高混凝土面板壩壓性垂直縫設(shè)計(jì)

遲守旭 莊小軍

隨著壩工工程的不斷發(fā)展，面板壩作為一種適應(yīng)性強(qiáng)的壩型，成為近年來(lái)發(fā)展最快、建成最多的主導(dǎo)壩型。隨著面板壩技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)已基本具備建設(shè)300 m級(jí)超高壩的條件。同時(shí)，隨著一大批面板壩的建成投入使用，一些問(wèn)題也開(kāi)始不斷暴露出來(lái)，本文就面板沿垂直縫擠壓破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的一般方法供參考。

1 國(guó)內(nèi)外做法及采取的措施

國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定，垂直縫一般應(yīng)采用硬平縫結(jié)構(gòu)，縫面涂刷防粘劑，底部設(shè)一道銅止水。國(guó)外垂直縫設(shè)計(jì)自塞沙納壩以后，也都采用硬平縫設(shè)計(jì)。但隨著壩高的增加，一些問(wèn)題暴露出來(lái)，國(guó)內(nèi)外有些壩采用了相應(yīng)的改進(jìn)措施:如砂漿條不侵占面板斷面;銅止水鼻子高度降低;中央面板考慮采用可壓縮性垂直縫，以均化接觸應(yīng)力;頂部V形槽深度減小或取消;壓性垂直縫處考慮采用雙層鋼筋，并設(shè)置擠壓鋼筋;面板與擠壓墻間設(shè)破粘劑等［1-3］。

2 國(guó)內(nèi)外面板壩沿垂直縫擠壓破壞實(shí)例

2.1 天生橋一級(jí)面板壩［7］

天生橋一級(jí)面板壩壩址處為寬闊河谷，河谷系數(shù)(A/H2)為5.46。堆石材料為石灰?guī)r、砂巖等，施工期上游堆石體壓縮模量45 MPa，下游堆石體壓縮模量為22 MPa。天生橋一級(jí)面板壩上游坡比1∶1.4，采用傳統(tǒng)的瀝青護(hù)面。面板頂部厚度30 cm，底部最大厚度90 cm。垂直縫為硬平縫結(jié)構(gòu)，且布置了擠壓鋼筋。天生橋一級(jí)混凝土面板壩是第一座發(fā)生面板擠壓破壞的超高壩，運(yùn)行期面板沿一條最長(zhǎng)的垂直縫壓碎(2003年)，破壞方式為自壩頂向下發(fā)展，破壞范圍限于面板受壓縫上部。原因:堆石壓縮模量低;壓應(yīng)變過(guò)高，垂直縫處應(yīng)變集中。垂直縫改造:將壓性垂直縫接縫中插入2 cm厚的橡膠板，使之成為間隙接縫。經(jīng)處理后，天生橋一級(jí)面板壩運(yùn)行正常。

2.2 巴西巴拉格蘭德面板壩［2］

巴拉格蘭德面板壩河谷系數(shù)3.15。壩體材料為玄武巖石料。主堆石施工期壓縮模量為60 MPa。上游坡比1∶1.3。面板厚度采用公式:H ＜100 m 時(shí)，t=0.3+0.002H;H ＞100 m 時(shí)，t=0.005H。垂直縫為硬平縫，縫面刷瀝青漆。面板垂直縫處未設(shè)置擠壓鋼筋。墊層料護(hù)坡采用擠壓墻，但未涂瀝青破粘劑。巴拉格蘭德面板壩是第二座發(fā)生面板擠壓破壞的超高壩，發(fā)生在2005年9月。檢查發(fā)現(xiàn)面板沿L19/L20垂直縫擠壓破壞。垂直縫改造:破壞垂直縫處面板混凝土加厚300 mm，硬平縫改建成可壓縮縫。經(jīng)改造后，壩滲漏量依然偏大，運(yùn)行情況尚屬正常。

2.3 巴西肯柏諾沃面板壩［2］

肯柏諾沃面板壩壩址處為V形河谷，河谷系數(shù)2.59。堆石材料為玄武巖。壩體填筑完成后，上游區(qū)堆石體的變形模量為60 MPa，中部堆石體的變形模量為50 MPa，下游區(qū)堆石體的變形模量為 30 MPa。上游坡比 1∶1.3。面板厚度按 0.3+0.002 5H 設(shè)計(jì)。垂直縫為硬平縫。面板垂直縫未設(shè)置擠壓鋼筋。墊層料護(hù)坡采用擠壓墻，但未涂瀝青破粘劑。肯柏諾沃混凝土面板堆石壩是第三座發(fā)生面板沿垂直縫擠壓破壞的超高壩，發(fā)生在2005年10月。面板出現(xiàn)了嚴(yán)重的擠壓破壞，破壞范圍上自660 m高程的防浪墻底部，下至水下535 m高程。擠壓深度發(fā)展到面板底部，并出現(xiàn)橫向裂縫。原因:堆石壓縮模量低;河谷較窄;垂直縫為硬平縫;擠壓墻未涂破粘劑。垂直縫改造:第一次修補(bǔ)沿面板間垂直縫設(shè)置5 cm厚聚苯乙烯泡沫板(styrofoam)，頂部設(shè)置瑪脂接縫密封材料，并用瀝青卷材覆蓋。第二次修補(bǔ)，將垂直縫間接縫切開(kāi)寬5 cm，回填瑪脂，并用EPDM板覆蓋;加設(shè)擠壓鋼筋等。經(jīng)改造后，壩滲漏量仍然偏大，運(yùn)行情況尚屬正常。

2.4 萊索托默霍爾面板壩［3，4］

默霍爾面板壩河谷系數(shù)3.85。壩料為玄武巖，主堆石壓縮模量 40 MPa。上游壩坡1∶1.4。面板厚度按0.3+0.003H 設(shè)計(jì)。垂直縫為硬平縫。面板垂直縫未設(shè)置擠壓鋼筋，受壓區(qū)鋼筋穿過(guò)垂直縫。墊層料護(hù)坡采用擠壓墻，但未涂瀝青破粘劑。默霍爾混凝土面板堆石壩是第四座發(fā)生面板沿垂直縫擠壓破壞的超高壩，發(fā)生在2006年2月。面板沿垂直縫的擠壓破壞從壩頂發(fā)展到壩底，面板破碎深度為8 cm～10 cm，水平重疊達(dá)78 mm，相鄰面板上臺(tái)高出75 mm。擠壓裂縫長(zhǎng)度約為280 m。原因:堆石料為玄武巖，初壓后會(huì)發(fā)生自鎖，后上覆荷載增加，壩體位移發(fā)生突變;垂直縫為硬平縫;擠壓墻未涂破粘劑。經(jīng)改造后，壩體運(yùn)行情況尚屬正常。

3 壓性垂直縫擠壓破壞影響因素及改進(jìn)建議

3.1 壓性垂直縫擠壓破壞影響因素

面板壩垂直縫擠壓破壞的原因破壞類(lèi)型分析比較復(fù)雜，涉及破壞成因和工程措施研究，目前仍沒(méi)有一致意見(jiàn)，但綜合分析以上工程實(shí)例，可能與以下因素有關(guān):

1)堆石體壓縮模量低;2)垂直縫為硬平縫，無(wú)填充;3)垂直縫處面板抗擠壓斷面不夠，或砂漿墊、V形槽、銅止水鼻子占用面板抗擠壓斷面，造成應(yīng)變集中;4)墊層料與面板混間摩擦力過(guò)大;5)窄河谷地形會(huì)產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力;6)擠壓鋼筋配置不足。

3.2 壓性垂直縫設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

針對(duì)以上因素，在高混凝土面板壩垂直縫的設(shè)計(jì)中，可考慮采用以下措施，改進(jìn)設(shè)計(jì)，以保證面板堆石壩的正常運(yùn)行。

1)堆石體壓縮模量低，會(huì)直接造成高壩面板壓縮應(yīng)變較大，因此，提高堆石體施工壓縮模量，對(duì)減小混凝土面板中的壓縮應(yīng)變是最有效的。超高壩的堆石設(shè)計(jì)不應(yīng)該以控制施工參數(shù)為主，而應(yīng)該以達(dá)到所需要的壓縮模量的密度(堆石的孔隙率)為準(zhǔn)。2)自塞沙納壩以后，面板壩垂直縫設(shè)計(jì)以采用硬平縫為原則，以減小周邊縫及其臨近接縫的開(kāi)度。上述出現(xiàn)壓性垂直縫擠壓破壞的四座面板壩垂直縫均采用硬平縫結(jié)構(gòu)。據(jù)分析，當(dāng)垂直縫為硬平縫時(shí)，縫中沒(méi)有吸收變形的材料，擠壓力將向壩中累積，且在接縫中向表面集中。擠壓力越大，接縫混凝土發(fā)生擠壓破壞的可能性越大。根據(jù)默霍爾壩實(shí)測(cè)資料分析，最大斷面平均擠壓應(yīng)力約為2.93 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此，接縫混凝土的擠壓破壞是由不均勻受力引起的，平均擠壓應(yīng)力不足以造成混凝土的破壞。如果通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌p材料設(shè)計(jì)，可以消除接縫內(nèi)應(yīng)力不均勻分布，就可以避免接縫混凝土的擠壓破壞?？蓧嚎s性縫的設(shè)計(jì)寬度應(yīng)由減小壓應(yīng)變數(shù)量要求決定，寬度太小，達(dá)不到保護(hù)垂直縫處面板混凝土的目的，寬度太大，又會(huì)導(dǎo)致周邊縫及其鄰近接縫的開(kāi)度加大，并且有可能導(dǎo)致面板產(chǎn)生側(cè)向彎曲破壞。因此，壓縮性縫的設(shè)計(jì)應(yīng)深入研究，綜合考慮。3)垂直縫處面板抗擠壓面積與面板所受平均壓應(yīng)力成反比，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮將壓性垂直縫處面板適當(dāng)加厚。另外，在面板厚度一定的情況下，可采取措施，盡量少占或不占面板抗擠壓斷面。可采取的措施包括:砂漿墊不侵入占面板斷面，取消V形槽，減小止水片鼻子高度(甚至可考慮采用反鼻子設(shè)計(jì))或?qū)⒅顾亲影ㄔ谔畛湮锓秶鷥?nèi)等。4)墊層料護(hù)面形式現(xiàn)在主要有瀝青、碾壓砂漿、擠壓墻、涂瀝青擠壓墻四種形式。上述四座壩除天生橋一級(jí)面板壩外，均采用擠壓墻形式，且擠壓墻與面板間均未涂瀝青等破粘劑，面板與擠壓墻間存在高粘結(jié)力。擠壓墻較大的斷面與較高的強(qiáng)度，使其谷向變形及向下變形傳給面板較大的壓應(yīng)力，因此，超高壩應(yīng)采用瀝青護(hù)面、涂瀝青碾壓砂漿、涂瀝青擠壓墻等措施，以利于減小面板與墊層料間的摩擦力。5)巴西專(zhuān)家分析肯柏諾沃面板壩沿垂直縫擠壓破壞時(shí)，認(rèn)為河谷系數(shù)小于4時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力。6)現(xiàn)代堆石的填筑技術(shù)已經(jīng)可以保證墊層料對(duì)面板的均勻支持，不需要由鋼筋承受局部彎曲應(yīng)力，面板存在的主要是軸向應(yīng)變，而不是彎曲應(yīng)變，因此鋼筋通常布置在面板的中心。默霍爾面板壩在水庫(kù)首次蓄滿(mǎn)時(shí)發(fā)生頂部面板沿垂直縫的擠壓破壞，產(chǎn)生的水平應(yīng)變590×10－6、鋼筋屈曲，其性質(zhì)屬于鋼筋彎凸問(wèn)題，由于垂直縫處未設(shè)置擠壓鋼筋引起。因此建議，在超高壩面板壓性垂直縫處設(shè)置擠壓鋼筋，且其寬度建議大于2倍面板厚度。

4 國(guó)內(nèi)外已建面板壩垂直縫設(shè)計(jì)成功實(shí)例

4.1 中國(guó)三板溪面板壩［5］

三板溪面板壩最大壩高185.50 m，上游壩坡1∶1.4。三板溪的設(shè)計(jì)在堆石壓實(shí)功能、堆石材料分區(qū)、堆石預(yù)沉降時(shí)間安排、面板壓性垂直縫設(shè)計(jì)、受壓區(qū)面板頂部厚度等方面進(jìn)行了重要改進(jìn)，采取了以下主要措施:1)改進(jìn)分區(qū)、提高堆石壓縮模量;2)堆石預(yù)沉降半年;3)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)。三板溪面板厚度按公式0.3+0.003 5H確定，但三期面板中央?yún)^(qū)最小厚度為40 cm。垂直縫砂漿條不侵占面板厚度，垂直縫V形槽高度降為30 mm，壓性縫止水鼻子高度降為30 mm。垂直縫處面板設(shè)置細(xì)抗擠壓鋼筋。壓性垂直縫采用硬平縫結(jié)構(gòu)，縫面涂刷瀝青乳劑。2009年對(duì)壓性垂直縫進(jìn)行了改造，接縫處采用塑性填充料填充。三板溪有效避免了施工期面板結(jié)構(gòu)性裂縫，現(xiàn)狀運(yùn)行良好。

4.2 冰島高地卡拉努卡(Karahnjukar)面板壩［6］

卡拉努卡面板壩壩高198 m，上游壩坡1∶1.3。面板厚度按照0.3+0.002H設(shè)計(jì)，單層鋼筋布置于面板中部。堆石料為玄武巖?？ɡ姘鍓螌?duì)壓性垂直縫設(shè)計(jì)采用以下措施:1)垂直縫中設(shè)置15 mm厚瀝青纖維板;2)鋼筋不穿透垂直縫，而是回彎12 cm;3)中部面板附加0.65%的鋼筋;4)在擠壓邊墻和面板之間設(shè)防粘層;5)中央部位面板加厚10 cm;6)減小砂漿墊侵入面板部分，消除接縫部位的V形縫口。運(yùn)行期，壓性縫15 mm厚纖維板最大壓縮位移8 mm，經(jīng)三維數(shù)值分析(未考慮壩體蠕變)，若壓性縫沒(méi)有設(shè)置15 mm纖維板，最大水平壓應(yīng)力將達(dá)到31 MPa，那么，卡拉努卡面板壩面板幾乎可以肯定要出現(xiàn)破壞。

4.3 墨西哥艾卡作恩面板壩［7］

艾卡作恩壩壩高189 m，河谷系數(shù)3.08。主堆石施工期最大壓縮模量140 MPa，最小80 MPa，平均105 MPa。

首次蓄水后面板未發(fā)現(xiàn)任何裂縫。

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外四座面板壩沿垂直縫擠壓破壞的工

程實(shí)例，據(jù)此提出了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，同時(shí)以國(guó)內(nèi)外三座面

板壩的成功經(jīng)驗(yàn)為例，可得到以下初步結(jié)論:1)提高堆石體壓縮模量，設(shè)置堆石預(yù)沉降期，是超高面板堆

石壩設(shè)計(jì)中避免垂直縫擠壓破壞的最直接、有效的方法;2)面板

壓性垂直縫處可根據(jù)工程實(shí)際情況采用可壓縮性縫、加厚面板、

設(shè)置抗擠壓鋼筋以及其他減小占用面板抗擠壓面積的工程措施

等來(lái)提高縫面處面板抗擠壓能力;3)采取合適的墊層保護(hù)形式，

減小墊層與面板間的摩擦系數(shù)，對(duì)面板壓性垂直縫是有利的。

［1］ Materon，B..碾壓式面板堆石壩最新發(fā)展［J］.超高面板壩關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)輯，2007(sup):20-30.

［2］ Freitas，M.S.Jr.，Cruz，P.T..面板壩面板不可預(yù)測(cè)的裂縫與破壞［J］.超高面板壩關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)輯，2007(sup):50-52.

［3］ Johannesson，P..對(duì)面板壩設(shè)計(jì)改進(jìn)的建議［J］.超高面板壩關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)輯，2007(sup):58-59.

［4］ Johannesson，P.，Tohlang，S.L..萊索托默霍爾面板壩裂縫的啟示［J］.超高面板壩關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)輯，2007(sup):80-86.

［5］ 曹克明，鐘 平，蔡昌光.超高面板壩設(shè)計(jì)探討［J］.超高面板壩關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)輯，2007(sup):38-50.

［6］ H.Perez，P.Johannesson，B.Stefansson.The Karahnjukar CFRD in Iceland-Instrumentation and first impoundment dam behavior，T03-09，3rd Symposium on CFRD Dams Honoring J.Barry Cooke，2007:25-27.

［7］ 曹克明，汪易森，徐建軍，等.混凝土面板堆石壩［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.