關(guān)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(shù)是重力壩筑壩技術(shù)在材料與施工技術(shù)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(shè)計(jì)理念來設(shè)計(jì)這種新材料壩是問題的癥結(jié)所在, 為此, 提出新的重力壩設(shè)計(jì)方案———Hardfill 壩。具有梯形的斷面和上游的防滲護(hù)面的Hardfill 壩能充分發(fā)揮RCC 快速施工和經(jīng)濟(jì)效益大的優(yōu)勢。通過進(jìn)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(yīng)多種地基條件等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用, 同時(shí)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(qiáng)度不能充分利用, 用常規(guī)的施工方法工期較長,造價(jià)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(jì)70 年代, 在Raphael 等學(xué)者的倡導(dǎo)下,大型土石方運(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械被應(yīng)用到重力壩的建設(shè)中,從而出現(xiàn)了超干硬性混凝土和振動(dòng)碾壓實(shí)等新的建壩技術(shù)。
Raphael 在《最優(yōu)重力壩》一文中首先提出了“用高效的土石方運(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械施工可以縮短施工周期和減少施工費(fèi)用”的構(gòu)想[1]。基于Raphael 的構(gòu)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(shè)縱橫縫, 碾壓混凝土的膠凝材料用量僅為66 kg/m3, 壓實(shí)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(gè)月時(shí)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(jià)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(jià)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(jié)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(shè)置有效的防滲結(jié)構(gòu), 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(yán)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(qiáng)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(dān)。
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(diǎn)
2.2.1 Hardfill 壩的體形特點(diǎn)
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(diǎn): 安全可靠, 設(shè)計(jì)簡單、導(dǎo)流和泄洪方便。同時(shí)Hardfill 壩也具有自身的特點(diǎn):
(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(kuò)大約70%, 壩體應(yīng)力降低, 應(yīng)力分布均勻, 不同工況下壩體應(yīng)力變幅小, 壩踵和壩趾處應(yīng)力集中減緩, 大壩的整體穩(wěn)定性和安全性提高。有限元計(jì)算結(jié)果表明, 100 m 高的梯形Hardfill 壩的最大壓應(yīng)力為1.8MPa, 而且沒有拉應(yīng)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(diǎn)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(yáng)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(yáng)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(shè)計(jì)地震烈度為8 度時(shí), 地震波作用下Hardfill 壩和常規(guī)重力壩第一主應(yīng)力最大值分布見圖4。在地震歷時(shí)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(yīng)力, 壩踵位置出現(xiàn)應(yīng)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(gè)壩體主拉應(yīng)力依次減小又增大, 同一高程應(yīng)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(gè)斷面幾乎不出現(xiàn)拉應(yīng)力, 應(yīng)力水平低且均勻, 有利于抗震。在地震活動(dòng)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(yīng)力包括壩基面上的應(yīng)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(fèi)用和時(shí)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(jìn)一步開發(fā), 具有優(yōu)良地質(zhì)條件的壩址逐漸減少, 同時(shí)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(huì)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(fēng)化巖石料, 而這些石材無法用于一般混凝土, 從這一點(diǎn)來講,Hardfill 壩能使用風(fēng)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(shè)備簡易化甚至可以省去骨料制造設(shè)備, 從而節(jié)省工程投資。
2.2.3 Hardfill 壩的成本
關(guān)于Hardfill 壩的成本, 人們可能提出的第一個(gè)問題是Hardfill 減少的單價(jià)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(jià)比為1.7∶1, 得出的結(jié)論是同高度的Hardfill 壩和碾壓混凝土重力壩的造價(jià)基本相當(dāng)[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(yùn)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(jià)比約為2∶1, 再綜合考慮基礎(chǔ)處理、溢洪道和防滲體的成本, Hardfill 壩的造價(jià)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(shè)計(jì)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(shí)際上, 由于Hardfill 壩能充分利用河床砂礫石、開挖棄渣和風(fēng)化料, 如果壩址條件能就近提供這些材料,Hardfill 壩就具備了“當(dāng)?shù)夭牧蠅巍钡男再|(zhì), 也可提高其經(jīng)濟(jì)性。
3 討論
通過以上分析, 可以得出這樣的結(jié)論: 有這樣一種碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)方案, 它通過增大斷面來減小壩體的應(yīng)力, 使得低強(qiáng)度的筑壩材料得以運(yùn)用; 通過設(shè)置專門的防滲設(shè)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(yīng)力的影響基本可以忽略; 而對強(qiáng)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(shè)實(shí)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(shè)計(jì)方案, 而且也是一種經(jīng)濟(jì)的方案。這種設(shè)計(jì)同時(shí)帶來的“安全和環(huán)?！眱纱髢?yōu)點(diǎn), 使得我們有理由認(rèn)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(shè)計(jì)理論還有很多不完善的地方。雖然Londe 已經(jīng)對Raphael 的構(gòu)想進(jìn)行了許多改進(jìn), 筆者認(rèn)為, 在應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)的同時(shí), 有必要對下列問題進(jìn)行深入研究:
( 1) 由于Hardfill 材料具有很大的離散性, 這種力學(xué)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(jìn)行研究。
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