高面膜堆石坝发展的需求与关键技术——高面膜堆石坝关键技术(一)

面膜堆石坝是指上游坝面用土工膜防渗的堆石坝。综述了面膜堆石坝半个世纪以来的发展状况,分析了该坝型的特点及该坝型技术在我国的使用现状与需求:面膜防渗结构具有渗透性低微、差异变形适应性强、施工简捷、工期短、造价低等特点;由于国外专利保护等原因,面膜堆石坝技术未能如面板堆石坝和碾压混凝土坝那样广泛交流与推广,自国外第一座面膜堆石坝建成以来,国内尚未建成一座高面膜堆石坝,而我国水电清洁能源的需求、许多深覆盖层坝址与黏土防渗体取土受到环境生态制约的状况,需要高面膜堆石坝发挥其作用,相应的设计分析技术需要较系统深入的研究梳理和集成。概述了该坝型关键技术研究的初步成果,包括高面膜堆石坝的周边夹具效应与设计方法、面膜双向拉伸分析方法、数值精细模拟方法、非散粒体面膜垫层技术、膜顶胀损缺性状量化分析方法。     

高面膜堆石坝发展的需求与关键技术

面膜堆石坝是指上游坝面用土工膜防渗的堆石坝。综述了面膜堆石坝半个世纪以来的发展状况,分析了该坝型的特点及该坝型技术在我国的使用现状与需求:面膜防渗结构具有渗透性低微、差异变形适应性强、施工简捷、工期短、造价低等特点;由于国外专利保护等原因,面膜堆石坝技术未能如面板堆石坝和碾压混凝土坝那样广泛交流与推广,自国外第一座面膜堆石坝建成以来,国内尚未建成一座高面膜堆石坝,而我国水电清洁能源的需求、许多深覆盖层坝址与黏土防渗体取土受到环境生态制约的状况,需要高面膜堆石坝发挥其作用,相应的设计分析技术需要较系统深入的研究梳理和集成。概述了该坝型关键技术研究的初步成果,包括高面膜堆石坝的周边夹具效应与设计方法、面膜双向拉伸分析方法、数值精细模拟方法、非散粒体面膜垫层技术、膜顶胀损缺性状量化分析方法。     

高面膜堆石坝关键设计概念与设计方法

针对高面膜堆石坝的特点,分析高面膜堆石坝防渗面膜变形原理和几种主要防渗面膜材料的变形特点,阐述防渗面膜选择与设计、防渗面膜铺设设计以及周边锚固设计等方法。梳理和分析防渗面膜变形安全校核方法,提出较为系统的面膜变形安全校核方法;指出以往研究中关于颗粒垫层上防渗面膜液胀变形校核方法存在的问题,提出了比较符合工程实际且易于工程设计应用的液胀变形校核方法。     

高面膜堆石坝运行状态下土工膜双向拉伸力学特性——高面膜堆石坝关键技术(三)

针对目前我国土工膜防渗工程设计依然以单向拉伸试验结果为依据,而土工膜在堆石坝面防渗体实际运行中却处于双向拉伸应力状态的问题,采用自主研发的2种双向拉伸试验装置对堆石坝面防渗土工膜的双向拉伸力学特性进行试验研究。对堆石坝防渗常用的几种土工膜分别进行了不同双向拉伸状态下的力学特性试验,并和单向拉伸试验结果进行对比,得到了双向拉伸状态下土工膜的拉伸强度、延伸率、弹性模量和泊松比等力学参数以及真应力-真应变关系曲线。试验结果揭示了高面膜堆石坝防渗土工膜在真实工作状态中的受力变形特性及破坏机理,为面膜防渗体设计计算和受力变形数值分析提供了一定的理论基础和计算依据。     

高面膜堆石坝面膜局部顶破、刺破概率分析方法——高面膜堆石坝关键技术（六）

针对堆石坝面膜与垫层颗粒间接触状态存在较大的随机性和无序性的问题,结合土工膜材料力学强度与抗顶破、刺破能力之间的关系,建立了一种简化条件下计算土工膜发生局部顶破、刺破概率的方法,并分析了垫层颗粒不同粒径、不同压力与土工膜局部顶破、刺破概率之间的关系,同时以某面膜防渗堆石坝为例,给出了在土工膜整体受力变形条件下堆石坝面膜防渗结构安全概率的分布情况。分析结果表明:压力越大、颗粒粒径越大,土工膜发生顶破、刺破的可能性越高,并且由于局部土工膜所受到的不平衡力的方向的不确定性,所以土工膜发生顶破、刺破的概率与颗粒粒径和压力具有明显的两段函数关系。     

堆石坝薄柔性防渗结构长期变形的适应性

薄防渗结构必须具有适应堆石坝长期变形而保持其防渗性的能力。堆石坝可采用高质量堆石料和增加碾压效果降低堆石料孔隙比从而减小长期变形量。混凝土面板只能依靠面板接缝而适应坝体变形;沥青混凝土面板本身是柔性的,能适应堆石坝变形;处在坝体中间的沥青混凝土心墙更能适应堆石坝变形。     

建造在河床覆盖层上的混凝土面板堆石坝

本文介绍了在覆盖层地基上直接建混凝土面板堆石坝的现状水平。结合75m深覆盖层上的瀑布沟混凝土面板堆石坝设计方案,介绍了防渗墙线路布置、施工顺序对坝体应力和变形的影响,以及坝体地震反应的研究成果。认为深覆盖层地基上直接建高混凝土面板堆石坝是可行的。     

狭窄河谷深覆盖层地基高面板堆石坝应力变形特性研究

为研究狭窄河谷深覆盖层上高面板堆石坝的应力变形特性,本文基于邓肯-张E-B非线性本构模型,采用中点增量法,结合九甸峡高面板堆石坝工程实例,对其施工期和运行期的应力变形进行了三维有限元仿真分析。结果表明:与一般建基于宽浅河谷及基岩坝基情况的面板堆石坝相比,在狭窄河道深覆盖层地基上建设高面板堆石坝,竣工期和蓄水期的坝体水平位移分布受覆盖层的影响较大,坝体应力分布也呈现出与岩石坝基有所不同的分布特征,面板的应力变形基本均在正常范围内,但蓄水期面板接缝尤其是周边缝位移相对较大,因此建议设计应对接缝止水采取相应的防护措施。     

深覆盖层上面板堆石坝坝体与覆盖层相互作用研究

针对深覆盖层上的面板堆石坝,采用数值计算的方法分析了坝体、坝基以及面板和防渗墙的应力变形分布规律,并对坝体与覆盖层的相互作用关系进行了分析论证.分析结果表明,尽管覆盖层地基的变形对坝体、面板和防渗墙的应力变形性状有着明显的影响,但通过采取合理的工程措施,深覆盖层上的面板堆石坝采用垂直防渗处理是可行的.     

寒冷地区混凝土面板堆石坝设计

针对寒冷地区面板堆石坝防渗结构和冰冻期填筑标准的设计特点，本文结合松江河梯级水电站工程的设计进行了探讨，包括：１坝型与材料分区设计，垫层料与小区料的选择及其设计标准。２面板混凝土的耐久性和配筋设计，以及抗冻性和快冻指标的选取。３冰冻期坝体填筑标准与施工参数，冻结堆石料的压剪强度特性，用施工参数法确定堆石的压实标准，用堆石料压缩模量或干密度指标控制和评价施工碾压质量。     

高混凝土面板堆石坝应力变形数值模拟研究

常规计算法方法无法精准反映高面板堆石坝实际受力情况,造成国内外修建的一些高面板堆石坝出现面板挤压破坏和结构性裂缝问题。采用邓肯E-B模型进行高面板堆石坝三维有限元分析计算,结果表明:高混凝土面板堆石坝的应力和沉降量较小,绝大部分荷载是经过垫层和过渡层由主堆区石传入坝轴线以上的地基中,坝壳料具有足够的变形模量及自由排水性能,孔隙率控制是合理。面板堆石坝应力的分布在各堆石区的分界处没有较大突变,坝体填筑分成防渗补强区、垫层区、堆石区各区坝料之间满足力学平稳过渡的要求。因此高面板堆石坝设计是合理的,对类似工程设计具有参考意义。     

三板溪面板堆石坝坝体变形控制

对面板堆石坝而言，坝体变形控制是设计和施工的首要问题。三板溪水电站主、副坝均为面板堆石坝。主坝最大坝高185.5m，建于峡谷河段，筑坝材料为超硬岩及强风化料，岩性复杂，填筑工期短；副坝最大坝高92．1m，上下游均为贴坡坝型，坝基地形特殊，以上条件对控制坝体变形均不利。在设计中，从坝基开挖处理、坝料选配、坝体分区、填筑要求、施工程序和进度安排等方面均采取了措施，以减少这些不利影响，保证大坝安全运行。     

混凝土面板堆石坝筑坝材料工程特性研究

水布垭工程正在进行可行性研究。混凝土面板堆石坝方案，坝高２３３ｍ，大大超过国内外已建和在建的同类坝型中的是高面板堆石坝设计工作中的关键工作之一。为此，针对水布垭工程的具体情况，对筑坝材料的级配，压实密度孔隙率，压缩模一，排水性能，强度和应力应变等特性进行了大量的室内外试验研究。     

盘石头水库混凝土面板堆石坝次堆石区坝料设计

本文根据大型室内坝料试验、计算和监测成果，分析了盘石头混凝土面板堆石坝在下游次堆石区利用工程开挖的软弱页岩堆石料和含泥灰岩堆石料的可行性。研究表明，该页岩坝料虽然力学性质软弱，但仍适于坝体下游干燥区筑坝之用；含泥量在10％以下的灰岩坝料无论是强度、变形和渗透性，均和不含泥的灰岩堆石料接近，硬岩堆石料含泥量标准适当放宽是合理的。     

水布垭混凝土面板堆石坝设计

在水布垭混凝土面板堆石坝的设计中，针对筑坝材料的特性和堆石体的变形特征，进行了坝体结构及坝体材料分区的设计。对面板应力应变分析，采用Ｅ－Ｂ模型进行三维非线性有限元计算，计算成果表明：就坝体变形而言竣工期和蓄水期的水平位移与垂直沉降值，比照已建工程均在劲旅范围内；面板位移与应力分析的结果亦与已建工程的面板应务分布规律一致。     

梨园水电站面板堆石坝基础处理设计

梨园水电站混凝土面板堆石坝坝基地质条件复杂,基础开挖填筑量大。为做好基础处理,在坝基开挖设计中,通过研究趾板区的地形地质条件,将趾板地基及其上下游边坡开挖与防渗、坝体变形控制、工程量综合优化统筹考虑,兼顾全面。在坝基处理中,针对不同的地质缺陷采取相应的处理措施,以满足高混凝土面板堆石坝对地基的要求。工程实践表明坝基开挖处理设计符合质量要求且经济合理。     

珊溪水库面板堆石坝施工期沉降变形探讨

珊溪混凝土面板堆石坝建在厚度达20余米的河床覆盖层上，结合坝址覆盖层的物理力学性质，采取挖除趾板后60m范围内的河床覆盖层及松散的砾砂层（Q4）的处理方案。通过仪埋观测和资料整理分析，大坝及其基础沉降变形观测值均在设计范围值之内，覆盖层变形趋于稳定所经历的时间较坝体堆石料所经历的时间长，坝体沉降量大小与堆石料的特征有关，包括石料岩性，风化程度，抗压强度，软化系数，几何形态及颗粒组成等，在施工期间坝体沉降变形，主要受振动碾压静重和压力波形式的动力作用产生，在压力波影响范围之内，沉降变形近似呈线性变化，表明全断面上升的施工填筑方法确保了大坝施工填筑质量要求。     

新疆高混凝土面板堆石坝筑坝填筑标准及变形控制

根据近30年来新疆100 m级以上面板坝建设经验,对坝体填筑标准进行了总结,并结合沉降监测资料,分析了坝高和筑坝材料、施工填筑控制标准、碾压施工参数和运行年限等因素对高面板坝变形控制的影响:(1)对于新疆100～150 m级面板坝,从变形控制的角度看,采用砂砾石填筑的沉降率比采用堆石填筑小0.2%左右,采用砂砾石填筑优于采用堆石填筑;(2)对高震区150 m级以上的高面板砂砾石坝,设计填筑相对密度从不小于0.85提高到0.90必要且可行,且应采用现场原级配大型相对密度试验代替室内相对密度试验方法来确定坝体的填筑标准;(3)提高施工振动碾吨位是减小坝体变形的有效方法,采用目前广泛使用的26 t振动碾,铺料厚度80 cm,碾压8遍,一般能满足150 m级以下面板坝的设计填筑标准要求;对更高的坝建议采用更大吨位的振动碾施工。     

高混凝土面板堆石坝的设计与施工

近年来国际上修建了一些150－190m高的混凝土面板堆石坝，目前还有7座坝高为150－240m高的面板坝准备开始修建。但是已修建的这些高坝较普遍地发生了面板结构性裂缝，有些坝结构性裂缝宽达50mm，个别坝还发生垫层料的流失。通过对天生桥一级水电站面板堆石坝原型观测资料的分析，提出了改进高混凝土面板堆石坝设计与施工的建议。