土石壩與混凝土壩接頭型式與抗震措施

遲世春，賈宇峰，楊家衛(wèi)

（1.大連理工大學 建設工程學部水利工程學院，遼寧 大連 116024；2.中國水電顧問集團 昆明勘測設計研究院，昆明 650051）

0 引 言

混合壩是指中間溢流壩段采用混凝土壩，兩側擋水壩段為土石壩的混合壩型。這種壩型在中、低擋水高度的水利樞紐中較為常見。目前世界上最高的幾座混合壩有：連接段壩高（下同）125m的委內瑞拉Guri壩；95m高的巴西Itumbiara壩，82m高的美國Look Out Point壩；80m高的巴西Tucurui壩等等。我國的丹江口水庫混合壩連接段壩高71.6m，屬國內最高。相對于混凝土壩，土石壩由松散顆粒集合體構成，其剛度較小。剛度的差別將導致混凝土壩與土石壩的接合面處變形差別大和應力分布不均勻。特別是地震情況下，剛度的不同使各自壩段具有不同的振動特性，其對地震的響應也不相同。亦即，在地震過程中接頭部位的混凝土壩和土石壩具有不同的振動行為。因此，接頭部位容易出現相對沉降和張拉裂縫，是壩體結構的薄弱部位。接頭部位如果處理不當，往往會造成嚴重的質量事故，甚至危及大壩安全。因此，土石壩與混凝土壩等剛性建筑物之間的連接是當前水工結構工程領域的關鍵技術問題之一。

但接合面的應力與位移一般很難依靠理論計算模擬或模型試驗加以準確估計，因此設計中的關鍵問題只能在理論計算或模型試驗的基礎上，依靠經驗分析和判斷加以解決。故有必要總結國內外混凝土壩與土石壩接頭工程經驗，理清設計思路與關鍵要點，為工程設計與施工提供參考依據。

1 接頭型式與設計重點

土石壩與混凝土壩的接頭型式與壩高、地形、地質、建筑物布置、土石壩壩坡坡度等有關。一般接頭型式有兩種：①插入式接頭，即混凝土壩伸入土石壩一段長度，土石壩壩殼作成裹頭型式，包住混凝土壩；②側翼墻式接頭，側墻軸線基本垂直混凝土壩軸線，擋住土石壩壩坡。根據巴西經驗，一般壩高＜20m用側翼墻式接頭，壩高＞20m用插入式接頭。較高的混合壩接頭也有采用側墻式布置，如60m高的加拿大Mactaquac壩，56.7m高的美國Wanapum壩。

觀測研究表明：①一座高壩采用了混凝土插入心墻的連接方式，沿接觸面的滲透壓力觀測結果指出，在插入混凝土墻的上游與土的接觸面上，靜水壓力下降為零，在下游接觸面上靜水壓力下降也很少，幾乎全部靜水壓力的降落都發(fā)生在混凝土與心墻橫向接觸面上。這說明包裹混凝土的上、下游接觸面幾乎沒有防滲作用；②由于心墻的變形不僅發(fā)生在垂直方向的沉降，而且還有指向上、下游坡腳的變形分量。這一分量使深入心墻的混凝土刺墻沿上下游接觸面上的壓力有減小的趨勢，因而使插入式心墻不能取得有效的防滲效果，而且還可能降低抵抗管涌的能力；③混凝土壩與土石壩連接設計，在巴西不僅很多而且結構簡單，接觸面防滲部分的滲徑長度不做統(tǒng)一規(guī)定，有的設計公司取橫向接觸面滲徑為L＝e＋0.3 H（式中L為滲徑；e為防滲體頂部厚度；H為計算斷面水頭），主要依靠做好防滲體下游的反濾和排水措施來保證。

過去認為接合面最好作成不規(guī)則形狀，或增設刺墻，以加長滲徑，如大連碧流河水庫的曲線接頭等。近年的實踐懷疑這種作法的效果，由于接合面形狀復雜，增加了接頭段土石壩的壓實困難，并造成應力集中，近年已傾向于采用光面平接頭連接。由于接頭部位心墻包裹混凝土壩的上、下游界面降低水頭的作用有限，許多工程采用黏土心墻不再包裹混凝土壩，而是直接與混凝土壩平接的布置方案。

壩軸方向混凝土墻與土石壩心墻接合面的坡度可采用1∶0.1～1∶0.6。采用稍緩坡度有利于接頭的應力過渡，可一定程度地減小接頭壩體變形。但會增加混凝土方量，對地基的要求也較高。

有人認為，在混凝土接合面上涂瀝青效果較好，可以減小接合面的剪應力，防止土料起拱造成管涌。

沿接合面的滲漏是難免的：①要作好沿接合面的心墻填筑，措施是土料含水率略高于最優(yōu)含水率，或使接頭合龍段的填土適當拖遲，以防止土料沉陷后接合面造成集中滲漏的縫隙；②更重要的是作好反濾及排水，防止由于滲漏造成管涌。

接合面上的有效應力應大于孔隙水壓力，以防止產生水力開裂，可采用有限單元法計算，并埋設儀器觀測。

總之，現在土石壩與混凝土接頭的連接形式多采用光滑接觸面結合，與混凝土壩的接合坡度一般采用1∶0.1～1∶0.6。應在接頭連接面的滲流出口，設置可靠的、適當加厚的反濾層和過渡層，并與心墻反濾層連接為整體。連接段的壩殼采用強透水的堆石或具有良好排水性能的砂礫石料作為棱體。也有使心墻軸線方向以傾向下游的一定斜角與混凝土壩相連接，在水壓力與土壓力作用下，使心墻與混凝土接合面壓緊，防止接合面變形開裂和接合面脫開等。另外，心墻在與混凝土剛性建筑物的連接處，宜用塑性較大、含水率高于最優(yōu)含水率1%～3%的黏土填筑，有助于使連接面適應變形。還要采取具體的施工措施，確保連接段黏土心墻的壓實質量，使接合面具有一定的壓應力，保證心墻與混凝土壩的密實連接。

2 國內外典型工程的接頭簡介

美國1978年完成的美洲瀑布壩的改建工程（American Falls Replacement Dam）[1]，土 石 壩 與混凝土壩接頭高30.5m，接合面的典型平剖面見圖1。由于不透水料1是非塑性的砂及壤土，直接與混凝土接合不好，采用第二種不透水料塑性黏土1A，塑性指數37，填筑時含水率較最優(yōu)含水率高2%～3%，壓實干容重控制為最大干容重的95%。不透水料1A直接與混凝土壩全斷面相連，為避免90°角處的應力集中，不采用土料裹住混凝土的作法，而是簡單的平頭連接。任何經過接合面的滲漏都被下游緊接的二層反濾攔截并排走。

圖1 土石壩與混凝土重力壩標準接合面剖面（美洲瀑布壩改建）Fig.1 Standard section of the junction between earth dam and concrete gravity dam

摩洛哥優(yōu)賽?！け尽み_慶（Youssef Ben Tachine）土石壩[1]，最大壩高86m，與混凝土溢流壩成側翼墻式連接，連接段壩高約20m，在接合面處加大了心墻厚度。此外，沿接合面的上、下游專門增加了一道反濾層和排水層，以加強反濾排水作用，見圖2。

巴西1975年建成的薩西莫（Sao Simao）堆石壩[1]，最大壩高95m，與混凝土壩接頭處的壩高70m，位于新鮮玄武巖上，其接合型式見圖3、圖4。為縮短接頭段的長度，堆石裹頭應盡可能放陡坡度，可達0.5∶1。埋設儀器對接合面的位移與滲流進行觀測。

丹江口右岸土石壩左端與混凝土壩下游坡正交連接[2]，接頭的滲徑長度采用1.5倍水頭。按正常蓄水位170m，壩基最低建基面高程為117m，計算滲徑長為80m。為滿足滲徑長度要求，連接段土石壩的防滲體適當擴大斷面，防滲體由標準斷面頂部寬度3.0m，上下游坡度均為1∶0.2，經過110m長的漸變段，至混凝土壩面處漸變?yōu)轫攲?.0m，上游坡1∶0.4，下游坡1∶0.5的擴大斷面。防滲體擴大斷面與混凝土壩結合處，混凝土壩面坡度為1∶0.6，并在其接觸面設置了3道混凝土短齒墻，以加強防滲效果。連接段的防滲體選用塑性相對較高的黏土填筑并壓實。

萬安水利樞紐右岸土壩與船閘連接為插入式接頭[3]，即在閘室右側建混凝土刺墻，以加長接觸面滲徑。插入式墻比較過單刺墻與雙刺墻方案，認為兩道短刺墻方案施工難度小，工程量也不多，有利于抗震。刺墻為類似三角形塊體，與船閘閘室整體澆筑。靠上游的刺墻，墻頂高程101m，底長6.5m，頂長2.8m。下游刺墻墻頂高程93m，底長6.5m，頂長4.0m，刺墻的外邊寬均為1.0m，三面坡坡度為1∶0.2～1∶0.5。刺墻的長度是按滲徑≥1.5倍水頭確定。船閘連接段擴大心墻將兩道混凝刺墻包裹在內，心墻頂寬20.5m。上游坡為1∶0.25，下游坡為1∶0.63～1∶0.25，兩道刺墻間最小寬度（68.0m高程）為9.35m，可以用輕型機具壓實心墻土料。

心墻黏土與混凝土結合是否密實也是一個重要課題，從丹江口左聯段以蒙脫石為主的心墻黏土與混凝土面結合較密實，提出了萬安地區(qū)以伊利石為主的黏土與混凝土面結合是否密實的問題，進行了不同性質黏土與混凝土面的結合力試驗。試驗表明礦物組成以伊利石為主的心墻黏土在混凝土接觸面涂刷一層蒙脫土為主的黏土漿，能有效地提高黏土與混凝土面的結合力。

3 土石壩與混凝土壩接頭抗震研究

過去幾十年，土石壩抗震設計強調的是震陷導致超高喪失引起的洪水漫頂和壩基與壩體液化問題。在強震作用下，土石壩與混凝土壩接頭的接合面會發(fā)生瞬時分離與閉合，分離時若有水灌入，閉合時還會發(fā)生縫隙水擠出及孔壓升高問題。由于土石壩料有較強的塑性，在分離與閉合的過程中，會產生地震永久變形，再加上閉合過程中縫隙水作用，地震后一般在土石壩和混凝土壩的接合面會產生裂縫。

我國三道嶺混合壩[5]，壩高24m，位于3～9 m的砂礫石覆蓋層上，混凝土壩與土壩截水墻都坐落在弱風化巖上。右壩頭為混凝土溢流壩，以混凝土壩插入土壩心墻相連接，接頭處壩高17m。土壩與混凝土壩接頭經歷了海城地震的考驗，發(fā)現混凝土壩與土壩相接的插入墻兩側的黏土心墻下沉8cm，上下游壩肩分別下沉20、22cm。在接觸面上形成肉眼可見的裂縫，縫的深度＞1m，運用中未發(fā)現漏水異常。

碧口黏土心墻堆石壩與右岸溢洪道為側翼墻式連接，接頭處壩高27m。該接頭遭遇過1976年松潘7.2級地震和2008年汶川地震。松潘地震后，接頭無嚴重裂縫及滲漏。汶川地震在土壩與溢洪道的接觸部位出現貫穿性張開裂縫，裂縫沿大壩與溢洪道側墻接觸處向上、下游延伸，寬度5～9cm。

Nien－Yin Chang（1992）曾經對一57.9m高的土石壩和混凝土壩接頭進行了地震反應分析，后又對一30.84m的土石壩和混凝土壩接頭進行了地震作用下的參數敏感性分析。采用的地震波為1967年Koyna地震加速度實測波，峰值加速度取0.87g，地震持時12s。計算結果顯示，接頭的上游面土與混凝土發(fā)生分離的深度在16.76～19.81 m，最大縫寬發(fā)生在壩頂為0.082m。

國內進行土石壩與混凝土壩接頭有限元計算的文獻亦有不少[6－8]。常曉林等人[6]采用有限元方法，利用鄧肯E－B模型及接觸面模型，模擬堆石壩的實際填筑和蓄水過程，對觀音巖水電站混合壩方案插入式接頭結構型式進行三維非線性分析。計算結果表明，在蓄水前后，接頭處各接觸面上下游堆石部分都有脫開現象，心墻與混凝土在頂部有小范圍脫開現象；彭云楓等人[7]分析了混合壩的地震反應，認為土壩與混凝土壩的接頭是兩種剛度懸殊材料的交接面，在加速度峰值為0.229g的地震波作用下，接頭會產生一定的局部破壞，如接頭部分受拉區(qū)脫開，壩頂附近堆石松動、滑落或混凝土壩出現裂縫。建議在這些部位應采取適當的抗震加固措施，可在受拉區(qū)域有針對性地采用錨筋或鋼筋混凝土梁進行加固或設置抗震土工格柵，并在接頭處適當增加心墻厚度和刺墻長度，提高抗剪和適應變形能力，并增加滲徑，盡量避免震后由于裂縫而產生滲漏。他們的分析認為，地震動力作用以后，黏土心墻接觸區(qū)域有一定的剪切破壞，主要分布在靠近壩基和上游的區(qū)域。為減小接頭觸面上的相對位移，防止產生較大滑移裂縫，在工程實踐中，應盡量強化施工質量，提高接頭部位碾壓標準。

熊堃等人[8]進行了觀音巖水電站混合壩插入式接頭的抗震性能研究，得到的結論主要有，在設防烈度地震作用下，土質防滲體與混凝土壩接觸面僅在靠近頂部和兩側部位發(fā)生一定程度的張開，張開開度較小，張開持續(xù)時間短，張開度＞0.5mm的區(qū)域局限在接觸面兩側較小范圍內。兩個接觸面也出現了較小范圍的剪切破壞。地震以后接頭部位兩個接觸面的頂部有較明顯的永久變形，變形的趨勢主要是水平沿接觸面向兩側、順坡向朝下以及法向張拉變形。

大連理工大學結合觀音巖混凝土壩與土石壩接頭抗震問題進行了系列科研工作。觀音巖混凝土壩與土石壩接頭高度71m，采用2m厚的接觸性黏土包裹混凝土壩，心墻土料包裹接觸性黏土，心墻土料在上下游面的厚度4m，心墻外上游采用各3 m的2層反濾，下游各5m的2層反濾。將包含接頭混凝土壩段及土石壩剖分成有限元計算網格，在混凝土與土石料連接部位設置了接觸摩擦單元，計算網格總規(guī)模20000個單元。計算方案包括3個：即接合面與壩軸線垂直的平交方案、接合面下游向右岸轉角5°方案以及接合面平交的棱角修圓方案。地震輸入采用100a超越概率2%的峰值加速度為0.229g。輸入地震波分為場地譜人工波、規(guī)范譜人工波和實測地震波3種。對震后接合面附近的接觸性黏土的應力進行了分析，發(fā)現震后接觸性黏土法向應力各方案差別不大，拉應力區(qū)位于壩頂以下3～5m。下游轉角區(qū)域的拉應力區(qū)一般位于浸潤線以上，對防滲體影響較小。各計算方案的地震永久變形情況如下：接頭上游接觸面各方案震后張開區(qū)位于壩頂，張開區(qū)深度為13～17m，永久變形最大值為3.12cm，距壩頂6～9m。在垂直壩軸線的接合面上，平接方案的張開區(qū)深度為5～10m，最大值1.42cm，位于壩頂。轉角5°方案張開區(qū)深度7～10m，張拉位移最大值1.28cm，位于下游側轉角棱線處。平接棱邊修圓方案張開區(qū)深度在8～12m，最大值0.95cm，位于上、下游兩側。在上游轉角區(qū)域的法向位移張開區(qū)域分布在壩頂以下深12～14m，最大值位于壩頂轉角的中心區(qū)域，最大值為3.59cm。

各方案上游側接觸面的法向張開區(qū)大小基本相同，平接方案張拉位移最小、轉角方案次之，修圓方案最大。轉角方案順河向接合面的張開區(qū)最小，平接方案的張開區(qū)大于轉角方案，修圓方案張開區(qū)最大。

因此，無論從震害實例還是有限元計算分析可以看出，混凝土壩與土石壩接頭的地震開裂是難以避免的，需要采取一定的工程措施以防止接頭開裂引起滲流的集中沖刷破壞。最有效的方法是加強接頭的下游反濾，并與心墻反濾層連接為整體且做好排水，防止發(fā)生滲透變形。上游可采取一定的截滲措施，如在包裹心墻與反濾之間鋪設土工膜，并與混凝土壩相連接，土工膜須留有一定的伸長裕度，以適應接頭變形。由于土工膜為臨時截滲，其鋪設高度可不作至壩底，只要保證震后接頭裂縫修復期間不發(fā)生繞土工膜的集中滲漏即可。

4 結 論

地震作用下土石壩與混凝土壩接頭部位產生裂縫是較難避免的?？梢圆捎靡韵鹿こ檀胧岣呓宇^部位的抗震能力。

1）接頭部位宜用塑性較大、含水率高于最優(yōu)含水率1%～3%的黏土填筑，有助于使連接面適應變形。

2）采用平接頭連接形式，并提高接頭部位心墻土料的碾壓質量，確保接頭部位在靜力條件下有一定的土壓力作用，這樣即使地震拉開接頭，也可以減少拉開裂縫深度和寬度。

3）在接頭部位的滲流出口，設置可靠的、適當加厚的反濾層和過渡層，并與心墻反濾層連接為整體，并做好排水，防止發(fā)生滲透變形。

4）也可在接頭上游面的連接部位的上部，設置局部土工膜防滲，但需注意上游壩坡的穩(wěn)定性。

5）加強土石壩與混凝土接頭部位的滲流與變形監(jiān)測，發(fā)現異常，及時采取補救措施。

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[6]常曉林，冉紅玉，周 偉.觀音巖混合壩插入式接頭應力變形分析 [J].水利水電技術，2006，37（1）：69-72.

[7]彭云楓，何蘊龍，李建成.混合壩接頭型式與抗震安全性分析 [J].武漢大學學報：工學版，2008，41（3）：60-63.

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