關鍵詞: 重力壩; 碾壓混凝土壩; Hardfill 壩; 發(fā)展趨勢; 安全性摘要: 碾壓混凝土(RCC) 筑壩技術是重力壩筑壩技術在材料與施工技術上的革命, 體現(xiàn)了重力壩的發(fā)展趨勢。從RCC 壩的現(xiàn)狀入手, 分析RCC 壩所面臨的問題, 指出按傳統(tǒng)混凝土重力壩的設計理念來設計這種新材料壩是問題的癥結所在, 為此, 提出新的重力壩設計方案———Hardfill 壩。具有梯形的斷面和上游的防滲護面的Hardfill 壩能充分發(fā)揮RCC 快速施工和經(jīng)濟效益大的優(yōu)勢。通過進一步的研究表明, Hardfill 壩具有高安全性和良好的環(huán)保性, 可以稱為“最優(yōu)重力壩”。
1 現(xiàn)代重力壩的發(fā)展歷程
重力壩以其體形簡單、便于泄洪和能適應多種地基條件等優(yōu)點而被廣泛采用, 同時作為一種古老壩型在壩工發(fā)展史上有著重要地位。但混凝土壩依靠自重維持穩(wěn)定, 斷面不免偏大, 材料強度不能充分利用, 用常規(guī)的施工方法工期較長,造價較高, 隨著壩高不斷增加, 漸漸喪失了其對土石壩的競爭優(yōu)勢。直至20 世紀70 年代, 在Raphael 等學者的倡導下,大型土石方運輸機械和壓實機械被應用到重力壩的建設中,從而出現(xiàn)了超干硬性混凝土和振動碾壓實等新的建壩技術。
Raphael 在《最優(yōu)重力壩》一文中首先提出了“用高效的土石方運輸機械和壓實機械施工可以縮短施工周期和減少施工費用”的構想[1]?；赗aphael 的構想, 1982 年美國建成了世界上第一座全碾壓混凝土重力壩———柳溪(Willow Creek)壩。該壩壩高52 m, 壩身長543 m, 不設縱橫縫, 碾壓混凝土的膠凝材料用量僅為66 kg/m3, 壓實層厚30 cm, 連續(xù)澆筑上升, 33.1 萬m3 碾壓混凝土在不到5 個月時間內(nèi)完成施工, 比常態(tài)混凝土壩工期縮短1～1.5 a, 造價只有常態(tài)混凝土重力壩的40%左右, 從而充分顯示了碾壓混凝土壩快速施工和低造價的巨大優(yōu)勢[2]。
由于柳溪壩壩體內(nèi)部采用的是水泥黏結砂礫石材料的干貧混凝土( very lean RCC) , 層縫面未采取處理措施, 大壩上游面也未設置有效的防滲結構, 故在層縫面附近形成了集中漏水( Leakage) 通道。蓄水后發(fā)現(xiàn)滲漏量很大, 將庫內(nèi)水深降至10.6 m 后作灌漿處理[3]。由于采用貧碾壓混凝土填筑的柳溪壩的嚴重滲漏, 使人們試圖采用高膠凝材料來修筑碾壓
上下游對稱或基本對稱的梯形, 體形介于重力壩和面板堆石壩之間, 上下游壩坡可根據(jù)具體工程的壩基條件、壩高以及筑壩材料的強度等因素來確定, 一般在1∶0.5～1∶0.7 之間。壩體防滲按面板堆石壩方式解決, 即由上游防滲面板來承擔。
溢洪道可布置在壩身, 施工期允許壩身過水。
2.2 Hardfill 壩的特點
2.2.1 Hardfill 壩的體形特點
對于Hardfill 壩的安全性, Raphael[1]、Londe[10]和Stevens[14]等人從不同方面做了一些研究。Hardfill 壩歸于重力壩之列,所以它具有重力壩的優(yōu)點: 安全可靠, 設計簡單、導流和泄洪方便。同時Hardfill 壩也具有自身的特點:
(1) 將100 m高的Hardfill 壩和同高度常規(guī)重力壩作比較,建立有限元模型。相對重力壩的直角三角形剖面, Hardfill 壩的對稱梯形剖面將壩體斷面擴大約70%, 壩體應力降低, 應力分布均勻, 不同工況下壩體應力變幅小, 壩踵和壩趾處應力集中減緩, 大壩的整體穩(wěn)定性和安全性提高。有限元計算結果表明, 100 m 高的梯形Hardfill 壩的最大壓應力為1.8MPa, 而且沒有拉應力。
( 2) 由于Hardfill 壩斷面寬大, 壩基面面積大, 故抗滑穩(wěn)定安全性大大提高, 兩種體形的壩基抗滑穩(wěn)定的點安全系數(shù)沿壩基長度方向的分布見圖3 ( u=0.4 表示正常情況下被減到40%的全三角揚壓力, u=1.0 表示灌漿和排水帷幕發(fā)生破壞情況下的全三角揚壓力) 。從圖3 可以看出, 在同等地基條件下, 100 m 高的Hardfill 壩壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比同高度的常規(guī)重力壩高了約一倍, 即使在灌漿和排水帷幕發(fā)生破壞情況下, Hardfill 壩壩基抗滑穩(wěn)定也有較大的安全裕度。
( 3)Hardfill 壩的抗震性能更好。設計地震烈度為8 度時, 地震波作用下Hardfill 壩和常規(guī)重力壩第一主應力最大值分布見圖4。在地震歷時中, 重力壩的壩踵、上游面及下游面均出現(xiàn)了一定程度的主拉應力, 壩踵位置出現(xiàn)應力集中,表明這些部位極易發(fā)生開裂破壞。而且從上游面到下游面,整個壩體主拉應力依次減小又增大, 同一高程應力分布不均。而Hardfill 壩除了壩踵以及壩趾很小的一部分以外, 整個斷面幾乎不出現(xiàn)拉應力, 應力水平低且均勻, 有利于抗震。在地震活動區(qū)建壩, 這種新壩型具有優(yōu)勢。
( 4)Hardfill 壩對地基條件的要求低。由于斷面寬大, 壩基面面積增大, 壩基內(nèi)的應力包括壩基面上的應力較重力壩大幅度減小, 因此大壩對壩基地質(zhì)條件的要求相對較低。由此可以減少壩基處理的費用和時間, 另外還可以在不適宜修建重力壩的軟弱巖石地基上, 甚至砂礫石地基上安全地修建大壩。隨著水電能源的進一步開發(fā), 具有優(yōu)良地質(zhì)條件的壩址逐漸減少, 同時對大壩安全的要求也越來越高, Hardfill 壩對地基條件要求低的優(yōu)勢將會越來越重要。
2.2.2 Hardfill 壩的環(huán)保性
Hardfill 的骨料可以是天然砂礫石、開挖料甚至風化巖石料, 而這些石材無法用于一般混凝土, 從這一點來講,Hardfill 壩能使用風化巖石, 棄渣減少, 從而可以最大程度避免土地植被遭受工程破壞, 國外稱之為“Zero emission dam”( 無污染壩) [13], 所以Hardfill 壩是一種環(huán)保型的水工建筑物。
另外, 采用Hardfill 壩可以大幅度縮小采石廠的規(guī)模, 使設備簡易化甚至可以省去骨料制造設備, 從而節(jié)省工程投資。
2.2.3 Hardfill 壩的成本
關于Hardfill 壩的成本, 人們可能提出的第一個問題是Hardfill 減少的單價能否足以支付Hardfill 壩因體積增大而增加的成本。對于中、高壩, 根據(jù)Londe 的研究, 在考慮施工因素后, 典型的碾壓混凝土( 150 kg/m3 膠凝材料用量) 和典型的Hardfill( 70 kg/m3 膠凝材料用量) 單價比為1.7∶1, 得出的結論是同高度的Hardfill 壩和碾壓混凝土重力壩的造價基本相當[10]。而Stevens 的研究則揭示: 在考慮各種因素( 包括水泥用量、骨料、開挖和運輸以及溫控的簡化等) 后, 典型的碾壓混凝土和典型的Hardfill 單價比約為2∶1, 再綜合考慮基礎處理、溢洪道和防滲體的成本, Hardfill 壩的造價低于碾壓混凝土重力壩[14]。
對于低壩和圍堰, 可以將上、下游坡度設計得較陡以降低成本, 如法國的Rizzaneze 壩, 壩高23m, 其上、下游的坡度都為1∶0.5[12]。實際上, 由于Hardfill 壩能充分利用河床砂礫石、開挖棄渣和風化料, 如果壩址條件能就近提供這些材料,Hardfill 壩就具備了“當?shù)夭牧蠅巍钡男再|(zhì), 也可提高其經(jīng)濟性。
3 討論
通過以上分析, 可以得出這樣的結論: 有這樣一種碾壓混凝土重力壩設計方案, 它通過增大斷面來減小壩體的應力, 使得低強度的筑壩材料得以運用; 通過設置專門的防滲設施, 使得它不要求筑壩材料的抗?jié)B性能。由于材料的低水化熱和低彈性模量, 溫度應力的影響基本可以忽略; 而對強度和抗?jié)B要求的降低則允許材料有一定的離散性。于是, 重力壩的建設實現(xiàn)了筑壩材料和施工工藝的粗放性( 而這些以前只體現(xiàn)在土石壩中) , 加之重力壩在施工期度汛和泄洪方面的便利性, 其施工效率可以超過以往的各種設計方案, 而且也是一種經(jīng)濟的方案。這種設計同時帶來的“安全和環(huán)?！眱纱髢?yōu)點, 使得我們有理由認為, Hardfill 壩就是Raphael 所指出的“最優(yōu)重力壩”。
誠然, 目前對Hardfill 壩的設計理論還有很多不完善的地方。雖然Londe 已經(jīng)對Raphael 的構想進行了許多改進, 筆者認為, 在應用這項新技術的同時, 有必要對下列問題進行深入研究:
( 1) 由于Hardfill 材料具有很大的離散性, 這種力學性能和滲透性的不均勻性對壩體( 特別是高壩) 工作性態(tài)有何影響, Hardfill 能否成為建高壩的材料。
( 2)Hardfill 材料的耐久性問題及提高耐久性的措施。
( 3) 高壩情況下壩體變形特性及對上游防滲體系的影響。
( 4) 參照面板堆石壩的材料分區(qū), 對Hardfill 壩的材料分區(qū)優(yōu)化進行研究。
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