董秀斌 水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院

混凝土面板堆石壩能夠有效的適應(yīng)地形與地質(zhì)條件，滿足當(dāng)?shù)氐牡匦问褂眯枰?，施工方便快捷、成本低、工期短、抗震性能也非常好，所以將其作為大壩的主要形式有著非常高的?yōu)勢，面板堆石壩也取得非常高的成就。水利工程建設(shè)完成后達(dá)到預(yù)期壽命，如果存在開裂、破壞等問題，主要是由于設(shè)計、質(zhì)量缺陷、監(jiān)測不到位等因素，所以應(yīng)該積極的開展大壩結(jié)果設(shè)計工作，并且做好隨時監(jiān)測與控制，以確保大壩可以安全、穩(wěn)定的運行，滿足水利工程的使用需要，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)高速發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

1.工程簡介

某水利樞紐工程項目處于江西省某干流上，壩址上的流域面積2970km2，多年平均年徑流量12.08億m3，總庫容為2.105億m3，電站裝機(jī)為60MW，工程等別為Ⅱ等。

該工程采取的是混凝土結(jié)構(gòu)形式，主要組成結(jié)構(gòu)就是堆石壩、泄洪洞、溢洪道等等，還有一些電站廠房等建筑結(jié)構(gòu)部分。大壩是混凝土堆石壩的結(jié)構(gòu)形式，壩頂長270m，壩頂高程547.40m，防浪墻頂高程548.40m，壩頂寬6m，最大壩高56.60m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5m，址板厚0.8m。

圖1 一種大壩的壩體結(jié)構(gòu)

經(jīng)過現(xiàn)場環(huán)境的綜合分析，該壩在運行中，單日環(huán)境中溫差比較差，孔隙內(nèi)水結(jié)冰比較充分，凍融循環(huán)的數(shù)量是比較多的，面板能夠保證較高的強(qiáng)度、防滲性與耐久性的要求，并且對于柔性與嵌縫材料、止水帶等結(jié)構(gòu)部分要求比較高，因此，面板、趾板等結(jié)構(gòu)部分的材料要求較高，且結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該達(dá)到規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而可以提升整體結(jié)構(gòu)形式。

2.壩體設(shè)計選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標(biāo)

因為面板混凝土的耐久性會直接影響面板使用壽命，在長期受到日曬雨淋、凍融、沖刷、疲勞以及各種腐蝕方面因素的影響，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞，但是也不會像其他的混凝土結(jié)構(gòu)似的能夠在短期內(nèi)反應(yīng)出來，一旦出現(xiàn)損壞就是比較嚴(yán)重的，因此，應(yīng)該選擇最佳的混凝土施工原材料，要確保其耐久性，延長使用壽命。

本次工程實踐中，所應(yīng)用的混凝土材料需要嚴(yán)格控制，在保證其強(qiáng)度達(dá)到要求的基礎(chǔ)條件之下，還能夠適當(dāng)?shù)倪x擇抗?jié)B抗凍標(biāo)號的水泥，確保含氣量合格，達(dá)到抗凍標(biāo)準(zhǔn)。

和同期工程對比分析，進(jìn)行了工程試驗，主要是結(jié)合實際需要來進(jìn)行混凝土強(qiáng)度、水灰比等參數(shù)進(jìn)行分析與調(diào)整。

經(jīng)過材料的使用量與指標(biāo)詳細(xì)分析，確保在施工中面板混凝土性能可以符合二級配R250S8D250的要求，就能夠達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 止水系統(tǒng)材料

面板接縫的形式是周邊縫、伸縮縫兩種，其中周邊縫主要就是趾板和面板位置上存在的，而伸縮縫則主要是在防浪墻、面板位置上設(shè)置的。從當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境因素展開分析，整個壩區(qū)所處的環(huán)境中，溫差變化是非常大的，所以在工程的實踐中應(yīng)該進(jìn)行柔性嵌縫材料、橡膠止水帶等嚴(yán)格控制，必須要確保柔性嵌縫材料在溫度達(dá)到60℃時也不會出現(xiàn)流淌的問題，低溫-45℃時不會發(fā)生脆裂的問題，變形率大于40%，滲透系數(shù)小于i×10-8cm/s等。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 壩體分區(qū)及壩料設(shè)計

按照本次工程中的筑壩材料性質(zhì)與面板壩的工作環(huán)境進(jìn)行分析，混凝土面板下部壩體主要的組成結(jié)構(gòu)部分就是墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)等，周邊縫下游位置上并未設(shè)置特殊墊層小區(qū)。

墊層區(qū)最為明顯的就是通過混凝土面板制作具備一定均勻性、穩(wěn)定性的壓縮性結(jié)構(gòu)，且能夠達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，可以使用到嚴(yán)寒地帶中的墊層透水方面，最大粒徑控制在8cm以下，小于0.5cm的含量為25%～40%，小于0.01cm的含量不大于5%，連續(xù)級配料，Cu>20，滲透系數(shù)K=i×10-3cm/s。施工環(huán)節(jié)中可以通過墊層材料與過渡材料鋪設(shè)完成進(jìn)行碾壓施工，兩個壩區(qū)中的材料應(yīng)該同時碾壓施工，能夠保證其達(dá)到均勻、穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，還能夠節(jié)約材料，降低成本。

主堆石區(qū)是整個壩區(qū)的主體結(jié)構(gòu)，石料質(zhì)量、目的、沉降量尺寸等都會給其安全性產(chǎn)生直接影響，所以在設(shè)計中應(yīng)該確定硬度較高、級配良好的材料，粒徑應(yīng)該控制在60cm以下，小于0.5cm的含量不超過20%，小于0.01cm的含量不大于5%，連續(xù)級配料，Cu>15，次堆石區(qū)的作用就是來進(jìn)行逐堆石區(qū)的保護(hù)，以確保其穩(wěn)定性合格。主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)如果有比較嚴(yán)重的不均勻變形問題，會導(dǎo)致給面板產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致面板裂縫的問題，所以本次工程中進(jìn)行主堆石與下游堆石區(qū)界限組合成為自壩。

本次工程主要采取的是堆石壩改善結(jié)構(gòu)形式，能夠保證上下游堆石體結(jié)構(gòu)部分模量降低，可以促進(jìn)壩體堆石碾壓順利進(jìn)行，可以促進(jìn)施工順利進(jìn)行，但是要防止在冬季施工。墊層區(qū)達(dá)到滲透穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)寒地帶需要應(yīng)用墊層透水層形式，切實提升壩體結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設(shè)計

從多數(shù)觀測材料分析發(fā)現(xiàn)，水荷載影響之下，面板直接處于受壓的條件下，只是在壩頂與近岸的位置上存在拉應(yīng)力的影響。面板應(yīng)變堆石體變形和特性存在直接的關(guān)系，而厚度并不是決定因素。本次工程中混凝土面板厚度通過應(yīng)用連續(xù)截面的形式，厚度處于0.3-0.5m之間。面板伸縮縫部分主要是設(shè)計為縱縫的形式，并未有永久水平縫部分，面板垂直面部設(shè)置有單層雙向鋼筋12m，兩岸垂直縫間距為6m，面板最大板塊斜長91.05m。面板中部位置上布置有單層雙向鋼筋，能夠適當(dāng)?shù)脑黾愉摻钆渲玫谋壤瑫r提升現(xiàn)澆質(zhì)量水平，防止出現(xiàn)早凍的情況。

趾板是通過灌漿帷幕為主體結(jié)構(gòu)部分的地下防滲部分和地上防滲部分連接起來，這是上下部分連接的防滲結(jié)構(gòu)形式。通過采取平趾板的結(jié)構(gòu)，厚度設(shè)定為0.8m。趾板線是通過地面和趾板下游面交線來進(jìn)行控制。該工程中，趾板寬度的設(shè)定應(yīng)該根據(jù)風(fēng)化、破碎等問題來合理的設(shè)定，保證滲透比和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分都能夠達(dá)到要求，趾板最大寬度6.0m，最小寬度4.0m，間隔12m要布置伸縮縫。為了能夠確保趾板和基巖連接的穩(wěn)定性合格，采取錨桿錨固方式，根據(jù)以往的成功經(jīng)驗分析，在趾板內(nèi)設(shè)置φ28錨筋，插入巖石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

周邊縫在工作中需要承載比較大的三向變位與水壓力，容易因為失水而出現(xiàn)滲漏的問題。堆石體沉降會造成面板出現(xiàn)變形的情況，面板與趾板會出現(xiàn)相對較大的位移，這是結(jié)構(gòu)性能最差的部分。周邊縫可以選擇柔性連接的方式，但是需要性能達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。接縫的位置上還需要布置有連接橡膠管的結(jié)構(gòu)，從而可以在接縫出現(xiàn)張開變形的條件下，橡膠管能夠直接壓入到接縫中，柔性材料也就能夠壓入進(jìn)去可以提升其密封性。

冰的擠壓和凍脹會給面板縫的止水與混凝土表面產(chǎn)生損壞的問題，如果大壩面板表面止水膨脹螺栓直接裸露在空氣中，經(jīng)過冬季環(huán)境的影響，螺栓就會直接拔起，導(dǎo)致止水結(jié)構(gòu)受到影響。因此，需要改進(jìn)表面止水與面板的連接方式，可以通過使用平滑的連接方式，以提升該結(jié)構(gòu)的綜合性能。

4.結(jié)語

經(jīng)過試驗與經(jīng)驗總結(jié)，本次混凝土面板堆石壩按照傳統(tǒng)理念設(shè)計，并且根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境等因素進(jìn)行了必要的改進(jìn)，以提升大壩的性能，能夠滿足極端天氣的使用要求。經(jīng)過長達(dá)多年的運行監(jiān)測，本次大壩經(jīng)歷了幾個嚴(yán)冬的考驗，無論是沉降、位移、滲流等多個因素分析，總體運行狀況較好。