摘要：本文论述了计划在冰岛东部建设的190m高的Karahnjukar 混凝土面板堆石坝的设计。设计采用了可确实缩短工期的从动结构。设计具有提前工期、降低造价，并对陡峭峡谷和复杂地质进行处理的特点。同时简述了地震设计和稳定分析。
关键词：Karahnjukar 混凝土面板堆石坝 设计 考虑
该工程占地范围从需建三座坝的上游坝址，经位于Fljotsdalsheidi 高原的一条长40km、直径7.2m的前渠隧洞，至位于Teigsbjarg 装机5×115MW轴向辐流式机组的动力洞室的下游坝址。在Fremri-Karahnjukur山Jokulsa a Bru河上，筑190m高的 Karahnjukar坝和2座副坝，左边为Saudararstifla，右边为 Desjararstifla，形成溢流堰顶高程625，水库的有效库容约为2.1×109m３。该河平均流量为103m３/s，在融雪季节流量通常高达600m３/s。平均年径流量约为3.3×109m３，水库的年来水量集中于7～9月间。水库最小运行高程为550，死库容约为0.3×106 m３。
在Desjararstifla副坝上建一座顶部高程为625的混凝土反弧面溢洪道，同时考虑在Karahnjukar坝左坝肩建一隧洞溢洪道。期间，河水通过2条长600m，直径为5.8ｍ/6.4ｍ和8m的导流隧洞。其中一条隧洞以后将作为泻水底孔。
大坝为传统的混凝土面板堆石坝，部分材料采用当地现有建材。坝体体积约为9.6×106m３，所用混凝土体积仅为90000 m３。大坝迎水面和中间部分坝体由大坝上游冰川沉积的熔岩托块及砂质石子组成。下游面板由常用的爆破玄武岩组成。
１地质
Karahnjukar坝穿过45m深的峡谷，由陡峭的右坝肩和相对平缓的左坝肩组成。峡谷壁480高程以上由暴露的熔岩块组成，以下由柱状玄武岩组成，坝肩处被20～30m厚冲积冰川的沉积物与半坚硬的淤泥及冰碛覆盖。更深处的UTB玄武岩被较薄的沉积互层分隔，这样当岩石块的渗透性在10～100Lu（吕容）间变化时，Q-NGI分类值为3～10。峡谷底部以上至峡谷壁中部附近50m厚地带内，以橄榄石玄武岩占优势，岩石在熔渣、多孔玄武岩与均质完好的柱状玄武岩之间变化。当额定Q在6～16范围内，橄榄石玄武岩通常具有一致性和连续性，并且一般渗透性小于1Lu。
较高处的峡谷地质条件有些变化，与两坝肩处不同。在西边，橄榄玄武岩上覆盖着沉积层，沉积层上部为典型Q值在2～5之间的橙玄玻璃角砾岩。岩石具有相当大的不均匀性，在沉积岩石至熔岩块之间变化，岩石块渗透性从1到大于100L不等。在东边，部分岩石上覆盖着沉积层和玄武岩—“河道玄武岩”。对连接区域进行严格的灌浆处理。在更高处，比较早期的严重非均质Karahnjukar岩石占优势；该地层在较低部分为熔岩块，在较高的高程上，更多的为凝灰质岩石。Fremri-Karahnjukar山下为古老的完全为橙玄玻璃的山谷。其底部与确定的坝址处的峡谷的底部具有相同的高程。可以假定这座古老的山谷通向现在坝址偏南的河东岸，也就是Fremri-Karahnjukar和Sandfell山之间的低谷。该岩体在强度和渗透性方面属于完全不同的种类，样品主要显示Q小于1，而后面的则大大地超过了几十Lu（较低部分甚至更高）。
一些断层贯穿坝址附近的峡谷。用倾斜的与断层和裂缝相交的钻孔测量渗透性，渗透性未出现任何显著增长的迹象。直径4～5cm，高9～11cm的岩芯，压强变化情况为：橄榄玄武岩在60～235Mpa之间，拉班玄武岩在150～440Mpa之间，斑状玄武岩在70～212Mpa之间，熔渣在7～39Mpa之间，沉积层（砂石和凝灰岩）在2～33Mpa之间。
２气候
该工程位于大Vatnajokull冰川的北部，所以气候相对干燥。最低和最高温度为-25℃（2月至3月）和20℃（仲夏）：0℃以下的温度在一年中的任何月份都可能出现。高原受强风控制，冬季尤甚。坝址地区一年中有半年基本上被积雪覆盖。四月下旬开始化雪，7月-8月形成洪峰。
Halslon和Karahnjukar坝和一期工程的附属建筑物的主要数据在表1和2中给出。
3建筑材料与大坝分区
Karahnjukar坝为分段混凝土面板堆石坝。大坝上游和下游坡度都为1：1.3。挡水墙顶高程为630.5，比溢洪道顶标高高5.5m，比可能最大洪水水位高2.2m。与高增长的大坝成本（三个坝）相比，溢洪道相对便宜，因此该坝比一般的高混凝土面板堆石坝高程低。
0.8m的坝顶超填量用来补偿长期的堆石沉降以及大坝受到强地震影响时可能出现的沉降。大坝分区与传统的混凝土面板堆石坝粗粒堆石构造有些不同。以下为堆石分区的详细情况：
1. 大坝（冰川泥砂）上游约2km处，有大量的无粘性细骨料，可起到防裂作用。
2. 周边连接处使用处理过的细滤料。
3. 在面板下坝基上使用处理过的熔岩块。
4. 附近有相当多的优质毛石，基本上为熔岩块，筛选后用作堆石。
5A.水库附近的砂质砾石可作为具有高变形模数且未加工的堆石。
5B.无排水堆石，如熔岩块及其它可用的具有高工程强度的堆石。
6A.无排水耐用橄榄石堆石用于下游坝面板。
6B.下游坝坡防腐用经筛选的耐用橄榄石。
建议采用指定侧石混凝土，代替喷混凝土或灰浆涂料对区3进行防护，正如近期在莱索托的Mohale大坝和巴西的Ita大坝的应用。在从上游向下游增加的层的厚度方向设堆石分区，在需要处提供一个高模数，并增加向下游的渗透性。
在浇筑并压实后，区2在边界包线内需进行级配，如表3所示。区3的级配包线如表4所示。区3的渗透性须低于10-4cm/s，以确保大坡度下的内部稳定。区4的渗透性超过10-5m/s。区3与堆石区5之间的过度区的级配如表5所示。区5和6面板级配的要求对细骨料的数量有所限制，如表6所列。
４超高
与国际大坝委员会“设计洪水位的选择，水流方法”相一致，设置超高以便使极端水位（可能最大洪水）不会淹没坝顶，从而防止引起漫顶时毁坝。另外，汹涌洪水可能会掀起波浪，如下：
1:10年抬高组合为1:1000年洪水（10000年一遇）。
1:100年抬高组合为1:100年洪水（10000年一遇）。
５峡谷对设计和静态有限元法的影响
用二维空间限定差程序FLAC处理数值有限元法分析，来预报190m高混凝土面板堆石坝体构造的变形，并特别注意峡谷形状的影响。有限元法分析中的网格如图4所示，包括结构末端的主要压力。记录б1 怎样散开并变得几乎与坝坡平行，而当水库蓄水后б1怎样旋转，如图１所示。
图２给出了坡脚墙加速的进度表，以尽快度过很深且陡峭的峡谷。其作用相当于二级围堰。为避免接缝坡脚墙/趾板处过多的沉降，例如有可能出现的峡谷中的清洁粗粒玄武岩石象模拟假定的那样，图２反应出来，由几条防线提供给出特殊的设计，包括：
在坡脚墙的下游侧采用高模数砂砾填筑；
坡脚墙采用特殊的形状，将连接处的沉降减到最小；
连接处的剪切由坡脚墙上部的形状控制；
在板中提供转动连接，高于坡脚墙/板连接8m。
６地震设计标准
常见的地震数据静态分析的方法为一种循环曲线，引出表面震动级数Mｓ，由Log10N=a-b*M计算,式中N为大于等于M的地震级数。数据取自东部火山带，范围自Grimsvotn以南至Kopasker以北，冰岛所有可用的数据取自Vedurstofan互连网数据库，根据震动频率大于4进行分析。这些结果的频率分布已经与加利福尼亚和莱索托Mohale周围玄武岩区域145m高混凝土面板堆石坝的同类数据进行了比较。‘b’值代表循环曲线的坡度，表明该区域的强度和应力条件。小于0.6的较缓坡度表明该区域具有高强度和可变应力。坡度大于0.6，表示该区域处于破碎带和临界应力。
东火山带Kopasker1910年地震的数据，等于或大于 7～7.2 级，如同Mohale的循环包络线。7.2级地震相对于东火山数据范围具有清晰的轮廓，与冰岛地震学家的观点相一致，认为Kopasker破碎带为不相连的区域。由此绘出基于除该值外的数据的相关曲线。冰岛全国的地震数据与应用于莱索托和加利福尼亚的包络线的循环曲线的结果进行了比较。东火山带数据，包括7.2级 Kopasker地震的数据，支持M6～6.25MCE的地震，正如所有的冰岛数据，除距离震中150km范围以外，支持超M极限的M7。
表７给出东火山带和所有冰岛以及莱索托玄武岩区域和加利福尼亚的‘a’和‘b’值的估算。东火山带和莱索托‘b’值非常近似。有关100～500年循环区间的量值分别说明了OBE和MCE事件。应用上述包络线，获得表８列出的OBE/MCE值。可从应用于冰岛的衰减曲线中读出相应的PGA值。
７堆石强度与包络线模型
大坝的堆石分为不连续的两个区域，上游和中心坝区考虑采用熔岩，下游坝区构造采用净玄武岩堆石。考虑静态分析以包络线为模型。动态负荷条件下的土壤和岩石的刚度比静态负荷下高得多。用动态FLAC分析静态变形值增加8-10。用静态分析较高和较低的边界参数。８动态有限元法分析
以上提到的FLAC程序同样适用于预报符合高于规定的地球负荷的大坝反应。大坝符合两个具有设计频谱和时间历程的冰岛的运动，以及四个加利福尼亚地面运动。对最大PGA值从0.15g（考虑该处MCE）至0.30g进行灵敏分析，只对混凝土面板堆石坝遭受到可能造成主体毁灭的最小负荷进行论证。汇总实用经验关系的结果，和上述有限元法动态FLAC分析。可以得出以下结论：任何可能出现的袭击工程地点的地震，不会对Karahnjukar坝造成有害的影响。坝顶变形得到限制，变形量比给定预留的高程小。
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