 与自愈止水相结合。
巴贡坝垂直缝填充Pulai木板
(三)尚未解决的突出科学问题
上述三座典型面板坝在变形控制工程技术方面取得了成功经验,一定 程度上解决了面板裂缝问题,但尚有三方面的科学问题未得到很好的解决:
(1)大坝变形计算采用的堆石料本构模型亟待突破。堆石是散粒体材 料,其力学特性极为复杂,目前常用的本构模型(E-B模型、K-G模型、双 屈服面弹塑性模型等)基于连续介质力学,难以准确完整描述堆石体的所 有特性。
垫层料裂缝。由于上下游 堆石填筑顺序不当导致上下 游的沉降差过大,在进行第 六期填筑过程中,748~768m 高程的垫层料出现37条裂缝, 最长达96m,最宽5cm,最深 1.5m。
面板垫层料裂缝 垫层料裂缝分布
面板脱空及面板水平裂缝。堆石体法向位移过大致使面板与垫层料脱 空,脱空面板104块,最大脱空长度10m,最大脱空深度15cm。同时面板失 去有效支撑,产生许多水平裂缝,仅748.6m高程以上的面板裂缝多达4537 条。
筑坝材料
专题3:堆石料工程特性及本构关系研究 专题4:变形特性及渗透稳定性研究
(一)大坝断面分区及筑坝材料
提出了300m级面板坝材料分区及断面设计原则,推荐坝坡 1:1.4~1:1.7 ,较200m级面板坝有所放缓;古水、马吉拟采用上下游堆石分区方案,如美 不再分上、下游堆石区,茨哈峡采用砂砾石料分区面板坝。
水布垭坝断面分区
经验2:提高了堆石区压实标准
采用中等硬度以上级配良好的石料,提高了 堆石压实度的要求。 采用25t、32t振动碾,洪家渡采用冲碾(击 振力200~250t),并加大碾压遍数。 采用GPS实时监控新技术,确保填筑质量达 到设计要求。 三板溪、洪家渡、水布垭上游堆石区孔隙率 介于17.6%~19.6%,下游的孔隙率介于19.5 %~20.7%,比天生桥一级降低2%~4%。
主要任务来源: 300m级高面板堆石坝适应性及对策研究 (2007年-2010年),行业重大科技攻关 300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究 (2012年-2016年),行业重大科技攻关 水电大坝建设关键技术研究(2013BAB06B02, 2013年-2016年),国家十二五科技支撑计划
古水 澜沧江云南段,高240m
茨哈峡 青海黄河,高257.5m
如美 澜沧江西藏段,高315m
马吉 云南怒江,高277.5m
目录
前言 200m级面板堆石坝主要问题和取得的经验 300m级面板堆石坝安全性研究新进展 结语
二、200m级面板堆石坝主要问题和取得的经验
(一) 主要问题
库克先生认为面板坝是经验坝,上游水荷载不会传递到坝轴线以下的 堆石区。2000年以前建设的200m级面板坝,按照经验坝设计,运行期普遍 发生了垫层料及面板裂缝、漏水量偏大、面板与垫层料间脱空、面板压缝 挤压破坏等现象。
高面板堆石坝 安全性研究技术进展
马洪琪 二 ○一 九 年 四 月
目录
前言 200m级面板堆石坝主要问题和取得的经验 300m级面板堆石坝安全性研究新进展 结语
一、前 言
混凝土面板堆石坝可以充分利用当地材料,适应性强,经
济优势明显,抗震能力优良,在世界范围得到了广泛应用。
早期
1莫雷拉(Morena)坝; 2 迪克斯河(Dix River)坝;
EL.
坝轴线
如美:堆石区拟按孔隙率 19%控制。
筑坝材料应采用级配良好、碾压密实的中硬岩(或砂砾石),建议堆石料 压实孔隙率为17%~20%,砂砾石料相对密度为0.95,以获得更大的压缩模量 。
茨哈峡:砂砾石区拟 采用相对密度0.95控 制,堆石区按孔隙率 17%控制。
面板垂直缝挤压破坏区域
面板垂直缝挤压破坏照片
原因总结
以上典型面板坝出现的问题,主要是由堆石的过量及不均匀变形造成的 。归纳更深层原因,主要有以下方面:
(1)堆石体填筑密度偏低。如天生桥一级坝上、下游堆石区的孔隙率分 别按22%、24%控制。上游堆石区碾压层厚80cm,采用10t自行式振动碾碾压6 遍,下游碾压层厚160cm,采用18t牵引式振动碾碾压6遍,振动碾吨位、碾压 遍数、堆石密实度均偏低。
(2)上下游堆石区模量差异较大。如天生桥一级坝,下游堆石区模量为 上游的一半;阿瓜密尔帕坝,上下游模量相差达5倍,加剧了上下游的不均匀 沉降。
(3)断面填筑顺序不合理。为使坝体挡水度汛,经济断面与下游填筑进 度不一致。如天生桥一级坝,施工度汛期上游抬头坝与下游堆石高差达123m ,汛后以每日升高1m的速度将次堆石区填平,使上下游堆石区产生过大的沉 降差。
冲 碾 压 实 机
碾压参数实时监控
经验3:坝体填筑分期尽量做到上下游均衡上升
水布垭坝填筑分期
改变原来前高后低的填筑程序,注意将填 筑分期与坝体变形控制相结合。坝体填筑 尽量做到上下游均衡上升,不可“前高后 低”,条件许可时可以“后高前低”,以 利用坝体沉降位移变化规律削减对面板拉 伸变形的影响。
基岩上硬岩堆石坝断面传统分区 基岩上200m级面板堆石坝断面分区
经验1:断面分区设计注意变形控制和渗流控制
三座坝的上下游堆石分区界限向下游延伸(坡比范围值为1:0.2~1:0.5),扩大了 上游堆石区的范围,以减小下游堆石区变形对面板的影响。 上下游堆石区有较小的模量差,使坝体上、下游堆石体成为均一密实体,确保坝体 上、下游变形均匀。 在坝体上部高程和较陡岸坡部位设置增模区(也称特别碾压区),以协调坝体变形 。坝体内设置竖向和水平向排水区使下游水位以上坝体保持干燥状态
(2)堆石材料试验的缩尺效应尚未解决。受制于试验尺寸,实验室内 获得的材料参数与大坝堆石的真实参数有明显差异,往往导致高坝变形计 算值比实测值小,低坝变形计算值比实测值大。
(3)面板压缝挤压破坏的机理尚未获得很好的科学解释。定性分析认 为主要原因是堆石体变形过大导致垂直缝闭合受压,但真实机理尚未有科 学及定量的解释。
10 9
8 7
Novos)坝; 9 水布垭坝;
1 50
10 茨哈峡和大石峡坝。
0
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 建成年份
我国面板坝数量约占世界的一半。截止目前共有坝高超过30m的 面板坝325座,坝高超过200m的10座,先后建成天生桥一级、洪家渡 、三板溪、水布垭等多座世界级面板坝工程,技术水平取得长足进步 。其中水布垭面板坝高233m,是世界已建成的最高面板坝。
中国专家分析认为,面板弯曲裂缝还与堆石预沉 降不足有关。阿瓜密尔帕坝面板测斜管顶部沉降率, 开始为30mm/月,半年后为6mm/月,面板顶部挠度为 33cm,如沉降率降低至6mm/月再浇筑面板则顶部挠度 只有15mm,可有效防止面板水平弯曲裂缝产生。
天生桥一级面板坝
天生桥一级面板坝坝高178m,坝顶长1104m,坝顶高程791.0m, 正常蓄水位780m。坝轴线上游为主堆石区,主要采用溢洪道的石灰岩 开挖料,下游堆石区采用砂岩和泥岩的开挖料,压缩模量分别为 45MPa、22MPa。
目录
前言 200m级面板堆石坝主要问题和取得的经验 300m级面板堆石坝安全性研究新进展 结语
三、300m级面板堆石坝安全性研究新进展
2007年以来,由于西部水电开发的需要,我国坝工界以古水、如 美、马吉、茨哈峡四座工程为代表,围绕300m级面板堆石坝适应性、 安全性及关键技术问题,尤其是变形控制科学技术问题开展了进一步 的研究,取得了丰富的创新性研究成果。
典型工程 阿瓜密尔帕坝 天生桥一级坝 巴拉格兰德坝 坎泼斯诺瓦斯坝
国别
墨西哥
中国
巴西
巴西
坝高
187m
178m
185m
202m
建成时间
1993年
1999年
2005年
2005年
阿瓜密尔帕坝
墨西哥阿瓜密尔帕坝建成于1995年,坝高187m,坝顶长660m,坝顶高程 235m,正常蓄水位220m,坝顶轴线上游为主堆石区,采用天然砂砾石料,中 间设置模量渐变区,下游次堆石区采用花岗岩工程开挖料。
水库蓄水至218.8m高程时渗漏量达到257.7L/s,在距离面板顶部约 30m附近出现很多细密的水平弯曲裂缝,距顶部50m附近发现一条长达160m、 宽达15mm的水平拉伸裂缝。
库克先生认为阿瓜密尔帕坝水平结构性裂缝主要 由上下游堆石区过大的沉降差造成。上游堆石区压缩 模量260MPa,渐变区136MPa,下游堆石区47MPa,上下 游模量相差最大达5倍,导致沉降差过大。根据萨尔瓦 欣坝的工程经验,库克提出砾石、堆石混合坝的上游 砾石区的宽度至少应为坝宽的2/3。
经验4:准确把握面板浇筑时机
面板施工前一般预留6个月左右的堆石体预沉 降期,且当沉降速率小于5mm/月后方可拉面板, 面板的顶高程宜低于堆石体20m以上,确保拉 面板后堆石体变形不致引起面板产生结构性裂 缝。
经验5:优化面板及止水结构
适当加大面板厚度并提高面板混凝 土防裂性能;
在压缝端部一定范围内设抗挤压钢 筋,压缝面板预留了容许变形的缝, 里面填充富有弹性并具有吸收变形 能力的嵌缝材料,同时减小底部铜 止水鼻子高度;
(二)主要成功经验和措施(2000年以后)
高面板坝设计要重视变形控制 下游堆石区对面板变形影响较小,坝料变形模量可从上游到下游 递减”的认识对200m级面板坝不完全适用
典型工程 坝高
建成时间
洪家渡 179.5m 2005年
三板溪 185.5m 2006年
水布垭 233m 2008年
Hale Waihona Puke Baidu
总体评价
也存在不同程度的面板结构性裂缝、面板脱空及压缝面 板挤压破坏,但渗漏量小,总体运行良好
三期面板顶部都存在严重脱空
垫层区裂缝和面板裂缝分布位置
面板挤压破坏。2003年7月发
现最长面板L3及L4块之间的垂直
缝两侧混凝土受到挤压损坏,破
损长度39.1m,破损平均宽1m,最
大宽4m,破损深度平均24cm,最
大30cm。后将压损段L3/L4缝切缝
改造成膨胀缝,内嵌橡胶板,运
行良好。
面板挤压破坏
泄洪安全 抗震安全 应急维修 工程对策 防渗系统安全 大坝变形稳定 大坝渗透稳定 坝坡抗滑稳定 堆石料力学特性 堆石料渗透特性 颗粒破碎影响 缩尺效应影响
超高面板坝 专题1:安全性评价方法研究 枢纽整体安全
专题2:设计安全标准和工程措施研究
超高面板坝 结构安全
专题4:变形特性及渗透稳定性研究 专题5:防渗和止水系统适应性研究 专题6:抗震安全性及工程措施研究 专题7:施工技术要求及质量控制研究 专题8:安全监测关键技术研究
坝高(m) 300
3盐泉(Salt Springs)坝;
250
4 帕尔迪拉(Paradela)坝;
5 新国库(New Exchequer)坝; 200
6 阿里亚(Foz do Areia)坝;
150
7 阿瓜米尔巴(Aguamilpa)坝;
8 坎泼斯•诺沃斯(Campos
100
早期
3 2
过渡期
现代
6 5 4
(坝) 0+686
巴拉格兰德坝
巴西巴拉格兰德坝高185m,坝顶长665m,正常蓄水位647m。2005年9月库 水位达到634m时渗漏量达428L/s,中部19/20面板垂直缝发生挤压破坏,破坏 延伸至水下约100m。面板破坏部位发现面板脱空,脱空间隙达12cm。2005年11 月,渗漏量高达1284L/s。水下检查发现在中部坝高位置存在水平向挤压破坏。
洪家渡面板坝
水布垭面板坝
我国西部还将建设一批具有调节性能的高坝大库,面板堆坝是最具竞争 力的比选坝型。由于国内外已建200m级面板堆石坝存在变形过大、面板破损 及漏水量偏大等问题,坝工界对高面板堆石坝的安全性产生疑虑,制约了面 板坝向300m级发展。因此,迫切需要总结200m级面板坝的成功经验及存在的 问题,研究论证300级面板坝的安全性。
古水:上、下游堆石区均 拟按孔隙率18%控制。
正常蓄水位 EL.
垫层 ( II A ) 面板 ( I F )
EL. EL.
增模区 (III B2)
坝顶钢筋网
EL. 块石护坡
上游堆石区 (III B1) 过渡区1 ( III A1 ) 过渡区2 ( III A2 )
下游堆石区 (III C) EL.
排水堆石区 (III D)
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