关键词: 重力坝; 碾压混凝土坝; Hardfill 坝; 发展趋势; 安全性摘要: 碾压混凝土(RCC) 筑坝技术是重力坝筑坝技术在材料与施工技术上的革命, 体现了重力坝的发展趋势。从RCC 坝的现状入手, 分析RCC 坝所面临的问题, 指出按传统混凝土重力坝的设计理念来设计这种新材料坝是问题的症结所在, 为此, 提出新的重力坝设计方案———Hardfill 坝。具有梯形的断面和上游的防渗护面的Hardfill 坝能充分发挥RCC 快速施工和经济效益大的优势。通过进一步的研究表明, Hardfill 坝具有高安全性和良好的环保性, 可以称为“最优重力坝”。
1 现代重力坝的发展历程
重力坝以其体形简单、便于泄洪和能适应多种地基条件等优点而被广泛采用, 同时作为一种古老坝型在坝工发展史上有着重要地位。但混凝土坝依靠自重维持稳定, 断面不免偏大, 材料强度不能充分利用, 用常规的施工方法工期较长,造价较高, 随着坝高不断增加, 渐渐丧失了其对土石坝的竞争优势。直至20 世纪70 年代, 在Raphael 等学者的倡导下,大型土石方运输机械和压实机械被应用到重力坝的建设中,从而出现了超干硬性混凝土和振动碾压实等新的建坝技术。
Raphael 在《最优重力坝》一文中首先提出了“用高效的土石方运输机械和压实机械施工可以缩短施工周期和减少施工费用”的构想[1]。基于Raphael 的构想, 1982 年美国建成了世界上第一座全碾压混凝土重力坝———柳溪(Willow Creek)坝。该坝坝高52 m, 坝身长543 m, 不设纵横缝, 碾压混凝土的胶凝材料用量仅为66 kg/m3, 压实层厚30 cm, 连续浇筑上升, 33.1 万m3 碾压混凝土在不到5 个月时间内完成施工, 比常态混凝土坝工期缩短1～1.5 a, 造价只有常态混凝土重力坝的40%左右, 从而充分显示了碾压混凝土坝快速施工和低造价的巨大优势[2]。
由于柳溪坝坝体内部采用的是水泥黏结砂砾石材料的干贫混凝土( very lean RCC) , 层缝面未采取处理措施, 大坝上游面也未设置有效的防渗结构, 故在层缝面附近形成了集中漏水( Leakage) 通道。蓄水后发现渗漏量很大, 将库内水深降至10.6 m 后作灌浆处理[3]。由于采用贫碾压混凝土填筑的柳溪坝的严重渗漏, 使人们试图采用高胶凝材料来修筑碾压
上下游对称或基本对称的梯形, 体形介于重力坝和面板堆石坝之间, 上下游坝坡可根据具体工程的坝基条件、坝高以及筑坝材料的强度等因素来确定, 一般在1∶0.5～1∶0.7 之间。坝体防渗按面板堆石坝方式解决, 即由上游防渗面板来承担。
溢洪道可布置在坝身, 施工期允许坝身过水。
2.2 Hardfill 坝的特点
2.2.1 Hardfill 坝的体形特点
对于Hardfill 坝的安全性, Raphael[1]、Londe[10]和Stevens[14]等人从不同方面做了一些研究。Hardfill 坝归于重力坝之列,所以它具有重力坝的优点: 安全可靠, 设计简单、导流和泄洪方便。同时Hardfill 坝也具有自身的特点:
(1) 将100 m高的Hardfill 坝和同高度常规重力坝作比较,建立有限元模型。相对重力坝的直角三角形剖面, Hardfill 坝的对称梯形剖面将坝体断面扩大约70%, 坝体应力降低, 应力分布均匀, 不同工况下坝体应力变幅小, 坝踵和坝趾处应力集中减缓, 大坝的整体稳定性和安全性提高。有限元计算结果表明, 100 m 高的梯形Hardfill 坝的最大压应力为1.8MPa, 而且没有拉应力。
( 2) 由于Hardfill 坝断面宽大, 坝基面面积大, 故抗滑稳定安全性大大提高, 两种体形的坝基抗滑稳定的点安全系数沿坝基长度方向的分布见图3 ( u=0.4 表示正常情况下被减到40%的全三角扬压力, u=1.0 表示灌浆和排水帷幕发生破坏情况下的全三角扬压力) 。从图3 可以看出, 在同等地基条件下, 100 m 高的Hardfill 坝坝基抗滑稳定安全系数比同高度的常规重力坝高了约一倍, 即使在灌浆和排水帷幕发生破坏情况下, Hardfill 坝坝基抗滑稳定也有较大的安全裕度。
( 3)Hardfill 坝的抗震性能更好。设计地震烈度为8 度时, 地震波作用下Hardfill 坝和常规重力坝第一主应力最大值分布见图4。在地震历时中, 重力坝的坝踵、上游面及下游面均出现了一定程度的主拉应力, 坝踵位置出现应力集中,表明这些部位极易发生开裂破坏。而且从上游面到下游面,整个坝体主拉应力依次减小又增大, 同一高程应力分布不均。而Hardfill 坝除了坝踵以及坝趾很小的一部分以外, 整个断面几乎不出现拉应力, 应力水平低且均匀, 有利于抗震。在地震活动区建坝, 这种新坝型具有优势。
( 4)Hardfill 坝对地基条件的要求低。由于断面宽大, 坝基面面积增大, 坝基内的应力包括坝基面上的应力较重力坝大幅度减小, 因此大坝对坝基地质条件的要求相对较低。由此可以减少坝基处理的费用和时间, 另外还可以在不适宜修建重力坝的软弱岩石地基上, 甚至砂砾石地基上安全地修建大坝。随着水电能源的进一步开发, 具有优良地质条件的坝址逐渐减少, 同时对大坝安全的要求也越来越高, Hardfill 坝对地基条件要求低的优势将会越来越重要。
2.2.2 Hardfill 坝的环保性
Hardfill 的骨料可以是天然砂砾石、开挖料甚至风化岩石料, 而这些石材无法用于一般混凝土, 从这一点来讲,Hardfill 坝能使用风化岩石, 弃渣减少, 从而可以最大程度避免土地植被遭受工程破坏, 国外称之为“Zero emission dam”( 无污染坝) [13], 所以Hardfill 坝是一种环保型的水工建筑物。
另外, 采用Hardfill 坝可以大幅度缩小采石厂的规模, 使设备简易化甚至可以省去骨料制造设备, 从而节省工程投资。
2.2.3 Hardfill 坝的成本
关于Hardfill 坝的成本, 人们可能提出的第一个问题是Hardfill 减少的单价能否足以支付Hardfill 坝因体积增大而增加的成本。对于中、高坝, 根据Londe 的研究, 在考虑施工因素后, 典型的碾压混凝土( 150 kg/m3 胶凝材料用量) 和典型的Hardfill( 70 kg/m3 胶凝材料用量) 单价比为1.7∶1, 得出的结论是同高度的Hardfill 坝和碾压混凝土重力坝的造价基本相当[10]。而Stevens 的研究则揭示: 在考虑各种因素( 包括水泥用量、骨料、开挖和运输以及温控的简化等) 后, 典型的碾压混凝土和典型的Hardfill 单价比约为2∶1, 再综合考虑基础处理、溢洪道和防渗体的成本, Hardfill 坝的造价低于碾压混凝土重力坝[14]。
对于低坝和围堰, 可以将上、下游坡度设计得较陡以降低成本, 如法国的Rizzaneze 坝, 坝高23m, 其上、下游的坡度都为1∶0.5[12]。实际上, 由于Hardfill 坝能充分利用河床砂砾石、开挖弃渣和风化料, 如果坝址条件能就近提供这些材料,Hardfill 坝就具备了“当地材料坝”的性质, 也可提高其经济性。
3 讨论
通过以上分析, 可以得出这样的结论: 有这样一种碾压混凝土重力坝设计方案, 它通过增大断面来减小坝体的应力, 使得低强度的筑坝材料得以运用; 通过设置专门的防渗设施, 使得它不要求筑坝材料的抗渗性能。由于材料的低水化热和低弹性模量, 温度应力的影响基本可以忽略; 而对强度和抗渗要求的降低则允许材料有一定的离散性。于是, 重力坝的建设实现了筑坝材料和施工工艺的粗放性( 而这些以前只体现在土石坝中) , 加之重力坝在施工期度汛和泄洪方面的便利性, 其施工效率可以超过以往的各种设计方案, 而且也是一种经济的方案。这种设计同时带来的“安全和环保”两大优点, 使得我们有理由认为, Hardfill 坝就是Raphael 所指出的“最优重力坝”。
诚然, 目前对Hardfill 坝的设计理论还有很多不完善的地方。虽然Londe 已经对Raphael 的构想进行了许多改进, 笔者认为, 在应用这项新技术的同时, 有必要对下列问题进行深入研究:
( 1) 由于Hardfill 材料具有很大的离散性, 这种力学性能和渗透性的不均匀性对坝体( 特别是高坝) 工作性态有何影响, Hardfill 能否成为建高坝的材料。
( 2)Hardfill 材料的耐久性问题及提高耐久性的措施。
( 3) 高坝情况下坝体变形特性及对上游防渗体系的影响。
( 4) 参照面板堆石坝的材料分区, 对Hardfill 坝的材料分区优化进行研究。
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