探究300m级浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝设计

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1、探究300m级浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝设计1问题的提出　　我国西部有着丰富的水能资源，在大江大河上、高山峡谷区以及相对偏远地区开发水电资源，需要修建300m级(坝高在250m以上)的特高坝，以形成龙头水库来提高流域梯级电站的补偿调节性能和提高电能质量。但由于大江大河的上游一般都位于经济相对落后、交通闭塞的高寒山区，受对外交通条件、地形地质条件以及筑坝材料等因素的制约，使得混凝土面板堆石坝成为最具有竞争力的首选坝型。目前，因不能把握300m级特高面板堆石坝的工程特性以及关键技术问题和运行特性，使得在坝型选择时不能直接选择面板堆石坝

2、方案，而选择外来建材运输量大、造价高的混凝土坝或体积大且占用耕地多、对环境和水土保持易造成不利影响的心墙堆石坝方案，有的工程在近坝区甚至没有可用的防渗土料，这使得待建水电站的经济指标竞争力降低，因此，未来我国水电站的建设迫切需要在300m级特高面板堆石坝技术上有所突破。当前，我国设计和建造200m级(坝高在150～250m范围)超高混凝土面板堆石坝的技术已经成熟。工程建设和运行实践表明，与100m级(坝高在70～150m范围)的高混凝土面板堆石坝相比，200m级超高混凝土面板堆石坝具有一些新的特点，主要表现在:①由于坝高增加，使得坝体

3、的应力水平较高，造成分区堆石料变形差异趋于严重;②坝体工程量大，施工周期长，需要填筑临时剖面来抵挡施工期洪水，甚至有可能要求在堆石体上过流;③建于窄狭河谷中的特高面板堆石坝，其堆石体存在着拱效应，使坝体的三维效应加剧，在施工期、运行初期其应力和变形性状明显有别于100m级面板堆石坝;④堆石体流变变形的存在，使得200m级面板堆石坝后期坝体变形量较大，对防渗体系的应力、变形性态起着主导作用，是面板及趾板等防渗结构最大的安全隐患。　　200m级混凝土面板堆石坝表现出的上述性态，在300m级混凝土面板堆石坝上将会体现的更加明显、突出。因此，

4、为了打破混凝土面板堆石坝向300m级坝高发展的关键瓶颈，必须在筑坝材料、坝体结构形式和施工技术方面寻求新的突破、创新。施工方式和筑坝材料的改进是大坝建设技术进步的关键，在筑坝材料方面寻求改进或变革，是突破300m级面板堆石坝筑坝技术瓶颈的研究重点。胶凝堆石料，即水泥胶结堆石料(Cementenrichedrockfill，欧美称为Hardfill、日本称为CSG)，以其独具有的工程特殊性能，使其成为300m级特高面板堆石坝理想的筑坝材料。而浇筑式沥青混凝土面板可以有效克服钢筋混凝土面板在特高坝方面表现出的不足，以其良好的防渗性能和适应

5、变形能力，与以胶凝堆石料为主材填筑的堆石坝体组合，构成300m级面板堆石坝的完美结构形式。根据其筑坝材料的特点，这种坝型可称为浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝。　　2Hardfill坝及Hardfill材料的工程特性　　Hardfill材料是一种新型的筑坝材料，其基本特点是①利用在坝址附近易于得到的河床砂卵石或开挖弃渣料等材料，在其中加入水和少量水泥经碾压而成的一种低强度(相对于混凝土来讲)材料;②其材料性质具有较大的离散性，因为其性能随骨料级配、水泥用量、单位用水量的不同而不同;③基本上不进行骨料级配调整，也无需清洗骨料，因此，生产方

6、便、价格低廉。　　Hardfill坝是一种新坝型，自1993年在希腊建成世界第一座Hardfill材料坝Marathia坝(坝高25m)以来，2005年在土耳其建成的Cindere坝(坝高107m)是目前世界上最高的Hardfill坝。日本自20世纪90年代开始大力研究和开发具有自身特点的Hardfill坝，并称为CSG(CementedSandGravel)，目前已建成多座CSG坝，其中坝高62m的Honmyoga，是2009年在云南澜沧江功果桥水电站上游围堰采用的胶凝砂砾石围堰工程。截至目前，我国尚无在主体工程上采用Hardfil

7、l坝(或CSG坝)的先例。　　Hardfill坝的坝体断面为上、下游对称或基本对称的梯形断面，其体形介于重力坝和面板堆石坝之间，上、下游坝坡可根据具体工程的坝基条件、坝高以及筑坝材料的性能等因素来确定，一般在1∶0.5～1∶0.8之间，坝体防渗由上游防渗面板来承担。大坝坝体按堆石坝施工工艺进行薄层碾压填筑，施工效率高，投资省。泄洪设施可布置在坝身，不需要在河岸开凿溢洪道或泄洪隧洞。施工期允许坝身过水，便于施工导流。Hardfill坝典型剖面见图1。　　Hardfill材料具有类似于贫碾压混凝土的一些性质，但又有其自身的特性。在力学性能

8、方面表现为:①应力-应变关系。Hardfill材料是一种典型的弹塑性材料，具有弹性区域和塑性区域，拉伸性很强，是处于混凝土和堆石料之间的过渡材料，其强度和变形模量低于混凝土，但大大高于堆石料，Hardfill材料的变形模