混凝土面板壩趾板建在深厚覆蓋層上的技術研究

鄭奕芳，金 偉

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072）

1 概述

鋼筋混凝土面板堆石壩作為一種新興的土石壩壩型，可以減小壩體斷面，節(jié)省工程投資，縮短工期，簡化施工導流，近年來在我國得到廣泛運用。目前，已建和在建的面板壩數(shù)量超過100座，最大壩高已達233 m。但是國內外絕大多數(shù)面板壩的趾板建在基巖上，國內直接將趾板建在覆蓋層上的面板壩只有11座，都是一些中低壩。表1為目前國內外一些己、在建的趾板建造在深厚覆蓋層上面板堆石壩介紹。

隨著水電建設的快速發(fā)展，新型大功率碾壓設備的采用和基礎處理技術的進步，對深厚覆蓋層不需開挖至基巖面，而直接將趾板建在覆蓋層上的高面板壩方案逐漸成為具有優(yōu)勢的壩型比較方案。

建造在深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩，由于覆蓋層會產生較大的沉降值和不均勻沉降差，所以存在防滲結構復雜、防滲可靠性差、基礎防滲墻與趾板（趾墻）連接處易破壞等問題，面板也會因變形過大產生拉裂縫。因此，最關鍵技術是確保大壩防滲體系在變形與強度方面控制在設計容許范圍內。

國內在銅街子和橫山面板堆石壩工程中開始研究覆蓋層面板壩，并采用了一些行之有效的措施。銅街子副壩采用高齒墻下承重混凝土防滲墻和振沖加固的措施，減小左岸深槽細砂層造成的不均勻沉降，在周邊縫設有土工織物、止水銅片、PVC蓋板、塑性填料等止水設施；還有的面板壩設計時采用塑性墻減小基礎覆蓋層變形的影響，并在周邊縫設有柔性止水材料和粘土鋪蓋等止水設施。

表1 趾板建造在深厚覆蓋層上的面板堆石壩

近幾年，隨著在深厚覆蓋層上修建混凝土面板壩的不斷出現(xiàn)，像梅溪面板壩、那蘭面板壩、察汗烏蘇面板壩工程都進行了一些有限元計算分析和試驗，總結了在深覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩的筑壩技術，并應用于工程實踐中。

趾板建在覆蓋層上的面板壩需要解決的主要技術問題分為以下幾個方面：覆蓋層地基處理、混凝土防滲墻與趾板連接、面板壩接縫止水以及施工程序等。

2 覆蓋層地基處理研究

覆蓋層特性對壩體和防滲墻應力變形性狀的影響較大。覆蓋層的剛度與防滲墻混凝土的剛度越接近，其變形協(xié)調性越好，防滲墻的應力狀態(tài)越好。

設計時首先應通過勘探和室內外試驗，查明大壩基礎覆蓋層分布情況、物理力學性質，分析承載力和變形特性、滲透穩(wěn)定性，提供有限元計算參數(shù)，為基礎處理設計提供可靠的依據(jù)。

與覆蓋層帷幕灌漿、高壓旋噴等基礎處理措施相比，混凝土防滲墻能夠適應各種地層的變形能力，滲透穩(wěn)定性好，滲流量少。從施工技術上講，有相對成熟的施工經驗和施工方法，目前國內混凝土防滲墻已經向90～110 m深邁進，施工質量有足夠的保證，混凝土防滲墻已經成為該壩型基礎處理方案的重要手段。由于改善應力狀態(tài)的需要，在耐久性有保證前提下，防滲墻墻體材料可采用低彈性模量的塑性混凝土。

3 混凝土防滲墻與趾板連接結構研究

防滲墻、趾板與壩體在自重和水壓力等荷載作用下，它們的變形和應力有相當大的差別。目前工程中多采取分段趾板，即設置連接板連接防滲墻頂部和趾板，達到用縫來吸收防滲墻和趾板間的沉降差，協(xié)調兩類結構物的變形，改善防滲體系的應力變形性狀的效果。

近幾年設計的趾板建在覆蓋層上的面板壩，都通過大量的平面和三維有限元分析計算研究該壩型應力變形特征，分析防滲結構的薄弱點，并通過計算比較不同趾板長度、不同趾板和防滲墻連接方式對防滲墻、趾板的應力及縫位移影響，從而優(yōu)選趾板長度和連接方式，為防滲墻、趾板、面板連接部位的細部設計提供依據(jù)。

計算表明，面板壩壩體及壩基應力、位移符合面板壩一般規(guī)律，采用沒有連接板的剛性連接方案與柔性連接（連接板連接）相比，面板應力變形略有差別，剛性方案面板周邊縫位移遠大于柔性方案，超過止水承受變形能力，且防滲墻變形較大。從防滲墻的變形和應力狀態(tài)考慮，應增加連接板的長度，減少壩體對防滲墻的影響。防滲墻設置在連接板上游側比設置在連接板底部更佳，采用連接板底部連接方式，防滲墻在蓄水期變形較大，與連接板之間的相對錯動明顯增加，連接板的應力狀態(tài)差，故一般采用側接方式。

目前已經修建的趾板建在覆蓋層上面板壩，如梅溪、梁輝壩，趾板分別直接與防滲墻、面板連接，趾板與面板連接方式同普通面板壩，趾板與防滲墻連接方式為側接，在該部位設置頂部柔性止水和中部銅止水。圣塔約那壩趾板分為兩段；帕克拉羅壩的覆蓋層較深，趾板分為三段；那蘭面板壩采用8 m長趾板，3 m長連接板與防滲墻連接；察汗烏蘇混凝土面板砂礫石壩采用4 m長趾板，2段3 m長連接板與防滲墻連接。

4 面板壩接縫止水研究

國內梅溪、梁輝工程面板壩具有較為完善的觀測設施，其壩高分別為 40，38 m，覆蓋層厚 30，25.5 m，壩體實測最大沉降值為22.2，28.0 cm，周邊縫三向位移最大值張開 3.3，5.6 cm，沉陷 8.1，7.6 cm，錯動 5.4，2.2 cm；圣塔約那壩實際觀測周邊縫位移最大張開值2 mm。

那蘭、察汗烏蘇面板壩的有限元計算結果，其壩體最大沉降值分別為42.8，90.8 cm，采用柔性趾板方案周邊縫三向位移最大值張開2.1，2.23 cm，沉陷1.28，1.54 cm，錯動6.2，2.43 cm；趾板與連接板、防滲墻最大變形值張開0.17 cm，沉陷5.95 cm，錯動1.08 cm。擬建的多諾面板壩計算結果中，趾板與面板的相對張裂與相對錯動均很小，防滲墻與連接板的的相對錯動達3.46 cm，趾板與連接板的相對錯動為0.22 cm。

國外已建工程周邊縫最大值為張開10.6 cm、沉陷12.5 cm、錯動4.5 cm，國內面板壩止水結構也完全可以滿足張開5 cm、沉陷10 cm、錯動5 cm接縫變形量。以上所述工程的計算、觀測結果均小于國內外的大值，完全可以滿足要求。

河床內的各種接縫應采用柔性縫，縫頂嵌縫材料可設兩道能自愈的接縫，即靠無粘性材料淤積漏水通道，減少可能出現(xiàn)的滲漏通道。

5 施工程序研究

壩體填筑、趾板、防滲墻的施工，對壩體、壩基及防滲墻變形應力影響不大，面板壩蓄水過程對防滲墻變形和應力的影響也不大。先填筑部分壩體再建造防滲墻，會改善防滲墻的應力變形性狀。施工時應先施工趾板，待壩體填筑到一定高程，壩體和壩基變形穩(wěn)定后，再施工防滲墻，臨近蓄水時候，澆注連接板，這樣可以避免施工期產生的不均勻沉降，減少連接板和防滲墻之間的位移差。