巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训.pdf

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介 徐泽平男 江苏南京人 教授级高级工程师 主要从事土石坝工程与岩土工程方面的研究文章编号巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所 北京北京木连能工程有限公司 北京摘要 本文主要介绍了巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的设计 施工和运行情况坎泼斯诺沃斯面板堆石坝坝高是巴西目前最高的混凝土面板堆石坝其设计和施工采用了目前混凝土面板堆石坝的新技术 不过 在大坝的运行过程中 也出现了混凝土面板挤压破坏和因库水位骤降所引起的上游面滑坡和面板断裂的问题本文在全面介绍坎泼斯诺沃斯面板堆石坝工程特点的基础上 针对工程中出现的问题进行了分析讨论 同时 提出了级高混凝土面板堆石坝变形控制所应注意的一些问题关键词 坎泼斯诺沃斯面板堆石坝 巴西 变形控制中图分类号文献标识码工程简介坎泼斯诺沃斯水电站位于巴西南部圣卡塔琳娜州乌拉圭河的支流卡洛斯河上是乌拉圭河流域水电开发中的一个重要梯级电站电站装机容量为由公司以设计 采购 建设 的方式进行建设整个工程项目于年月启动年月全部建成并投入运营工程的土建和机电安装由以巴西的卡玛格公司为责任方的施工建设联营体承包 通用电气提供机电设备 巴西英吉威克斯公司负责大坝 导流 厂房 开关站和输变电线路的设计 巴西公司负责溢洪道 发电洞及其进口的设计电站的拦河大坝为高的混凝土面板堆石坝 坝顶长度为电站厂房装有台机组 每台机组的装机容量为总装机容量图坎泼斯诺沃斯水电站工程的枢纽布置坎泼斯诺沃斯水电站工程的枢纽布置如图所示 拦河大坝布置在河流转弯处 除开关站外 枢纽的附属建筑物均布置在右岸电站厂房为岸边式厂房 附属建筑由引渠 进水塔和个直径为的引水隧洞组成溢洪道包括孔闸门设计洪峰流量为?工程的施工导流建筑包括上游围堰和个导流洞 导流洞的尺寸为长度为围岩岩性为玄武岩上游围堰按年一遇的洪水设计混凝土面板堆石坝的设计及施工混凝土面板堆石坝的坝址位于狭窄河谷中 岸坡的平均坡度接近建基面为较为坚硬的岩石大坝高度为坝顶长宽高比为坝体上游边坡为下游平均坡比为堆石的填筑方量为坝体堆石的主要分区包括垫层区过渡区主堆石区次堆石区从断面分区看 坝体次堆石区的范围较大 而主堆石区的范围较小坝体的断面分区布置如图所示 坝体的主要设计参数如表所示表坝体的主要设计参数 单位最大坝高坝顶长度坝顶宽度坝顶高程超高防浪墙顶高程正常蓄水位最大洪水位图坝体的断面分区布置坝体堆石的岩性均为玄武岩 其中 主堆石区堆石最大粒径为设计要求至少的堆石材料抗压强度大于次堆石区堆石最大粒径其中区设计要求至少的堆石材料抗压强度大于区设计要求至少的堆石材料抗压强度大于过渡区堆石最大粒径设计要求至少的堆石材料抗压强度大于垫层区为粒径小于的密实玄武岩材料 而周边缝附近的特殊垫层区则是采用了粒径小于的更为细密的材料图图为坝体堆石各主要分区的级配设计范围图垫层区堆石材料的级配坝体上游面的面板分块宽度为面板总面积为设计中采用了等宽度面板设计 岸坡未设置窄面板从左岸至右岸 共设有条垂直缝 其中河床中部为压缩缝 两岸坡处为张拉缝 如图所示趾板的宽度根据水头的大小采用了变宽度的设计 表为减少岸坡的开挖量 设计中采用了内部趾板的设计方案 如图所示巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨图过渡区堆石材料的级配表趾板的宽度设计设计工况水头?水力坡降?趾板宽最小值最大值外部内部高程坝顶混凝土面板采用变厚度设计 顶部面板厚底部面板厚面板厚度设计的计算公式如下当高程时面板厚度当高程面板底部 时 面板厚度此处为从高程至所需计算面板厚度处的高度混凝土面板的配筋按两个不同的区域采用不同的配筋方式 在趾板周边的范围内区域横向和纵向的配筋率均为钢筋分别沿面板的上部和下部分两层布置 其中面板上部的配筋量占总配筋量的下部的配筋量占总配筋量的面板的其余区域区域采用单层配筋 钢筋置于面板中部 横向配筋率为纵向配筋率为面板的配筋分布如图所示图主堆石区堆石材料的级配坝体堆石的填筑施工主要分为先期填筑和正常填筑两个阶段 其中度汛挡水的先期断面填筑至高程 设计可以抵御年一遇的洪水坝体堆石的填筑过程如图所示混凝土面板分为两期浇筑堆石填筑的平均月强度为混凝土面板的平均浇筑速度为?坝体堆石的总填筑方量为填筑施工中 垫层区和的铺层厚度为采用振动碾碾压遍上游主堆石区和中部的次堆石区铺层厚度为采用振动碾碾压遍 碾压过程中的加水量为?次堆石区和下游的区铺层厚度为采用振动碾碾压遍 碾压过程中不加水上游堆石体的平均孔隙比为平均密度为?单轴压缩试验得出的模量大于坝体下游堆石体的平均密度为?巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨图次堆石区截石材料的级配图面板的垂直缝分缝图趾板的宽度设计图混凝土面板的配筋分布在垫层区的填筑施工中 采用了挤压边墙的施工方法 挤压边墙材料的水泥含量为?从施工过程中的检测结果看 坝体填筑完成后 上游区堆石体的变形模量为中部堆石体的变形模量为下游区堆石体的变形模量为巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨图坝体堆石的填筑过程大坝的运行出现的问题及工程修补大坝于年月日开始蓄水 库水位很快升至高程 低于正常蓄水位当库水位升至高程 水库正常蓄水位的水头 时 沿第块面板的纵缝位置发生了面板的挤压破坏挤压破坏的位置位于面板顶部 其上缘至高程 防浪墙底下缘延伸至水下 到达高程 如图所示此外 在高程还观测到了水平向的面板裂缝图坎泼斯诺沃斯面板堆石坝面板挤压破坏的位置大坝表面的仪器观测表明 水库蓄水之后 坝顶的最大沉降为坝体沿坝轴线方向也存在着向河谷中心的位移 其位移的最大值为坝体下游量水堰观测到的最大渗漏量为?面板的最大法向位移发生在河床段的面板处 在坝高?处 面板的法向位移为在接近坝顶处 面板的法向位移为在与面板之间发生挤压破坏后 施工单位对水上部分的破损面板和止水进行了修补 并在缝间设置了柔性填充材料对于水下部分的破损面板 则采用了抛填黏土材料的办法进行淤堵采取上述修补措施后 坝体的渗漏量一度从?降低至?但后期的监测结果表明 渗漏量又有增大 图年月 水库水位在短时间内经历了一次从高程至高程的骤降 水库基本排空 水位骤降幅度达到了如图所示这一过程对坝体上游的面板和坝体堆石造成了巨大的破坏 导致了底部面板的断裂和上游坝脚的滑坡 如图所示从面板和坝体的破坏形式看 由于先期发生的河床段面板挤压破坏 使坝体内积存了一定的水体 坝体的渗漏量一直居高不下上游库水位的骤降 使坝体内的存水向外反渗 这有可能就是面板断裂和坝体滑坡的主要原因混凝土面板和上游坝体破坏后 施工单位进行了修复处理对滑塌的堆石体进行了恢复 替换了损坏的钢筋 并对破损的面板和接缝止水进行了修复和重做为吸收面板沿坝轴线方向的位移 在大坝的修复过程中 第块至第块面板间的纵缝被切开了的间隙 中间填入玛蹄脂和橡胶条另外 在大坝修复中 将面板上游的不透水填土料的高程提高至高程 约为坝高的其目的是为承受压应力较大的河谷中心部位的面板提供辅助的防渗措施 图巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨图坎泼斯诺沃斯面板堆石坝面板挤压破坏的情况图渗漏量监测结果图坝体上游沉降测点的沉降过程和水库水位过程图库水骤降后面板及上游坝体的破坏情况经过修复后的大坝于年月日开始重新蓄水 当时的水位为高程年月日 水库水位升至高程 为正常蓄水位的目前 在正常蓄水位的情况下 监测到的渗漏量为?随着水位的继续上升 估计渗漏量还会略有增加图大坝修复后的上游面经验与教训坎泼斯诺沃斯面板堆石坝坝高是巴西目前建造的最高的混凝土面板堆石坝同样在年 在乌拉圭河的干流上卡玛格公司同时建造了另一座坝高的混凝土面板堆石坝巴拉格兰德面板堆石坝这两座面板堆石坝均为级的高混凝土面板堆石坝 其坝体设计方案相同 施工方法也是一样的关于高面坝堆石坝的建设 库克和谢纳德曾经有过一段著名的论述 即混凝土面板堆石坝是未巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨来特高坝的一种适宜的坝型 对于采用常规堆石材料的高的面板堆石坝 其运行特性可以根据对已有的面板堆石坝观测数据的适当外推而进行预测从坎泼斯诺沃斯面板堆石坝和近些年来的一些高混凝土面板堆石坝的建设经验看 上述论断尚有值得商榷之处对于级甚至级坝高的面板堆石坝 坝体的应力变形特性和大坝的运行性状将可能会出现一些新的现象和问题 必须进行深入系统的分析研究就坎泼斯诺沃斯面板堆石坝而言 其设计施工采用了目前混凝土面板堆石坝的一些新技术 如内部趾板设计 挤压边墙施工 取消中部止水 加强表面止水等在坝体边坡的设计上 坎泼斯诺沃斯和巴拉格兰德均采用了的坡比 这样的坡比在级的高面板坝中是较为少见的坎泼斯诺沃斯面板堆石坝和巴拉格兰德面板堆石坝的运行实践表明 在堆石质量较好 强度较高的情况下 这样的坝坡坡比是可行的当然 至于坎泼斯诺沃斯面板堆石坝上游在水位骤降的情况下发生的滑坡破坏 是否与较陡的坝坡有关 尚待进一步研究从对坝体变形的控制上看 坎泼斯诺沃斯面板堆石坝其基本设计理念仍停留在百米级坝高的水平上 这可以从其坝体断面分区的设计和堆石填筑的控制标准上得出这一结论对于百米级的面板堆石坝 坝体的总体变形量不会太大 影响面板应力 变形性状的主要是坝体上游部分的堆石体变形 次堆石区的变形对于面板的作用相对较小 因此 在坝体断面分区上 坝体下游堆石的标准可以适当放松但对于高面板堆石坝 随着坝高的增加和面板长度的加长 坝体的整体变形都会对面板的变形和应力有着直接的影响因此 在高面板堆石坝设计中 断面分区的设计要强调堆石主体对面板的可靠支撑从坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的分区看 其主堆石区区域明显偏小 而且主 次堆石区的分界线以的坡度倾向上游 这样的分区布置在次堆石区变形较大的情况下必定将会导致上游堆石体随之移动 从而使面板也产生较大的向下游方向的变形尽管在实际施工的分区中 在和区之间 实际上布置了一个中部区 其铺层厚度和碾压标准与区基本相同 但由于其级配标准的放宽 实际上的压实效果还是和区有所区别 如图所示图坝体不同区域堆石的变形模量另外 从堆石的填筑施工看 其压实标准也与级的高坝不相配套对于高面板堆石坝 应该采用重型振动碾进行薄层碾压 从而使堆石体尽可能地达到较高的密度标准从坎泼斯诺沃斯面板坝的施工看 主堆石?次堆石?的密度 显然是偏低的正是因为堆石碾压不充分 造成了坝体变形量的过大 所以才会产生面板裂缝 面板挤压破坏 坝体渗漏量过大等一系列问题对于坎泼斯诺沃斯面板堆石坝蓄水期出现的河床段面板挤压破坏的问题 这是近几年来高面板堆石坝建设中出现的新问题事实上 造成这一现象的主要原因还是坝体的变形从坎泼斯诺沃斯面板坝的经验看 在河床段面板压性纵缝区适当选取部分纵缝安置柔性填充材料 这将对吸收岸坡面板向河谷中心的位移 舒缓河床中部面板的过高压应力起到较好的作用结语从坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的建设经验看 随着混凝土面板堆石坝坝高的增加 坝体的变形和面板的受力将会呈现出一些新的特点因此 需要不断地总结工程经验 同时 对高面板堆石坝的变形特性巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨进行深入细致的研究 并在此基础上 采取相应的工程措施 以改善高混凝土面板堆石坝的工作性状总体而言 对于级甚至级的高混凝土面板堆石坝 坝体的变形控制将成为工程设计与施工中的重点问题总结以往的工程经验 对于高混凝土面板堆石坝 坝体的变形控制主要应遵循以下的原则堆石材料尽可能采用中硬岩 高面板堆石坝次堆石区尽量不使用软岩堆石材料在坝体的断面分区上 主堆石区的区域尽可能增大 主 次堆石区的分界线宜位于坝轴线下游侧 并尽可能采取倾向下游的坡比在可能的条件下 应使主 次堆石区材料特性的差别尽量地小坝体的填筑施工中 应尽可能地提高堆石的压实密度一般对于以上的高坝 主堆石区的孔隙率宜控制在以下与此同时 对于下游堆石也要有严格的碾压控制标准 以减小下游堆石的变形另外 还应重视施工期加水碾压对减少后期变形的作用尽可能地减小坝体上 下游的堆石填筑高差 在条件许可的情况下 应尽量保持上 下游坝体填筑均衡上升应合理地控制面板浇筑的时机 尽可能地使坝体堆石的变形基本稳定以后再浇筑混凝土面板施工中可采取设置堆石预沉降时间和监测堆石体沉降变化量的方式控制面板浇筑的时机高混凝土面板堆石坝应合理设置面板的宽度和面板的纵缝 在面板压缩区应适当选取部分纵缝设置柔性填料以吸收面板的纵向变形致谢 非常感谢巴西圣保罗大学教授 巴西咨询公司先生以及巴西公司先生提供的宝贵资料参考文献徐泽平 混凝土面板堆石坝应力变形特性研究郑州 黄河水利出版社责任编辑 韩昆巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训徐泽平郭晨