29楼
收稿日期: 2003203206
文章编号: 100620081 (2003) 00720003204
巴西马查丁霍面板堆石坝的设计与特性
[ 巴西] C. 霍曼斯等
摘要: 巴西南部高125 m 的马查丁霍面板堆石坝已于近期完工。坝址处异常复杂的地质条件要求基
础处理和趾板设计采取特殊方案,为此修建了一座17 m 高的趾板重力墙。讨论了工程主要设计特点和大
坝特性。
主题词: 混凝土面板堆石坝;坝设计;工程特性;地质特征;巴西
中图分类号: TV641. 4 文献标识码: A
马查丁霍坝和水电站位于巴西南部的佩洛特斯河上,坝
址在伊年杜瓦河河口下游约1. 2 km处, 年发电量4 433
GW·h。
工程总体布置如图1 所示,主要技术参数如下:
图1 马查丁霍工程总体布置图
(1) 混凝土面板堆石坝,坝高125 m ,坝顶长700 m ,坝
体积650 万m3 。
(2) 导流工程,包括2 个主围堰(上游围堰高45 m ,下游
围堰是坝体的组成部分) 和在岩体内开挖的导流隧洞。导流
隧洞宽14 m ,高16 m ,其中2 条主洞位于右岸较低高程处,
采用一座装有钢闸门的混凝土结构进行最后封堵;2 条辅助
隧洞布置在伊年杜瓦河与佩洛特斯河左岸之间的鞍状岩体
内,在枯水期封堵。
(3) 右坝肩设有表孔溢洪道,按10 000 a 一遇洪水设
计,在极端情况下,可下泄可能最大洪水。演算下泄洪峰将
相应地下降到35 700 m3/ s 和37 875 m3/ s。溢洪道由8 扇
弧形闸门控制,每扇闸门宽18 m ,堰顶高程460 m 以上额定
高度为20 m。闸门后紧接一段衬砌短渠,渠后为一段在岩体
中开挖的未衬砌排水渠。
(4) 发电系统,包括1 个布置在大坝和溢洪道之间的进
水口、3 条直径9. 4 m的压力引水隧洞和1 座遮蔽式厂房,厂
房内安装3 台380 MW的混流式发电机组。1 座500 kV 的
SF6 开关站布置在1 条专门的廊道内。
(5) 两座填土副坝,一座在水库右岸的上游,另一座在
伊年杜瓦河和佩洛特斯河之间,位于上导流隧洞上方。
1 坝址地质
在混凝土面板堆石坝设计中地质和岩土特性是重要因
素,对坝基和堆石材料的地质力学性能的要求则较为灵活。
就马查丁霍坝而言,坝址处的J 地质层的异常特性对设计有
直接影响。
马查丁霍坝位于巴拉那沉积盆地的玄武岩台地上,构造
为连续的基性和酸性岩层,坝址主要地貌为峡谷形,表面不
平整度达210 m ,佩洛特斯河在此弯曲成U 形,从而形成真
正的“刻蚀”峡谷,也使应力得到释放。
坝址地质层中有3 条大的构造断裂带,倾角为70°～
90°,倾向分别为E - W、N30°～45°E 和N55°～70°W ,另外在
地质层的顶部和底部还存在近水平冷缩节理。
坝址广泛分布着流纹英安岩层(酸性岩层) ,该地质层
(即J 层) 约90 m 厚,下伏K和L 基性岩层,厚度分别为20/
25 m 和35/ 40 m。L 层下方紧邻深约250 m 的砂岩连续层,
J 层的基底高程为408 m ,坝顶高程为485. 5 m ,所以,J 层处
于上坝肩。
K和L 基性岩层的地质力学性能良好,与巴拉那盆地的
其他几个工程类似。J 地质层具有一些和熔岩流相关的特
性,其表征厚度以及冷缩过程和应力释放均与当地地形有
关。
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在J 地质层和近垂直断裂带中存在一条倾斜断裂带
(N30°～45°E) ,倾角约45°,充填土和/ 或漂砾。J 层表层厚
度从几厘米到1 m 多不等,并随深度增大而减小。基底处有
几米厚的风化带,风化程度由表及里逐渐减弱。日积月累,
坝肩的土壤覆盖层厚达20 m ,其中含有大量的漂砾甚至一
些大块石。
可以看出,K层不存在这些问题。其顶部为粘合玄武角
砾岩,轻微破碎,厚度不足1 m。下伏岩层为轻质或密实玄
武岩,主要呈近水平的非连续性分布。
J 层的风化可能是因其顶部附近区域岩石强烈破碎所
致。水流通过近垂直构造断裂带和倾斜断裂带渗透到岩石
内。渗流渗透到K 层顶部的角砾岩,由于角砾岩起着防渗
作用,阻止水渗到岩层下部,迫使渗流通过J 层的破碎基底
渗流,从而形成在勘测中探明的土壤/ 腐泥土的指状风化带。
2 地质—土工情况
J 层固有的地层和风化特性对大坝设计有重要影响。
特性包括:
(1) 开挖出的堆石料风化程度不一,堆石料的粒径分布
比其他同类型工程的堆石料(最大粒径为0. 4～0. 6 m) 细一
些,常常含有大量细料。
(2) 20 m 厚的土壤覆盖层开挖剥离后,在两岸坝肩有与
J 层和K层接触面有关的水平岩石夹层。
(3) 穿过近垂直面的岩土接触构造在土层开挖后形成
一高而陡峭的岩坡。例如,右坝肩开挖J 层和K层接触面上
方的土壤后形成的岩坡约50 m 高,某些部位的坡度达65°
(图2) 。
图2 右坝肩地质剖面
(4) 存在横贯趾板的裂缝,裂缝充填有易侵蚀材料,充
填厚度从几厘米到几十厘米不等。
(5) 左坝肩裂缝的充填料被冲走了,在岩面发现的裂缝
开度为几十厘米,裂缝分布限于基岩和高程450 m 之间的完
整岩面(图3) 。
(6) 左岸J 层底部有一条厚3 m ,长18 m 的风化带,贯
穿上述完整岩面。风化料为腐泥土,采取开挖隧洞并回填混
凝土的方法截断风化料。
3 堆石坝
大坝坝高125 m ,典型面板堆石坝断面。考虑到源自开
图3 左坝肩地质剖面
挖料或采石场的岩石的力学性能和碾压层厚采用了几种堆
石。大坝上、下游坡分别为1V∶1. 3H和1V∶1. 2H。图4 为
大坝典型横断面。堆石料的地质力学性能和分区见表1 。
与巴西同类型的几座坝一样,堆石表现出来的特性由其岩石
成份确定,例如上游3B 区,福斯杜阿里亚坝规定密实坚硬玄
武岩的含量必须大于70 %。
图4 马查丁霍面板堆石坝典型断面图
表1 堆石特征参数
区域层厚碾压抗压强度
1 0. 3 m 由施工设备确定
2A/ 2B 0. 4 m 9 或12 t 振动碾碾压4 遍σc > 50 MPa
3A 0. 4 m 9 或12 t 振动碾碾压4 遍σc > 50 MPa
3B 0. 8 m 9 或12 t 振动碾碾压6 遍σc > 50 MPa
3C 0. 8～1. 6 m 9 或12 t 振动碾碾压6 遍σc > 30 MPa
3D 1. 6 m 9 或12 t 振动碾碾压4 遍σc > 40 MPa
然而,开挖料还包括厂房区的风化石和下导流隧洞内的
角砾岩和/ 或轻质玄武岩。这些材料不可能按传统的推荐方
法使用。因此,要对技术要求进行调整以便按岩石的地质力
学性能,特别是单轴抗压强度来决定这些材料的使用。为
此,规定3A 和3B 区堆石的抗压强度较高(σc > 50 MPa) ,3D
区堆石的σc > 40 MPa ,且抗剪强度也要较高。在中心区
(3C) ,采用σc > 30 MPa 的材料,甚至含有风化石的材料。
同时对两组试样做了点荷载试验和单轴抗压试验,以便
确立两个试验结果之间的相互关系,以及便于控制开挖情
况,然而结果不太理想。因此,对每类岩性的最小点荷载强
度值做了规定,以确保单轴抗压强度大于规定值。
另外,在岩面暴露程度方面采取以下措施,使堆石基础
的清理更为灵活:
(1) 坝上游1/ 3 区要求暴露100 %的岩面。
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(2) 中间腐泥土区要求暴露30 %的岩面。
(3) 下游1/ 3 区要求暴露50 %的岩面。
4 趾板布置
趾板为钢筋混凝土结构,锚固在岩基上,考虑了3 种底
宽(4 m、5 m 和7 m) ,最小底宽相当于静水头的5. 5 %。
图5 坝肩趾板重力墙典型剖面图
趾板基础开挖控制线为“X”线,即面板底面与基础表面
的相交折线,折线纵向坡度不变。
趾板浇筑采用库克建议的“Y”线,每个PIx 对应一个
PIy ,且每个PI 处的PIx 和PIy 的高程差为0. 8 m。趾板布
置采用3D 计算机辅助设计软件,由此可确定Y线各折线顶
点的坐标。
首先,趾板基础表面应置于开挖后进行充分清洗的完好
岩石上。如果需要,表面可回填一层薄混凝土。
在两岸坝肩,由于陡峭岩面与J 层台地连接,因此需在J
层底部浇筑重力墙,左、右坝肩重力墙各长约45 m 和55 m ,
最大高度17 m。
5 趾板重力墙
在重力墙顶部采用合理的几何结构防止趾板坡脚滑动
(图5) 。重力墙上游坡为1 H∶5 V ,下游坡为1. 2 H∶1 V 。这
种缓坡结构可承受上游面的高水压力及底面的扬压力。为
减小扬压力,在具有横向出水口的岩石接触面上布置了一条
纵向排水廊道。在混凝土坝体内,也设置了一个类似的收集
临时水流和消除渗压的排水系统。
稳定分析计算的阻力包括墙的净重、墙上方堆石的净重
和混凝土面上的库水压力。考虑了下游堆石的辅助支撑作
用。在稳定计算中,水平压力等于静水头的15 %。
对混凝土块体和基础接触面的应力状态进行了计算,采
用的计算标准是只有法向压应力作用。在某些重要部位,基
础接触面处存在拉应力,须使用锚杆加以解决。在这种情况
下,须在上游区设置一道钢筋网以承受拉应力。
6 基础处理
理想的趾板基础应是坚硬、非侵蚀性的并可灌浆的岩
石,而J 层的基础条件恰恰与此相反。岩石风化,有张开的
未填充裂缝或充填有易侵蚀材料的裂缝,针对这些情况,在
基础处理工程设计方案中采取了以下几种保护措施。
6. 1 3 排灌浆帷幕
沿趾板全长设3 排灌浆孔形成灌浆帷幕,所有灌浆孔贯
穿J 层,并伸入下伏K层。由于断裂带透水性强,因此上、下
游的灌浆帷幕对中间的灌浆帷幕起屏障作用。
趾板灌浆必须预先钻60 m 长的斜孔。上、下游帷幕灌
浆要特别小心。措施包括下层灌浆、使用专门导管以及采用
高压空气和高压水清洗。在关键部位钻孔时采用粘性液体。
上、下游两排灌浆完成后,中间一排灌浆就不存在什么大问
题了,可采用上层灌浆。水泥用量为300～500 kg/ m。不
过,由于主断裂带为垂直断裂,浆液下流,并填满较低高程的
断裂带,因此水泥用量并不只与灌浆高程有关。
左坝肩岩体应力释放和倾覆破坏严重,存在较宽开口的
未填充表面裂缝,裂缝处理是在填塘混凝土中置入PVC 管,
靠重力作用将砂浆灌入岩石的不连续面。
6. 2 下游铺盖
决定通过延长渗径来防止基础侵蚀,下游喷射混凝土铺
盖延伸至趾板下游约一半库水头的距离。喷射混凝土采用
钢筋网加固,上面覆盖细粒和粗粒反滤层,防止从基础到堆
石的管涌。在铺盖尾端,延长反滤层以保证基础渗流有一个
自由的受到保护的出水口。
6. 3 上游铺盖
在趾板趾部填筑粘土铺盖以保护周边缝和延长渗径。右
坝肩重力墙的几何结构不适合对周边缝采用粘土铺盖,因而
只能采用内部填砂、外抹砂浆的浆砌块作为周边缝的外部保
护。
应该指出,施工期间曾对将左坝肩整块劣质岩体全部挖
除的替代方案作过评估。在对施工和进度进行技术- 经济
分析后,决定保留这部分劣质岩体,并进行必要的处理以确
保大坝良好性能。
6. 4 面板设计和施工
大坝混凝土面板面积为77 300 m2 ,划分为16. 2 m的方
格。面板厚度从底部的0. 55 m变化到顶部的0. 3 m ,可按公
式T (厚) = 0. 30 m + 0. 002 H计算。其平面图见图6 ,图中
标明了趾板重力墙的位置。
为了便于面板施工,上游坡采用了挤压路缘。这种施工
工艺首次在巴西伊塔坝采用,在面板下部出现了拉伸裂缝。
挤压路缘阶梯状界面形状能将剪应力从堆石传递到混凝土,
并诱发面板裂缝。在马查丁霍坝,面板浇筑前先在路缘上铺
一薄层黑塑料板,这样可以防止路缘间的粘合。
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[巴西] C. 霍曼斯等 巴西马查丁霍面板堆石坝的设计与特性
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图6 面板平面图
由于多座混凝土面板堆石坝都存在面板开裂问题,而且
马查丁霍坝几何形状复杂,因此在面板设计中必须考虑面板
位移。
为了获得水库蓄水期间的面板位移资料,对大坝多个断
面采用FEM 进行了应力- 应变分析。其分析结果绘成面板
法向位移等值线,见图7 。
图7 预计的面板法向位移等值线
对每块面板施加法向位移计算其受力情况,主要结果如
下:
(1) 由于趾板附近法向位移受到约束,故面板外侧受
拉,弯矩增大,在L / 8 ( L 为面板长度) 处,弯矩达到最大值,
之后弯矩逐渐减小,在L / 4 处为零。在较高高程处,弯矩造
成面板内表面拉伸,但拉应力值较小。
(2) 横向力矩变化不定,大小取决于高程和面板相对于
坝肩的位置。
面板配筋是为了抵抗所计算的作用力和方便施工。在
作用力较大的部位(大约是面板下半部) 采用双层双向配筋,
配筋率为0. 4 %～0. 6 %。在面板上半部,采用单层双向配
筋,配筋率为0. 35 %。
7 大坝性能
7. 1 坝体变形
大坝主堆石体的最大实测施工沉降为1. 6 m ,沉降率为
1. 28 %,施工期间堆石模量为30～50 MPa。
7. 2 面板变形
为了评价面板性能,在3 个断面布置了电子水准仪进行
测量。图8 显示了大坝最高断面采用平面应变/ FEM 分析预
计的位移值和实测位移值,结果表明性能良好。
面板下部1/ 3 区域,预计值与实测值十分吻合。实测最
大位移小于预计值。面板上部区域的实测位移都比较大。这
图8 面板位移预计值和实测值(100 倍率)
种情况在以前用趾板横断面代替坝轴横断面进行FEM 计算
时也曾出现过。因此,防浪墙接缝的选择给予了特别注意。
7. 3 周边缝变形
对FEM分析发现面板位移产生突变的部位,测量3 个坐
标方向上的位移。在测点46 + 17 m(第32 块面板) 处,垂直位
移为18 mm ,平行剪切位移为69 mm ,张开位移153 mm。在
测点32 + 5 m(第6 块面板) 处,趾板位于重力墙上,相应的实
测位移分别为4. 1 ,8. 6和9. 3 mm。另外3 个测点测得的位移
较小。
7. 4 面板接缝变形
为监测面板接缝变形,共布设12 个接缝单向位移探测
器。结果显示,其中9 处接缝开度小于2 mm ,另外3 处为6～
24 mm。
7. 5 渗 漏
所有通过坝体和坝基的渗漏水由下游围堰的粘土拦渗层
收集,用一个矩形不锈钢量水堰测量。当库水位在465 m 时,
渗漏量为90 L/ s ,之后发生了一次16 000 m3/ s 的洪水,库水
位在一天之内上涨了12 m ,下游围堰淹没了12 d。洪水过后,
有3 个星期实测的渗漏量为300 L/ s ,库水位在472～474 m
之间变化。当库水位超过477 m 时,渗漏量上升到600～660
L/ s ,峰值为850 L/ s。目前,渗漏量稳定在600 L/ s。
7. 6 水下检查
采用在海上工程中应用的视频传感器平台,对面板和面
板接缝作了一次水下观测。这种设备能够观测和采集高质
量的图像信息。观测结果没有发现面板开裂或接缝损坏。
8 结 论
马查丁霍坝的例子说明,混凝土面板堆石坝是一种适用
于劣质岩基和复杂几何形状的坝型。
混凝土面板堆石坝的渗漏量较大,但是分区堆石能安全
承受的渗漏量是所设想的基础和面板渗漏量的许多倍。
黎 刚 译自英刊《水电与大坝》2002 年第4 期
沙文彬 校
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