馮 俊

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽5550002)

基于高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計

馮 俊

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽5550002)

高混凝土面板壩在大壩建設(shè)工程中應(yīng)用較為廣泛，但在實際中經(jīng)常會出現(xiàn)面板縫滲漏現(xiàn)象，從而導(dǎo)致滲漏或跨壩事故，嚴(yán)重影響大壩的運行。其中壓性垂直縫的設(shè)計對避免或減少滲漏及跨壩事故的發(fā)生具有非常重要的意義。文章對高混凝土面板壩垂直縫擠壓破壞現(xiàn)象進(jìn)行了簡介，并通過幾個實例總結(jié)了常用的高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計方法，最后分析了幾種改進(jìn)高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計方法的措施。

混凝土;面板壩;壓性垂直縫;失效;垂直滲漏;設(shè)計改進(jìn)

0 引言

隨著大壩工程的不斷發(fā)展及施工技術(shù)的不斷改進(jìn)，由于其具有多方面優(yōu)勢，如工期短、投資少、安全性好、導(dǎo)流工程簡單、施工方便等，逐漸成為當(dāng)下運用范圍最廣、發(fā)展速度最快且具有非常強(qiáng)的競爭力的壩型。目前，已經(jīng)可以建成300 m級的超高壩。

但伴隨該壩型在諸多方面投入應(yīng)用而來的是相關(guān)缺陷的展露。例如，對于高混凝土面板壩，由于壩體變形而引起附近及周邊接縫的止水被破壞，將會在高水頭作用下發(fā)生大量滲流，從而會對大壩的正常運行造成嚴(yán)重的影響，甚至?xí)斐尚孤┗蛘邏误w垮塌。

眾多行業(yè)內(nèi)人士對此進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)造成事故的主要原因是面板縫滲漏，尤其是垂直縫滲漏。因此，應(yīng)當(dāng)在工程建設(shè)之前對這一問題進(jìn)行認(rèn)真分析，合理地進(jìn)行垂直縫的相關(guān)設(shè)計。

1 高混凝土面板壩壓性垂直縫失效的因素及影響

1.1 高混凝土面板壩壓性垂直縫失效的因素

面板壩垂直縫受到擠壓破壞而引起失效的原因一般比較復(fù)雜，失效原因和工程措施仍在具體研究中，目前仍沒有統(tǒng)一的結(jié)論，但綜合分析多個工程實例后，總結(jié)出以下可能的因素:

1)面壩的堆石體壓縮模量過低;

2)面板壩壓性垂直縫無填充，為硬平縫;

3)面板壩壓性垂直縫處面板的抗擠壓斷面太小，或者銅止水鼻子、V形槽及砂漿墊等占用了面板抗擠壓斷面，導(dǎo)致應(yīng)變集中，垂直縫被破壞;

4)面板與墊層料之間偏大的摩擦;

5)面板壩位于窄河谷，產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力偏大。

1.2 高混凝土面板壩壓性垂直縫失效模式

高混凝土面板壩壓性垂直縫失效模式分為垂直縫局部失效和垂直縫通長失效兩種。

在幾個尺寸下平均的Top-1和Top-5準(zhǔn)確率如圖12所示，實驗結(jié)構(gòu)表明本文提出的可變輸入尺寸模型結(jié)構(gòu)比原始模型結(jié)構(gòu)有平均5%的準(zhǔn)確率提升。

1.2.1 垂直縫局部失效

高混凝土面板壩壓性垂直縫局部失效縫旁墊層區(qū)等勢線偏密，處于墊層迎水面時偏密，此后逐漸稀疏。到主堆石體的時候，已趨近于零［1］。滲流的影響范圍大致在部分失效縫旁的墊層區(qū)。高混凝土面板壩壓性垂直縫局部失效縫等勢線和浸潤線示意圖見圖1。

圖1 高混凝土面板壩壓性垂直縫局部失效縫等勢線和浸潤線示意圖

1.2.2 垂直縫通長失效

通長失效的縫面積大于局部失效面積的許多倍。此外，縫的各部分會持續(xù)的滲流。所以，就導(dǎo)致壩體內(nèi)部積水的情況。因此，壩體內(nèi)部顯示多條等勢線，而且它的浸潤線的位置比局部失效縫的浸潤線位置要高［2］。

高混凝土面板壩壓性垂直縫通長失效縫等勢線和浸潤線示意圖見圖2。

1.3 高混凝土面板壩壓性垂直縫失效對滲流的影響

失效垂直縫的發(fā)生位置、長度以及寬度對滲流具有不同方面的影響。

圖2 高混凝土面板壩壓性垂直縫通長失效縫等勢線和浸潤線示意圖

1.3.1 失效縫位置的影響

縫的位置越低，壓力水頭就越大，相應(yīng)地，會造成滲流的速度變快。所以，縫旁的墊層迎水面等勢線出現(xiàn)的更密。即迎水面水力的坡度更大，浸潤線會處于較高的水平。

1.3.2 失效縫寬度的影響

縫的寬度對等勢線以及浸潤線沒有太大的影響。同一位置失效縫附近墊層等勢線存在比較小的不同。此時，縫越寬，等勢線在墊層下游相同量值的區(qū)域就越大，從而使得計算的壩體滲流量也越大。

1.3.3 失效縫長度的影響

長縫附近的等勢線在墊層下側(cè)同一量值具有較大范圍，其浸潤線的位置也會較高，相應(yīng)地，其滲流量也會較大。

2 常用的高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計方法

根據(jù)以上對高混凝土面板壩壓性垂直縫失效情況及影響的分析可知，科學(xué)合理的高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計對面壩的安全及壽命具有重要的意義。

國內(nèi)相關(guān)的施工規(guī)范規(guī)定，垂直縫一般應(yīng)采用硬平縫結(jié)構(gòu)，底部應(yīng)設(shè)銅止水，縫面應(yīng)涂防黏劑。自塞沙納壩以后，國外的垂直縫設(shè)計也開始采用硬平縫設(shè)計方法［4］。

以下介紹國內(nèi)外已建的高混凝土面板壩有關(guān)垂直縫設(shè)計上較為成功的案例。

2.1 中國三板溪面板壩

對于三板溪面板壩的設(shè)計，是選擇在受壓區(qū)面板頂部厚度、面板壓性垂直縫設(shè)計、堆石壓實功能、堆石預(yù)沉降時間安排、堆石材料分區(qū)等方面進(jìn)行了一些改進(jìn)，主要采取了以下措施:

1)增加三期面板中央?yún)^(qū)厚度，改進(jìn)受壓區(qū)垂直縫結(jié)構(gòu);

2)堆石預(yù)沉降半年;

3)提高堆石壓縮模量、改進(jìn)分區(qū)。

三板溪面板根據(jù)公式0.3+0.0035 H來計算面板厚度，三期面板中央?yún)^(qū)厚度≤40 cm，壓性縫止水鼻子高度降至30 mm，垂直縫 V形槽高度設(shè)為30 mm，垂直縫處使用細(xì)抗擠壓鋼筋，壓性垂直縫采取硬平縫的構(gòu)造。

三板溪自建成以來運行正常，于2009年對壓性垂直縫采取了改造工作，主要是利用塑性填充料填充到接縫處，這樣能夠防止施工期面板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的現(xiàn)象。

2.2 冰島高地卡拉努卡面板壩

卡拉努卡面板壩的面板厚度根據(jù)公式0.3+0.002 H進(jìn)行設(shè)計，堆石料為玄武巖，在面板的中部使用了單層鋼筋，壓性垂直縫的設(shè)計采取此類方式:設(shè)置一塊約15 mm厚的瀝青纖維板在垂直縫內(nèi)，并且在中部面板內(nèi)設(shè)置0.65%的鋼筋。此外，為面板和擠壓邊墻間配設(shè)一道防黏層。

使用三維數(shù)值對卡拉努卡面板壩進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在運行期間，當(dāng)纖維板壓縮位移≤8 mm時，若壓性縫沒有設(shè)置15 mm的纖維板，其水平壓應(yīng)力最大將達(dá)31 MPa，這樣看來，卡拉努卡面板壩的面板肯定要受到破壞。

3 高混凝土面板壩垂直縫設(shè)計方法改進(jìn)

隨著壩越來越高，采用傳統(tǒng)的高混凝土面板壩垂直縫設(shè)計方法將會暴露出各種各樣的問題，國內(nèi)外有些壩已經(jīng)采用了相應(yīng)的改進(jìn)措施:

3.1 提高堆石體施工壓縮模量

過低的堆石體壓縮模量，將會直接導(dǎo)致高壩面板壓縮應(yīng)變較大，因此在高混凝土面板壩垂直縫設(shè)計中應(yīng)盡量增大堆石體壓縮模量，超高壩的堆石設(shè)計不應(yīng)該過于注重控制施工參數(shù)，而應(yīng)以所需的壓縮模量密度為準(zhǔn)［5］。

3.2 設(shè)計適當(dāng)?shù)慕涌p材料

目前，面板壩垂直縫設(shè)計都是使用硬平縫的方式。據(jù)分析，由于這種縫中無吸收變形材料。擠壓力會往壩中積聚，而且會從接縫中往表面擴(kuò)散積聚。伴隨著擠壓力到達(dá)相應(yīng)水平，接縫處的混凝土?xí)驍D壓而損壞。

依據(jù)相關(guān)的信息進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)混凝土的損壞是因為受到了不均勻的擠壓力。所以，可以通過在垂直縫設(shè)計時采取一些有效的接縫材料，去除應(yīng)力分布不均的情況。從而可以有效的防治接縫處混凝土因不均勻受力而遭到損壞。對于使用怎樣的接縫材料，相關(guān)人員應(yīng)該根據(jù)實際情況進(jìn)行分析，確定并使用合理有效的接縫材料。

3.3 加厚壓性垂直縫處面板

因為垂直縫處面板受到的平均壓應(yīng)力和其面板抗擠壓面積成反比。所以，設(shè)計的時候，能夠為壓性垂直縫處的面板進(jìn)行加厚處理。

操作如下:減小止水片鼻子高度或?qū)⒅顾亲影ㄔ谔畛湮锓秶鷥?nèi)、砂漿墊不侵入占面板斷面以及取消V形槽等。

3.4 使用墊層料護(hù)面

擠壓墻具有較高的強(qiáng)度和較大的斷面，會使其向下變形或谷向變形，將較大的壓應(yīng)力傳給面板。因此，超高壩應(yīng)采用破黏劑來減小墊層料與面板間的摩擦力。目前墊層料護(hù)面主要有以下3種形式:

1)瀝青護(hù)面;

2)涂碾壓砂漿;

3)涂瀝青擠壓墻。

4 結(jié)語

高混凝土面板壩適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。在實際設(shè)計過程中，面板壩壓性垂直縫設(shè)計的好壞直接影響到整個工程的質(zhì)量、安全及壽命，雖然已有不少成功的案例，但也存在許多已經(jīng)暴露的問題或潛在的問題亟待解決，研究高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計的改進(jìn)方法具有重要的意義。

［1］遲守旭，莊小軍.高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計［J］.山西建筑，2011，37(33):208-209.

［2］張曉強(qiáng)，盧廷浩，周愛兆.面板壩垂直縫失效滲流場有限元模擬［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12(12):101-102.

［3］郝巨濤.高混凝土面板堆石壩面板水平向擠壓破壞研究［J］.水力發(fā)電，2011(03):27-31.

［4］張文正，柏樹田.混凝土面板堆石壩的壩料特性和分析計算［J］.水利水電技術(shù)，1991(01):19-25.

［5］閆生存.混凝土面板堆石壩監(jiān)測技術(shù)及性態(tài)分析［J］.湖北水力發(fā)電，2001(01):46-48.

Brief Analysis on Pressure Vertical Joint Design of High Concrete Face Rockfill Dam

FENG Jun
(Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China)

High concrete face rockfill dam is widely used in dam construction，but the joints of the face rockfill dam often produce seepage，resulting in severe seepage and dam failure that influence the operation of the dam，in which the design of pressure vertical joints has great significance for reducing seepage and avoiding dam failure.The failure phenomena of pressure vertical joints are introduced and popular design methods are summarized through a number of real examples，some improved measures are analysed for the design.

concrete;face rackfill dam;pressure vertical joint;invalidation;vertical seepage;design improvement

TV641.43

B

1007-7596(2014)05-0038-03

2013-08-16

馮俊(1965-)，男，貴州貴陽人，高級工程師，從事水工建筑物設(shè)計工作。