竖向排水——地震区采用新材料修建CFRD的一种安全措施.pdf

2 0 1 5年 8月 水 利水 电 快报 E WR H I 第 3 6卷第 8期 ” ” 一 ；设计与施工 ， 。 、 ，。 、 - ，。 、 、-， 。 、 - 1 h 。 、- 文章编号： 1 0 0 6 - 0 0 8 1 ( 2 0 1 5 ) 0 8 - 0 0 2 2 - 0 3 竖向排水地震区采用新材料 修建 C F R D的一种安全措施 巴西 B 马特恩 摘要： 随着建坝经验的不断累积， 混凝土面板堆石坝( C F R D) 的设计水平也在不断提高。介绍了R C C 经典分区、 C F R D的抗震性能 、 用于防止下游坝体饱和的 竖向排水 ， 以及 中南美国家采用新材料 筑坝的设计 理念。研究表明， 竖向排水可作为地震区采用新材料修建C F R D的一种安全措施。 关键词 ： 混凝土面板堆石坝 ； 坝设计 ； 抗震设计 中图法分类号 ： T V 6 4 1 4 3 文献标志码 ： A 1概述 自 1 9 8 4年在美 国底特律举办 的专题研讨会以 来 ， C F R D设计与施工技术取得 了显著进展。当时， J B库克和 J L 谢拉德两位专家论述并建议采用 国 际分区对 C F R D不同新设计和施工方案进行 比较。 在过去的 3 0 a内( 1 9 8 42 0 1 4年) ， 由于发生 了很多重大事件 ， 使得设计方法不断改进 ， 这包括采 用不 同于堆石料的新材料 ， 以及在地震 区采用更为 安全 的大坝施工方法。 本文 旨在论述现有的经验 ， 在坝体 内部材料质 量不 良的情况下 ， 通过控制 中心排水来保护下游 区 域 ， 甚至防止在极端情况下下游区域的饱和 ， 以及由 于地震破坏趾板的防水性能而导致 的大坝上游 区的 饱 和 。 2 C F R D的经典分 区 图 1 所示为底特律专题研讨会 ( 1 9 8 4年 ) 提出 的大坝分 区图。 l A区 ： 铺置在主板上 的材料 ， 之前采用 的是不 透水的黏土材料， 现采用低塑性淤泥。 l B区： 任意石料区 ， 用来压 实 l A 区的任意石 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 5 0 9 2 2 1 B 1 A 面板 3 A 防浪墙 3 B|T 角度依坝高 、坝料特性 与堆石级配而定 1 A 一不透水土料 ； 1 B 一任意 石料 ； 2 一人工 小粒 径石料 ； 1 过 渡 带 ， 最大石料粒径 1 0 0 m m； 3 A 一在 2区由同样厚度 的材料代替了 细粒砂石料 ； 3 B 材料级配 良好 ， 厚度大于或小于 1 m； 3 C 一材料 级配 良好 ， 厚度大约1 5 2 m 图 1 底特律研讨会建议 的 C F R D的经典分区 ( 1 9 8 5年 ) 料 ， 用专 门的压实设备压实。 材料 2 ： 这些石料级配 良好 ， 最大粒径在 7 6 1 0 0 mm之间， 砂 的含量介 于3 5 6 0 ， 细粒料所 占比例小于 8 ， 与谢拉德建议的一致 。 材料 3 A： 这是石料 2和石料 3 B之间的过渡区。 在一些有冲积材料的大坝中已经除去 了材料 3 A， 因 为在这些大坝中材料 2和材料 3 B具有很好的 自然 相关性。 材料 3 B： 材料级配 良好 ， 最大粒径等于或小 于 该层厚度 。 材料 3 C ： 级配 良好的高质量 的细粒土 ， 最大粒 径等于或小于该层厚度 。层厚度大于 3 B。 巴西 B 马特恩竖向排水地震区采用新材料修建 C F R D的一种安全措施 材料 T： 位于大坝 中心 区， 材料质量稍差 ， 其堆 积角度取决于材料 的质量 ， 并且材料通常会压实到 厚度小于 3 B 。 材料 4 ： 材料位于下游坝坡 ， 用 以保证最后的美 观性 。 3其他材料的使用 冲积材料在大坝施工中的应用表明， 这些材料 具有较好 的变形 特性 ， 非 常适合作为 主防渗面板。 目前应用 的国家有哥伦 比亚 、 中国、 智利 和秘鲁 ， 应 用的大坝包括哥伦比亚的萨尔瓦兴娜 ( S a l v a j i n a ) 坝 ( 1 4 8 m) 、 智利的圣胡安娜 ( S a n t a J u a n a ) 坝 ( 1 1 0 m) 和普卡拉罗坝 ( 8 5 m) ， 以及 中国的柯 柯亚 坝 ( 1 2 0 m) 、 乌鲁瓦提坝( 1 3 8 m) 等 。其 中一些坝还采用了 内部斜坡排水 ， 以防万一渗漏 时主坝体 出现饱 和。 还有一些大坝采用深厚冲积层上的连接趾板与地下 连续墙来控制通过河床的渗漏量。这些面板坝运行 状况 良好 。 使用 页 岩 材料 的澳 大 利亚 袋 鼠溪 ( K a n g a r o o C r e e k ) 坝 的观测结 果被应用 到哥伦 比亚 的波尔塞 ( P o r c e ) I I I 面板坝中。采用水平排水 与中央排水相 连的方式 ， 可以防止下游坝体饱和。秘鲁 正在施工 的查格亚( C h a g l l a ) 坝 ， 在 T区采用 了大量 的崩积土 与细粒土料。 4 C F R D的抗震性 能 地震 中的许多观测结果 ， 为人们解释关 于地震 高发区一带 C F R D的设计采用防护措施的重要性提 供 了参考 ， 最重要的措施总结如下 ： ( 1 )如作者和 G 费尔南德斯 ( 2 0 1 1 年) 的建 议， 采用保守的轮廓， 如图2所示， 包括一个与中心 轴线水平排水相连 的竖 向排水 ， 这样在地震 引起址 板与基岩之间灌浆接触面破坏 时， 仍可以保证大坝 的安全 ， 同时允许进水 ； 防浪墙 3 B区 3 A区、 。 2 H m平 缓 边 坡 依 大 坝 卅 高 焘 2 KK 、 - 排水 图 2 地震 区域 C F R D的建议概念分区 ( 2 )通过常规的动力稳定计算方法检验大坝稳 定性 ， 即赋予坝址位置一定的加速度值 ， N A的值 = 抵抗 系数 最大地震加速度 = 0 2 ； ( 3 )根据大坝 高度 ， 在大 坝顶部 ( 2 5 一3 0 日) 采用坡 比为1 51 6 的较平缓坝坡 ； ( 4 )对于 1 5 0 m高的坝 ， 将大坝顶部拓宽至 8 i n ， 对于 1 5 03 0 0 i n高 的大坝 ， 采用公式 8+2 H 计算拓宽宽度 ； ( 5 )大坝分区考虑下游排水部位质量较差 的 T 区材料 ， 检验采用新参数时的稳定性 ； ( 6 )用大于 2 0 t 的振动碾压设备进行压实 ， 转 鼓之上最少为 1 2 t ， 静止压力大于 5 t m。如果材料 是堆石料 ， 供水 大于等于 2 0 0 L m。 ， 每层 的厚度可 为 3 B=6 0 c m， T= 4 5 c m， 3 C= 8 0 e m， 含有大量细粒 土的材料( t ) 不需要加水 ； ( 7 )设置一或两道至少 4 r f l 高的防浪墙 ； ( 8 )除了水力要求外 ， 额外增加1 3 H的安全 超高 ； ( 9 )在周边缝处采用性 能 良好 的止水 ， 防止 由 于地震可能导致 的开裂 ； ( 1 0 )根据 山谷的特性处理压缩缝和张拉缝 。 5 采用 中央排水 的 C F R D 当前有很多 已建或在 建的面板坝采用 中央排 水 ， 这样可以防止下游坝体的饱和。以下列举 了一 些案例。 5 1 埃尔迪奎斯坝( 哥斯达黎加 ) 埃尔迪奎斯 ( E L D i q u i s ) 坝 由哥斯达黎加 电力 设计院( I C E ) 设计 ， 坝高 1 6 5 m， 采用冲积材料 ， 上游 坝坡为1 4 ： 1 ， 下游坝坡1 5 ： 1 ， 中央竖 向排水 系统宽 4 m， 并由 2 m过渡带保护 ( 见图 3 ) 。该坝 目前还处 于设计 阶段 ， 将于几年之后施工。 防浪墙 图 3埃 尔 迪奎 斯 坝 5 2 雷文塔松坝 ( 哥斯达黎加 ) 雷文塔松 ( R e v e n t a z o n ) 坝 ， 坝高 1 3 0 i n ， 正处 于 施工阶段 ， 由哥斯达黎加电力设计院( I C E) 设计 ， 堆 石采用了冲积材料 、 砾岩 以及 已固结 的角砾岩。该 2 3 2 0 1 5年 8月 水 利 水 电快 报 E WR H I 第 3 6卷第 8期 坝位于地震区， 水平排水系统与埃尔迪奎斯工程类 似 ， 与水平排水系统相连。上游坝坡为1 5 ： 1 ， 下游 坝坡1 6 ： 1 ， 并设有一个 T区。该区是冲积材料与固 结角砾岩的混合物 ， 其 比例为 3 ： 1 ， 如图 4所示 。排 水材料通过一个 由拖拉机拖动的金属模具来填筑 ， 这样可以防止材料离析。 图 4 雷文塔 松坝 5 3 波尔塞坝( 哥伦比亚) 波尔塞( P o r c e ) 1 1 1 坝， 坝高 1 5 0 m， 已建成投运。 该坝位于地震 区， 采用 了宽度 为 4 m的中央竖向排 水系统 ， 由从一侧到另一侧的过渡带保护 ， 如图 5所 示 。上游 坝坡为1 4 ： 1 ， 下游坝坡1 5 ： 1 。大坝运行 状况 良好 。 图 5 波尔塞坝 5 4 蓬塔 内格拉坝 ( 阿根廷) 蓬塔 内格拉( P u n t a N e g r a ) 坝 ， 坝高 1 2 9 m， 正在 施工中， 采用 了 冲积材料。大坝处于地震高发带 。 上游坝坡为1 5 ： 1 ， 下游坝坡1 6 5 ： 1 ， 水平排水在靠 近下游坝坡 的可透水 3 C区终止 ， 与之相连的是一 个竖向排水 ， 如图 6所示。 2 4 河床 图6 蓬塔内格拉坝 5 5 查格亚坝 ( 秘鲁 ) 查格亚坝 目前正处于施工 中。大坝位于地 震 区， 采用了石灰岩堆石料 和冲积材料 ， 上游 坝坡 为 1 6 H： 1 V， 下游坝坡1 8 H： 1 V。水平排水在下游坝 坡处终止 ， 与之相 连的是一个竖 向排水 ( 见 图 7 ) 。 该坝 的不 同之处在 于河床之上 的趾板 由一个 约 2 0 m高的重力墙支撑。位于下游排水处的 T区采用崩 积材料填筑 ， 石料最大粒径为 3 5 c m， 1 5 的细粒料 过 2 0 0号筛 。这些材料经 2 0 t 的振动压实设备( 滚 筒上的力为 1 2 t ) 分层压实 ， 每层厚度为4 5 c m， 无需 加水。堆石料用同样 的震动压实机进行压实 ， 压实 过程加水量为 2 0 0 L m 。 图 7 查格亚坝 5 6 密西库尼坝( 玻利维亚) 密西库尼 ( M i s i c u n i ) 坝 ， 坝高 1 2 0 m， 目前正处 于施工阶段 ， 采用 了冲积材料 。大坝处于地震高发 区， 上游坝坡为1 5 H： 1 V， 下游坝坡 1 6 H： 1 V， 水平 排水在下游坝坡处终止 ， 与之相连的是一个竖向排 水 ( 见图 8 ) 。该坝在海拔 3 8 0 0 m处进行施工。 6结语 图 8 密 西库 尼坝 在设计 C F R D时， 若与水平排水相连的竖向排 水位于大坝轴线处 ， 则可 以在下游区域 的堆石料中 填入质量较差的颗粒状材料 ， 防止下游坝体 出现饱 和。对位于地震高发区的大坝 ， 在地震时可能会破 坏趾板的防渗性 ， 水会进人大坝上游区域 ， 对这种情 况 ， 设置中央排水也是一种安全措施。 ( 徐耀 张炬 付 湘宁编译 )