赵大洲，赵宇瑶，王新奇

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；
2.华中科技大学土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074)

利用软岩构筑面板堆石坝，既节省投资，又利于环境保护。国外于20世纪60年代开始利用软岩构筑面板堆石坝，如1967年建成的美国卡宾溪坝(坝高76 m)。国内在这方面起步较晚，在20世纪90年代以后，结合大坳、天生桥一级、盘石头、董箐等面板坝工程的建设[1-3]，对软岩的力学特性及软岩料筑坝技术开展了较为系统的研究[4-5]。国内已建利用软岩构筑的面板堆石坝中，坝高150 m以上的有天生桥一级坝(坝高178 m)和董箐坝(坝高150 m)两座。工程实践及研究结果表明，软岩特殊的工程力学特性对面板堆石坝，特别是对高面板堆石坝的力学性状影响较大[6-8]，对此认识不足极易导致以面板为主的防渗结构受到破坏。王占军等[9]通过分析软岩料的级配、强度变形、渗透、流变等工程力学特性，提出利用软岩料构筑面板堆石坝时应注意的问题。郦能惠等[10-11]总结了墨西哥Aguamilpa坝、马来西亚Bakun坝以及国内的天生桥坝等几座利用软岩构筑的高面板堆石坝的成功经验与教训，认为高混凝土面板堆石坝除了满足土石坝通常要求的抗滑稳定安全和渗流稳定安全外，还必须满足变形安全的要求，其中堆石坝体各区的变形协调、堆石坝体变形与面板变形的同步协调是变形安全的核心。

坝体分区及材料设计是面板堆石坝设计的重要内容之一，坝体形状、分区形式及各分区填筑材料特性等都会对坝体各区的变形协调、坝体稳定产生影响[12-15]。已有工程经验表明，当坝高超过150 m后，坝体变形将成为面板堆石坝安全的主要制约因素之一[16]，坝体分区及材料设计对于利用软岩填筑的高面板堆石坝的变形控制至关重要。目前，国内外已建利用软岩构筑的坝高150 m以上的面板堆石坝还不多，取得的工程建设经验有限[10,17]。对于此类高面板堆石坝，在软岩料利用方式、设计方法等方面仍有待深入研究。本文通过对软岩填筑的高面板堆石坝分区及材料设计研究，旨在获取不同比例软岩用量及分区形式对坝体应力及变形的影响规律，探讨利用软岩填筑高面板堆石坝合理的分区形式及材料组成，以期为高面板堆石坝的建设提供参考。

本文以某坝高为192.0 m的面板堆石坝为例开展研究。该坝上游坝坡1∶1.4，坝体材料分区自上游至下游依次为石渣盖重和粉土铺盖、混凝土面板、垫层区(2B区)、过渡层区(3A区)、上游主堆石区(3B-Ⅰ区及3B-Ⅱ区)、下游次堆石区(3C区)、排水区(3D区)、块石护坡等，主堆、下游堆石区在靠近坝轴线162.0 m坝高处以1∶0.25的坡比衔接。大坝施工过程如图1所示，坝体材料分6期填筑，面板分3期分别于二期、四期、六期坝体材料填筑完成后浇筑，一期面板施工完成后蓄水至103.0 m高程，二期面板施工完成后蓄水至170.0 m高程，工程竣工后蓄水至正常蓄水位220.0 m高程。

图1 坝体填筑过程示意图(单位：m)

该混凝土面板堆石坝设计采用微风化-新鲜砂岩、中等风化砂岩以及微风化-新鲜页岩填筑，其中页岩表现出明显的各向异性，微风化-新鲜页岩饱和单轴抗压强度为8.6～19.24 MPa，属较软岩～软岩。

本文重点研究坝体分区形式、次堆石区材料组合以及下游坝体坡比等变化对高面板堆石坝力学性状的影响。其中，研究的坝体分区形式包括3种(图2)：①形式1，坝体主堆石区，仅包括3B-Ⅰ区；
②形式2，坝体主堆石区分为3B-Ⅰ区和3B-Ⅱ区，3B-Ⅱ区位于坝轴线处坝体中下部；
③形式3，坝体主堆石区分为3B-Ⅰ区和3B-Ⅱ区，3B-Ⅱ区位于坝体中上部，且形式3与形式2中3B-Ⅱ区堆石料体积相等。对于下游堆石材料，研究了2组软岩、硬岩组合形式：①组合1，堆石料中微风化-新鲜砂岩、中等风化砂岩、微风化-新鲜页岩体积分别占组合料体积的35%、35%和30%；
②组合2，堆石料中微风化-新鲜砂岩、中等风化砂岩、微风化-新鲜页岩体积分别占组合料体积的25%、25%和50%。下游马道间坝坡坡比包括1∶1.3和1∶1.5。

图2 坝体材料分区(单位：m)

通过对上述变化因素的组合，形成9组方案，各方案主要特征指标见表1。

表1 研究方案特征指标

2.1 数值模型

选取典型断面，通过建立数值模型，计算分析各方案坝体力学性状，模型中坝体堆石采用实体单元、Duncan E-B非线性弹性模型模拟，混凝土结构采用线弹性模型模拟。考虑混凝土与堆石体存在明显的材料刚度变化以及防渗体中存在连接缝，在混凝土面板与坝体堆石之间、趾板与垫层之间、面板间以及面板与趾板间均设置了接触面单元以反映各材料间的接触特性。

模型网格如图3所示，共1 081个单元、1 588个节点，在模型侧向、底部施加法向约束。计算时，通过逐次激活坝体各单元模拟坝体施工过程，并根据蓄水安排，在面板表面施加水压力。

图3 计算模型网格

2.2 计算参数

根据试验结果确定的该面板堆石坝各分区材料Duncan E-B模型参数见表2。面板及趾板混凝土强度等级均为C30。

表2 坝体各分区材料及模型参数

采用Clough-Duncan模型[18]模拟面板与挤压边墙间、趾板与垫层间的剪切特性，模型参数见表3。

表3 接触面参数

3.1 计算结果

3.1.1坝体变形

计算所得各方案运行期面板坝应力及变形极值列于表4，各方案坝体最大沉降位于2/5～3/5坝高处。计算结果中，竖直位移取向下为正，水平位移取向下游为正，面板应力取压应力为正。

表4 运行期面板坝变形及应力极值

由表4可知，坝体材料分区形式相同情况下，随着下游坡比的增大，坝体的水平位移减小、沉降量略有增加；
下游次堆石体相同情况下，无主堆石3B-Ⅱ区时坝体变形最小，3B-Ⅱ区位于坝体中下部时坝体变形最大。图4给出了最大沉降高程处沿河流方向坝体沉降变化情况。由图可见，方案4和方案7坝体最大沉降位于大坝轴线附近主堆石3B-Ⅱ区内，其他各方案坝体最大沉降均位于下游堆石3C区内，且主、次堆石料模量比越大，坝体最大沉降位置越靠近下游。增加下游堆石3C区中的软岩含量，坝体沉降变形随之增大，此时减小下游坝体坡比尽管可以增加坝体的稳定性，降低坝体顺河流方向的变形，但不能降低堆石体的沉降变形。与主堆石3B-Ⅱ区设置于坝体中下部的方案相比，3B-Ⅱ区设置于坝体中上部的方案，在不降低软岩料利用量的同时可有效控制坝体变形。对比3种3B-Ⅱ区布置方案可知，降低坝体中部特别是坝轴线处坝体下部堆石料中软岩等强度较低岩石的比例将有效降低坝体沉降及水平变形量。

图4 不同方案最大沉降高程处坝体沉降对比

图5给出了最大沉降高程处坝体变形梯度沿河流方向的变化情况。由图5可知，下游次堆石体相同情况下，主堆石3B-Ⅱ区位于坝体中上部时，坝体变形梯度变化相对较小，3B-Ⅱ区位于坝体中下部时，坝体变形梯度变化相对较大。坝体变形梯度变化随下游3C区中软岩含量增加而增大。表明将主堆石3B-Ⅱ区设置于坝体中上部，或降低下游次堆石3C区软岩含量，均有利于提高坝体各区协调变形能力。

图5 不同方案最大沉降高程处坝体变形梯度对比

根据各方案坝体堆石体变形结果，为控制坝体沉降、提高各堆石区间协调变形能力，次堆石3C区宜采用堆石中软岩含量较低方案。坝体中下部特别是坝轴线处坝体下部不宜采用强度较低的堆石料。

3.1.2面板变形与应力

由表4可知，下游次堆石体相同情况下，无主堆石3B-Ⅱ区时面板挠度及拉应力最小，3B-Ⅱ区位于坝体中下部时面板拉应力最大，主堆石3B-Ⅱ区位于坝体中上部与无3B-Ⅱ区两方案面板顺坡拉应力相近。主堆石3B-Ⅱ区相同情况下，面板顺坡拉应力随下游堆石料中软岩含量增加而增大，随着下游坡比的降低而减小。

各方案面板挠度随高程变化情况见图6。由图可见，各方案最大挠度位于二期面板顶部或略低于二期面板顶部处，表明面板变形与大坝施工及蓄水过程密切相关。下游次堆石体相同情况下，3B-Ⅱ区位于坝体中下部与位于坝体中上部时二者面板挠度变形相近，与无3B-Ⅱ区方案对比可知，提高3B-Ⅱ区堆石中高强度岩石比例可降低面板变形。主堆石3B-Ⅱ区相同情况下，面板挠度将随下游堆石3C区中软岩占比的提高而增大，减缓大坝下游坡度可以降低面板挠曲变形。

图6 不同方案面板挠度对比

根据各方案面板应力及变形计算结果，增加次堆石3C区堆石中软岩比例至50%将导致面板拉应力的增大，需要同时放缓下游坡度、增大坝体的水平刚度，才能使面板的拉应力与坡比为1∶1.3、软岩占比30%的方案相近。为控制面板变形、降低面板顺坡向拉应力，同时提高软岩利用量，宜将强度相对低的主堆石3B-Ⅱ区布置于坝体中上部。二期面板浇筑及蓄水高程对面板的变形及应力影响较大，除目前采取的调整坝体分区形式及材料特性措施外，还宜通过优化施工填筑方案或调整蓄水方案来改善面板的力学性状。

3.2 坝体分区及材料设计中的软岩利用问题

利用软岩构筑面板堆石坝可以减少工程弃渣量，节省工程投资，降低工程对生态环境的影响，在国内外均有成功先例，表5列出了部分坝高100 m以上利用软岩构筑的已建面板堆石坝工程，其中马来西亚Bakun面板堆石坝坝高达203.5 m[19]。这些已建高坝上游坝坡多采用1∶1.4坡比，下游坡比为1∶1.25～1∶1.6，软岩料多填筑于下游堆石区，实测的坝体沉降率(沉降量占坝高的百分比)为0.68%～1.99%。本文9组方案计算所得坝体沉降率为0.89%～1.16%，与已建工程相近。表5中几座采用软岩、硬岩掺用填筑的面板坝，软岩含量在10%～40%。

表5中所列坝高180 m左右的墨西哥Aguamilpa面板坝和国内的天生桥面板坝均为20世纪90年代建造，因在软岩特性、坝体材料分区、填筑标准及顺序等因素对高面板堆石坝力学性状影响方面认识的不足，导致蓄水后面板出现严重开裂[10，20-21]。工程经验及计算分析研究成果表明，坝体变形是坝高超过150 m的面板堆石坝安全的主要制约因素之一。本文计算结果显示，次堆石区材料力学性能的变化将影响面板的变形及应力，表明对于高面板堆石坝，蓄水后下游堆石体将参与承担面板传递来的水荷载，提高坝体下游堆石体的强度及刚度，无疑将对控制面板变形及应力、保证防渗体安全有益。软岩料具有强度低、流变特性明显等特征，用于高面板堆石坝将导致坝体施工期变形增加、竣工后持续产生后期变形，对坝体和防渗系统应力及变形特性将产生不利的影响。朱晟[22]认为对于高面板堆石坝，蓄水后下游堆石体将参与承担由面板传递来的水荷载，宜慎设软岩堆石区。杨启贵等[23]对高面板堆石坝变形控制方法研究后认为，主次堆石区分界限宜倾向坝轴线下游，主次堆石材料的变形模量不宜相差过大。基于本文计算分析结果以及已建工程实践与研究成果，对于高面板堆石坝，特别是坝高超过150 m时，次堆石区中软岩比例不宜超过30%。

表5 已建利用软岩构筑的坝高100 m以上面板堆石坝工程

坝体主堆石区中设置强度及变形模量略低的主堆石3B-Ⅱ区，降低了主、次堆石变形模量的差异，对降低工程投资、提高主堆石区与次堆石区的协调变形有利，但将增大坝体整体的变形。本文计算结果显示，与3B-Ⅱ区布置于坝体中下部方案相比，3B-Ⅱ区布置于坝体中上部将有益于控制坝体变形及面板应力，这种布置方式与表5中所列马来西亚Bakun面板堆石坝相近。在大坝轴线处，堆石体自重压力通常最大，因此在该处特别是其下部填筑强度及变形模量高的堆石体，将有效控制坝体变形，特别是沉降变形，基于此，坝体轴线下部区域应慎填强度较低的堆石料。

对高面板堆石坝软岩含量及分区形式分析显示：增加下游堆石区中的软岩含量，坝体及面板变形随之增大，面板拉应力亦随之增大；
减缓下游坝坡可降低坝体顺河流方向变形、面板的变形及拉应力，但不能降低堆石体的沉降变形；
为控制坝体变形、提高各堆石区间协调变形能力，高面板堆石坝下游堆石区中软岩所占比例不宜超过30%，坝体轴线下部区域应慎填强度较低的堆石料。

采用典型断面进行计算分析难以全面研究坝体分区与软岩料利用对面板堆石坝安全性状的影响，即难以全面研究坝体分区及软岩料填筑坝体与面板变形同步协调、特别是对于面板的坝轴向变形和应力性状的影响，因此对此类高面板堆石坝工程应力变形特性还应通过三维力学模型分析做进一步研究。

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