池 仑

(甘肃省张掖市民乐县海潮坝河水利管理处，甘肃 张掖 734500)

0 引言

近几十年来，面板堆石坝世界范围得到广泛的应用，在我国也得到了一定的发展[1-2]，这是因为它们比心墙土坝具有很多的优势(例如成本效益和较高的适用性)。然而，面板堆石坝的设计在很大程度上仍然是经验性的，很大程度上依赖于过去的经验。

因此很多研究者根据施工期间和首次蓄水时堆石坝的变形特性[3]，开发响应的模量，用于评估堆石的变形特性。Hunter等人[4]利用包含35个面板堆石坝的案例研究数据库，收集了质量监控记录和建筑材料数据，根据颗粒尺寸、岩石的抗压强度、压实效应、形状效应和施加的垂直应力，估算大坝中压实堆石的模量，以预测施工期间的内部垂直位移和首次灌水时的面板变形。马洪琪[5]根据类似坝体的历史变形曲线，提出了工后变形的经验预测方法。Clements[6]探索了经验公式能否准确评估68座面板堆石坝的施工后坝顶沉降和变形。结果表明基于位移与高度或时间的简单关系的经验方程可能容易产生大的误差。毛渐等人[7]比较了由倾倒堆石和压实堆石组成的面板堆石坝的施工后坝顶沉降，发现倾倒堆石坝的坝顶沉降比压实堆石坝在3～30 a内的坝顶沉降大5～8倍。高照良等人[8]预计，高度为100 m的压实混凝土面板堆石坝的坝顶沉降一般在5 a内约为10～15 cm，100 a内约为15～25 cm。根据岑威钧的分析[9]，与压实的堆石相比，倾倒的堆石明显有更大的顶部沉降；中高强度填石的长期坝顶沉降速率(对数标度)与路堤高度的增加成正比，但对于压实的超高强度堆石，路堤高度的影响可能不那么显著。

但是面板堆石坝对长期变形和首次蓄水的变形的响应机制仍然是不明确的，本文利用面板堆石坝的实例数据来比较长期的施工后坝顶沉降和水库首次蓄水时的坝顶沉降，分析了长期变形与首次蓄水时面板变形的关系以及垂直于面板变形与坝顶沉降关系，最后探讨了坝高对渗漏量的影响关系。

1 混凝土面板堆石坝简介

图1显示了面板堆石坝的典型分区[10]。如图所示。面板堆石坝主要有三个区域:(1)混凝土面板，不透水的上游铺盖；(2)混凝土板正下方的垫层区和过渡区；(3)堆石区。压实的不透水铺盖(1区)对于防御、密封裂缝或接缝开口是必要的。每层中上游比下游的区域应采用更小尺寸的岩石。3B区和2区的最大岩石尺寸分别经常选用小于1 500 mm和150 mm的岩石。

图1 面板堆石坝的典型分区

2 混凝土面板堆石坝变形特性

2.1 坝顶沉降

为了解混凝土面板堆石坝的长期变形特性，利用Hunter提供的数据库和其他参考文献，对面板法向的坝顶沉降和变形、面板应变、首次蓄水和长期工后渗漏进行了比较和分析。图2和图3分别显示了几种典型的不同坝高的堆石坝的坝顶沉降情况，图2为长期沉降(至少10 a后或总沉降)和首次蓄水(水库的首次蓄水)时的总的施工后顶部沉降，图3为第一次蓄水时顶部沉降与长期沉降(总沉降)的比率。堆石中使用的完整岩石强度用M (中，0～20 MPa)、High (高，20～70 MPa)和 VH (极高，70～240 MPa)表示。

图2 第一次蓄水和至少10 a后的施工后顶部沉降

图3 第一次蓄水时的顶部沉降与长期沉降之比

如图2所示，长期坝顶总沉降与坝体高度的比值通常低于0.3%。而且，超高强度堆石坝的长期顶后沉降量仅为坝高的0.1%～0.2%，中高完整堆石路堤的长期顶后沉降量为坝高的0.1%～0.45%。一般而言碾压混凝土面板堆石坝的坝顶沉降范围为坝高的0%～0.25%。因此，施工后坝顶沉降范围在使用超高强度石料的情况下显示出良好沉降特性，但在使用中高完整强度堆石的情况下，有低估坝顶沉降的趋势。图3显示，在第一次蓄水期间，约有10%-40%的长期坝顶沉降发生，而且岩石硬度越高，首次注水发生沉降的占比越低，有利于预防坝顶沉降。图4显示了第一次蓄水效果的典型示例。首次蓄水的影响与时效性变形对坝顶沉降从另一方面验证了图3中得到的结论。一年以后发生的变形认为是时效性变形，可以明显发现大部分的坝顶变形都发生在第一次蓄水期间，十年发生时效性形变仅占总沉降的三分之一左右。

图4 第一次蓄水效果的典型示例

2.2 面板法向变形

图5和图6显示了长期(施工后至少10 a以上)及首次蓄水时混凝土面板的法向变形。与施工后坝顶沉降一样，对于由中高强度完整堆石建造的大坝，垂直于面板的总变形量略大于VH强度堆石的变形量，并且这可能和大坝的高度不成比例。垂直于面板的总的长期变形的大约80%发生在第一次蓄水期间。这意味着大部分变形发生在第一次蓄水期间，并且它受到水载荷的显著影响，而不是顶部沉降。它可能会导致混凝土面板出现裂缝，因为大多数与面板垂直的变形都发生在第一次蓄水期间。

图5 第一次蓄水时和至少10 a后发生的面板法向变形

图6 第一次蓄水时面板法向变形与长期变形之比

图7显示了水库蓄水后的典型坝顶变形。 图中的坝顶沉降最大值和面板挠度最大值发生年限并不相同，坝顶的大致发生在3 a就趋于平缓，而面板挠度在第一年内剧增，随后会缓慢增加。堆石体对水荷载的反应相当快，变形随时间的演变因蓄水历史而发展缓慢。面板的变形速度会在3 a有一个小的增加然后在3.5 a又趋于平缓。

图7 水库蓄水后的典型坝顶变形

图8显示了大坝高度与总的长期坝顶沉降和垂直于面板的变形的关系。坝顶沉降和垂直于面板的变形基本相似，均小于坝高的0.5%。特别是坝高小于100 m时，坝顶沉降大于面板法向变形，坝高大于100 m时，面板法向变形大于坝顶沉降。这种现象可能是由边坡坡度引起的，混凝土面板长度随坝高的增加而增加，这使得高坝具有更长的面板，受水压力影响较大，受石料性能影响变小，更容易在面板位置发生形变。

图8 长期的坝顶沉降和垂直于面板的变形

2.3 面板应变

图9和图10分别显示了施工结束时的坝面应变等值线和水荷载引起的变化。在施工结束时，面板上部的顺坡和水平方向上以及靠近桥台处形成了法向张力区。 最大压缩应变在下坡方向，等于400 mm，仅调动了混凝土抗压强度的42%。水荷载显著影响面板中的应变，水荷载引起的张力区在趾部、顶部附近形成。最大压缩应变(100～380 mm)出现在面板中心附近，最大拉伸应变(25～140 mm)出现在趾部附近。水库蓄水时面板的拉伸应变显示在坝趾附近和坝肩附近。

图9 施工结束时的坝面应变图 图10 水荷载引起的坝面应变图

3 混凝土面板堆石坝泄露特性

混凝土面板堆石坝下游出现的渗漏与通过带有土芯的大坝出现的渗漏具有根本不同的意义，因为不存在土芯侵蚀的可能性，也不存在对大坝安全的潜在威胁。而且许多学者认为面板堆石坝的渗漏主要通过周边接缝、混凝土面板裂缝和桥台接缝出现，这种渗漏可能对大坝的安全和稳定性构成威胁[11]。而且，重大渗漏会造成经济损失，并可能影响水库或大坝的功能。如图4，面板堆石坝的最大渗漏通常发生在第一次蓄水时，这是因为水荷载导致面板接缝或裂缝处的大变形。对于大多数处于大规模河流上的水库来说，每秒几十升的渗漏不仅是经济价值的损失，更是对运行安全的威胁。

图11显示了泄漏量与坝高的关系。长期漏失率一般以首次充注结束后的年为单位给出。当坝高小于122 m时，面板堆石坝的长期渗漏率一般小于10 L/s，但当坝高超过125 m时，它迅速增加到45～200 L/s。对于大多数大坝泄漏量在50 L/s以内，具体取决于水库水位。因此，一般都需要在第一次蓄水时就修复面板接缝。如果发生裂缝和平板破裂现象，必须立即进行钻探和灌浆等修复工作，还要在接缝区域倾倒淤泥砂质材料。根据这些经验，可以得出结论，超过125 m的面板堆石坝在第一次蓄水期间以及蓄水之后可能存在泄漏问题。这种现象可能是由水荷载引起的面板变形引起的。

图11 泄漏量与坝高的响应关系

4 结语

本论文对面板堆石坝的案例进行了多方面的研究，特别是对施工后变形和渗漏进行了分析和讨论，并得出以下结论。

(1)长期坝顶沉降与坝体高度的比值通常低于0.3%。在第一次蓄水期间，约有10%～40%的长期坝顶沉降发生。而且岩石硬度越高，首次注水发生沉降的占比越低。

(2)施工后10 a顶部沉降与面板的法向变形具有类似的变化趋势。但是，当坝高小于100 m时，坝顶沉降大于面板的法向变形，而坝高超过100 m时，坝顶沉降相对较小。

(3)在第一次蓄水时，水荷载引起的板的最大压应变和最大拉应变分别出现在混凝土面板的中心和趾部附近。

(4)当坝高小于122 m时，面板堆石坝的长期渗漏率一般小于10 L/s，但当坝高超过125 m时，它迅速增加到45～200 L/s。