带面板的对称干硬填筑坝与混凝土面板堆石坝的比较.pdf

2 0 1 4年 3月 水 利 水 电快报 E WR HI 第3 5卷第 3期 文章编号 ： 1 0 0 6 - 0 0 8 1 ( 2 0 1 4 ) 0 3 - 0 0 3 1 -03 带面板的对称千硬填筑坝与 混凝土面板堆石坝的比较 伊朗 M E 奥姆兰 等 摘要： 带面板的对称干硬填筑坝( F S H D) 和混凝土面板堆石坝( C F R D) 均适宜建在坝基较差的坝址地 带。对两种坝型的特性、 技术参数和安全性等进行 了详细描述和对比分析， 研究结果表明， 带面板的对称 干硬填筑坝的 变形量相 对要 小 ， 建坝成本更低 。 关键词： 干硬填筑坝； 混凝土面板堆石坝； 性能对比； 对比分析 中图法分类号 ： T V 6 4 1 4 文献标志码 ： A 1 概述 设计一座新坝 ， 首要 的一步就是要根据现场独 特的地形地质条件来确定合适 的坝型 ， 然后根据技 术 、 经济 、 环境条件和社会 因素等确定大坝的最优设 计。 对于不 良坝基的坝址 ， 大坝断面最好设计成梯 形断面 ， 这样 ， 其 自重一般就比常规重力坝更重而无 需靠建基面上 的高抗剪强度来满足抗滑安全要求。 带面板的对称干硬填筑坝 ( F S HD) 和混凝土面板堆 石坝 ( C F R D) ， 其断面均为对称的梯形 ， 上游铺设 的 混凝土面板 ， 能防止库水透过坝体向下游渗漏。 本文重点对 F S H D和 C F R D两种坝型的特性进 行 比较与评估 。方法为采用有限元分析软件对这两 种坝型分别进行静态和动态分析 ， 并评估两种坝型 在承受静荷载和动荷载情形下 的安全性。最后 ， 从 技术上和经济上对这两种坝型进行比较和评估 。 研究成果表 明， F S HD和 C F R D都能很 好地 承 受外荷载 ， 但 F S H D的变形比 C F R D小 ， 另外在多发 性洪水的河流上 ， 建 F S HD比 C F R D更经济 。 2 两种坝 型的特点 F S H D是一种较新的坝型 ， 1 9 9 2年 由 日本首建 ， 称作 C S G， 即胶凝砂砾石坝 。这种坝是采用低成本 的胶凝砂砾石 材料建 成 ， 称为干硬 填筑 坝。F S HD 有下列一些优点 ： 安全性高 、 抗震性强 、 坝基要求不 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 1 0 5 高 、 施工简便 、 工期不长 ， 而且对环境的负面影 响最 小 。 由于大坝断面为梯形 ， 所以这种坝型的 自重量 和抗剪强度面 比传统的重力坝要大得多( 见图 1 ) 。 同时由于坝基抗剪强度较高 ， 无需再满足抗滑稳定 的安全要求 ， 这也就意 味着这种坝甚至可建在不 良 的坝基上。 图 1 胶凝砂砾 石坝 断面 C F R D当然更受青睐， 现已风行全世界 ， 特别是 在大雨或暴雨经常光顾和不透水黏土缺乏的地带更 是如此 。C F R D在过去的 4 0 a中之所以得以广泛运 用 ， 原因就在于与内置土心墙的堆石坝相比， 其成本 更低 ， 性能更高。 现代堆石坝 的设计 ， 包括 C F R D现代设计 的精 髓 ， 都已载入坝工设计 的史册 ， 因此 ， 往往有必要根 据历史上其他大坝的实际性能资料来评判现代大坝 31 2 0 1 4年 3月 水 利 水 电快 报 E WR HI 第3 5卷第 3期 的特性。近年来 ， 人们 对 C F R D的特性 、 设计 、 施工 和性状等进行 了大量的研究。现在 ， C F R D高坝遍 布世界各地 ， 例如， 1 9 6 7年美 国建 的 1 5 5 I n高 的新 埃克斯钱吉( N e w E x c h a n g e r ) 坝 、 1 9 9 3年墨西哥建的 1 8 7 m高的阿瓜米尔帕( A g u a mi l p a ) 坝、 2 0 0 8年 中国 建的 2 3 3 m高的水布垭坝等 。 3 F S H D和 C F R D的有 限元模型 为评估 F S H D和 C F R D这两种坝型承受外荷载 的安全性 ， 作者采用有限元模型进行 了研究 ， 并选用 了伊朗卡海尔 ( K a h i r ) 坝的常规 特性 ( 几 何形 态) 、 坝基材料特性 、 坝高和库水位等参数 ， 建立 了两个模 型( 两坝型研究 的详细数据见表 l和表 2 ) 。 表 1 F S HD和 C F R D模型 的几何特性 表 2 有 限元模型 的特性参数 项 目 麓 MP 冀 a 翟 M P 薹 a 凝 k 聚 P 力 a 骸零 卡海尔坝建在伊 朗东南部 的卡海尔河 上， 按预 定计划于 2 0 1 2年开工。该坝 6 8 m高， 坝顶宽 4 m， 坝底宽7 1 9 m。上 下游 坝坡均 为0 7 H： 1 V ， 是伊 朗 的第 一座 F S H D。坝 址所 在 的流 域 面积 为 4 5 9 6 k m ， 流域年均降水量为 1 5 0 m m。 采用 了 A N S Y S有 限元分析软件对该 F S H D进 行模拟。建立了二维有限单元 ， 分别进行静态 和动 态分析。坝体 ( 干硬填筑坝体 ) 、 混凝 土面板 和坝 基 ， 均采用 实体结构 单元 P L A N E 8 2 ， 共 8个结 点。 采用接触面单元模拟坝体 和混凝土面板 问的单元。 有限元模 型具有平 面变形 的特性。另 外还假定坝 体 、 混凝土面板和坝基均为弹性材料 。 采用 P L A X I S有 限元 软件进行 C F R D的模 拟 ， 并建立 2 D有 限元模 型进行静 态和动态 分析。坝 体 、 混凝土面板和坝基采用 6结点单元 。坝体 和混 凝土面板间的单元为接触面单元 。有限元模 型具有 平面变形的特性。同样假设混凝土面板和坝基为弹 性材料， 坝体模型为摩尔 一库仑( 塑性 ) 模型。 3 2 对两种坝型的有限元模型进行静态和动态分析 时所加 的外部荷载为 ： ( 1 )坝体 自重 ； ( 2 )上游面的静水压力 ； ( 3 )坝底扬压力 ； ( 4 )上下游水压力作用下的坝体惯性力 ( 动荷 载) ； ( 5 )大坝上游侧 的动水压力。 两种坝型的地震系数都设为0 1 5 。 4 F S HD和 C F R D的技术评估 F S H D在动荷载作用 下 ， 坝体 和混凝土 面板 的 最大变形 比 C F R D要小得多 ， 其最大水 平和垂直 变 形分别为 1 ： 1 1 和 1 ： 1 4， 而且 F S H D的面板安全性 比 C F R D高。表 3列出了 F S HD的主应力和安全系数 。 在静荷载和动荷载两种情形下， F S H D坝体应力分 布的安全系数分别为 3和1 5 。坝体的拉应力和压 应力 比容许应力要小得多。因此可 以得出结论 ， 这 种大坝安全状态 良好 。此外 ， F S H D可采用水 泥标 号较低的干硬填筑材料。 表 3 F S H D的主应 力状 况 C F R D的有 限元模 型表明， 坝体 中分布 的拉应 力和 压 应 力 很 小， 最 大 拉 应 力 和 压应 力 分 别 为 一 0 5 MP a 和0 3 MP a ， 可见大坝安全状态 良好 。 坝底局部抗滑安全系数公式为 ： K =( + ) 式中， o r 为坝底垂直方 向上 的法 向应力 ； 厂 为抗剪 断 摩擦力 ； c 为抗剪断凝聚力 ； 为坝底宽 ； 丁为坝底剪 应力。 F S H D和 C F R D坝底抗 滑安全 系数分别 为2 1 和3 2 5。 图2 分 别 示 出 了C F R D和 F S HD两 种 坝 型 距离 m ( a ) F S HD 距离 m f b 1 CF RD 图 2 C F R D和 F S H D两种坝 型的坝底 抗滑安全 系数分布 8 7 6 5 4 3 2 l 州 岛 聒匣 伊朗 M E 奥姆兰 等带面板的对称干硬填筑坝与混凝土面板堆石坝的比较 的坝底局部抗滑安全系数的分布情况。从结构稳定 性 的角度分析 ， 由于 C F R D的 自重量和滑动面上具 有抗 阻滑 作用 的坝 底宽 度 比 F S H D大得 多 ， 所 以 C F R D的安全系数 比 F S HD高。从安全 系数成果分 析 ， C F R D的抗滑安全性比 F S H D要高 5 0 左右 ， 但 两种坝型都不会有抗滑安全问题 。 5 F S HD和 C F R D的经济评估 对 F S HD和 C F R D进行 了经济评估 。从具体实 施来讲 ， 建坝有 6个最主要的方面： ( 1 )导流建筑物； ( 2 )坝基和坝肩开挖并按需调整 ； ( 3 )截水墙施工 ； ( 4 )坝体施工 ； ( 5 )溢洪道 ( 或泄洪道) 施工 ； ( 6 )监测仪器布设。 如果 F S H D和 C F R D坝址基本一样 ， 则实施项 目和相关成本就相同， 对两种坝型而言 ， 第 2项和第 3项也都相 同。 堆石坝( 包括土石坝 ) 导流建 筑物设计洪水标 准一般为 71 0 a ， 而 R C C坝则为 35 a 。这是 因 为堆石坝施工期 比 R C C坝长， 因此 C F R D的导流标 准在成本上就高于 F S H D。 坝基 、 坝肩开挖成本和截水墙 的施工成本可认 为是恒定不变的。 对于 F S HD和 C F R D两种坝型 ， 其 坝体和溢洪 道的施工是不同的。F S H D的坝体加混凝 土面板所 用 的材料量 ( 干硬填筑料 ) 为 6 9 6 6 5 4 m ， C F R D所 用 的堆石料为 1 6 0 4 1 3 8 m ， C F R D和 F S H D的混凝 土面板方量分别为 1 5 5 6 4 m 和 1 0 0 7 0 m 。 。 根据 以上工程量 ， 计算 了 F S H D和 C F R D坝体 和 面 板 施 工 的 总 成 本 。 F S H D 的 总 成 本 为 1 4 5 3 7 8 2 0 美元 ， 其中坝体为 1 3 9 3 3 0 8 0美元 ， 混凝 土面板为 6 0 4 2 0 0美元 。C F R D的总成本为 1 1 3 6 0 7 3 7美元 ， 其 中坝体为 1 0 4 2 6 8 9 7美元 ， 混凝土面板 为9 3 3 8 4 0 美元 ( 见表 4 ) 。 上述中的总成本未 包括溢 洪道 的成 本。对于 C F R D来说，溢洪道与坝体是分开建的， 溢洪道成本 约占工程总成本的 3 0 3 5 。而对于 F S H D来说， 表4 F S H D和 C F R D填筑料和面板的总成本 溢洪道是建在坝体当中， 其成本很低， 仅占工程总成 本的 5 左 右， 因此总体而言 ， C F R D成本 比 F S H D 高。 6 结语 本文根据对 F S H D和 C F R D分别进行 的技术和 经济评估及两者的相互对比， 得 出如下结论 ： ( 1 )F S HD是一种介于重力坝和 C F R D之间的 新型 R C C坝 ， 其性能优 良， 并具有安全性高、 抗震性 好 、 对坝基 面要求低 、 施工简便 、 工期短 、 成本低 、 对 环境 的负面影响小等优势。 ( 2 )C F R D为对称 的梯形断面 ， 上游侧铺设混 凝土面板 ， 防止库水渗入坝体 。这种坝 型适合于建 在冲积坝基和砾石料坝基 的坝址上 ， 尤其是常遭受 暴雨和抗渗黏土不充足的地带更适合。 ( 3 )研究表 明 ， F S H D的坝体 和混凝土 面板变 形 比 C F R D要 小 。 ( 4 )F S HD坝体的最大水平变形和垂直变形分 别为 1 ： 1 1 和 1 ： 1 4 。 ( 5 )分析成果表明， 两种坝型的体 内拉应力 和 压应力 比容许应力小得多 ， 故两种坝型 的安全性均 良好 。 ( 6 )低水泥用量 和低强度 的干硬填筑材料 ， 都 能用于 F S H D的施工。 ( 7 )C F R D的抗滑稳定安全系数大约为 F S HD 的 5 0 以上 ， 但两种坝型都能满足抗滑稳定要求。 ( 8 )从大坝的成本估算 ( 包括引水 系统 、 坝体 、 面板和溢洪道建 设成 本 ) 得知 ， F S H D 的总 造价 比 C F R D低 。 ( 9 )建在季节性频发洪水河流上的大坝 ， 选择 F S H D坝型比 C F R D更好 ， 因为在难 以预测 的季节 性洪水期间 ， F S H D的安全 系数比 C F R D更高。 ( 郭欣 付湘 宁编译 ) 3 3