覆蓋層上面板堆石壩趾板與連接板不同長度對防滲系統(tǒng)的影響分析

摘 要：文章以九甸峽混凝土面板堆石壩為例，對趾板與防滲墻的兩種連接方式、剛性連接與柔性連接進(jìn)行對比分析，從而得出采用柔性連接形式有利于防滲結(jié)構(gòu)的布設(shè)。另外分析了不同趾板、連接板長度組合方案對防滲墻應(yīng)力變形的影響，得出較優(yōu)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩；防滲墻；趾板；連接板

中圖分類號：TV547 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）30-0053-02

目前，國內(nèi)已建和在建的面板堆石壩已逾百座，但直接修建在覆蓋層上的高面板堆石壩則為數(shù)不多，主要原因是對深覆蓋層上壩體防滲結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)防滲墻連接形式的研究還不夠深入，特別是在柔性鏈接方案下趾板和連接板的長度對壩體防滲結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)防滲墻的應(yīng)力變形的影響的研究較少。本文借助有限元數(shù)值分析手段對九甸峽水電站面板壩的趾板與防滲墻的連接方式進(jìn)行比選及技術(shù)論證，并研究不同趾板與鏈接板長度對防滲結(jié)構(gòu)的影響，為深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩防滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 覆蓋層基礎(chǔ)上面板堆石壩基礎(chǔ)處理方式

混凝土面板堆石壩與傳統(tǒng)土石壩相比，具有安全性好、適應(yīng)性廣、投資省、工期短、施工方便等優(yōu)點，是目前具有較強競爭力的一種壩型。近些年來我國在深厚覆蓋層地區(qū)也修建了不少面板堆石壩，因此對其覆蓋層基礎(chǔ)的防滲處理是建設(shè)混凝土面板堆石壩的關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計施工時需特別注意。

根據(jù)九甸峽面板堆石壩壩址地質(zhì)資料分析，基礎(chǔ)覆蓋層厚度達(dá)40 m，若僅開挖趾板及其下游一定范圍內(nèi)的覆蓋層都會對施工造成很大難度，大大延誤施工工期壩基覆蓋層厚度達(dá)40 m，若將其全部挖除，工作量太大，故綜合考慮采用直接將趾板坐落在覆蓋層上，并于混凝土防滲墻相連接的方案，作為成壩體防滲體系。

2 防滲墻與趾板連接型式的選擇

根據(jù)在覆蓋層上已建的混凝土面板堆石壩工程資料分析，目前所采用的防滲墻與趾板連接型式主要有柔性連接和剛性連接兩種形式。這兩種連接方案在工程中均有使用，并各具優(yōu)缺點。

2.1 柔性連接方案

該方案連接型式為趾板置于覆蓋層上，上游通過連接板與防滲墻連接，下游通過周邊縫與面板相連，趾板兩端均能適應(yīng)變形。由于防滲墻和連接板、連接板和趾板及河床兩岸基巖之間的接縫位移較大，在該部位的接縫位置設(shè)置了柔性變形縫，縫底設(shè)銅止水片，縫內(nèi)填塑性嵌縫材料，縫頂（墻、連接板和趾板上）填粉質(zhì)粘土或粉煤灰，連接板和趾板下鋪一層反濾料。這樣有嵌縫材料和銅止水片、粉質(zhì)粘土（粉煤灰）和反濾料兩道可靠的止水防線，可以確保接縫的長期止水效果。

2.2 剛性連接方案

為避免趾板兩端產(chǎn)生較大的不均沉陷，該方案一般采用兩道防滲墻分別置于趾板的上下游端，兩道防滲墻底部均嵌入基巖，防滲墻與趾板之間采用剛性連接。為加強面板趾板的變形適應(yīng)性，在面板和趾板的接縫位置設(shè)置了柔性變形縫，縫底設(shè)銅止水片，縫內(nèi)填塑性嵌縫材料，縫頂（面板、趾板上）填粉質(zhì)粘土或粉煤灰。

壩基混凝土防滲墻與趾板連接型式的選擇要綜合考慮各連接型式對壩體、面板、趾板和防滲墻各部位的應(yīng)力變形的影響。根據(jù)該工程實際情況，柔性連接情況下趾板前后豎向變形相差較大，對趾板和面板的受力不利，但剛性連接情況下防滲墻向下游的水平位移較大，而且防滲墻的應(yīng)力較大?？紤]到覆蓋層厚度較大，對大壩基礎(chǔ)防滲效果要求較高，故為了保證混凝土防滲墻的安全運行，對壩體混凝土防滲墻和趾板采用柔性連接方案。

3 趾板設(shè)計

根據(jù)以上分析，初步確定壩體防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計中對趾板和防滲墻采用柔性連接方案，趾板在河床壩段水平布置，其上游段設(shè)置兩道防滲墻，混凝土防滲墻厚均為0.8 m，兩道防滲墻間距為2.0 m，采用0.8 m厚連接板相連；趾板與防滲墻之間采用連接板連接，趾板與連接板厚度均為0.8 m，并在連接板與防滲墻和趾板相接觸處設(shè)置柔性止水材料，以適應(yīng)變形；趾板下游側(cè)設(shè)置長10.0 m的內(nèi)趾板，以滿足趾板防滲要求。

為了比較趾板和連接板不同長度比例對防滲系統(tǒng)的變形及應(yīng)力狀態(tài)的影響，本文設(shè)計四種趾板和連接板的長度方案，對趾板、連接板和防滲墻的應(yīng)力變形進(jìn)行分析，各方案設(shè)計尺寸，見表1。

4 計算分析

通過分析各方案在竣工期和蓄水期結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形規(guī)律，可以得出以下結(jié)果。

4.1 變形計算結(jié)果

根據(jù)方案一和方案二計算結(jié)果可以看出，無連接板時，防滲墻與趾板之間的相對錯動明顯較大，頂部開裂寬度為4.86 cm；設(shè)置了連接板后，防滲墻與連接板間開裂寬度明顯減小，最大開裂寬度僅為2.34 cm，并且方案1的防滲墻和連接板相對錯動較小。

根據(jù)方案一和方案三、四計算結(jié)果表明對于不同長度的趾板和連接板，趾板和連接板越長，防滲墻的變位越小，但總體上對防滲墻的變位影響不大。

水庫蓄水后，4種方案防滲墻與連接板之間接縫呈張開狀態(tài)，而連接板與趾板之間的接縫呈壓緊閉合狀態(tài)，各條接縫之間的相對變位除了水平張開外，在豎向和水平向均存在錯動位移。

4.2 應(yīng)力計算結(jié)果

分析計算結(jié)果，各方案計算結(jié)果相差不大：混凝土防滲墻在竣工期和蓄水期整體均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力≤10 MPa，在允許設(shè)計范圍之內(nèi)，不會對防滲墻產(chǎn)生拉裂和擠壓破壞等影響；兩個防滲墻之間的連接板底部受拉，最大拉應(yīng)力均為1.0 MPa，頂部受壓，壓應(yīng)力為4.0 MPa左右，均不會對連接板產(chǎn)生破壞影響。

設(shè)置連接板后趾板的應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)趾板前稍有區(qū)別：兩種方案下趾板底部均受拉，頂部受壓，數(shù)值都不大，均在合理范圍之內(nèi)；但設(shè)置連接板后，連接板上下游側(cè)與趾板和防滲墻接觸部位出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，其數(shù)值處在允許范圍之內(nèi)，不會壓碎趾板與連接板接觸部位。

綜合分析不同趾板、連接板長度組合的應(yīng)力變形計算結(jié)果，在沒有連接板的情況下，趾板與防滲墻接縫處開裂度較大，容易導(dǎo)致止水結(jié)構(gòu)的破壞。隨著連接板的增長，連接板對變形起到緩沖作用，可以有效減小防滲墻與連接板接縫的拉應(yīng)力和相應(yīng)的開裂寬度，對于此處止水結(jié)構(gòu)有保護(hù)作用。

另外，分析各方案趾板與連接板的不同布置情況下的計算結(jié)果，各方案對混凝土防滲墻和壩體的應(yīng)力變形影響很小，只對防滲墻頂部接觸處有較明顯的作用。

因此，從應(yīng)力變形角度分析，方案四的布置最好，對防滲墻、連接板和趾板的受力和變形影響最小，接縫止水處變形量最小；方案二即沒有連接板的布置情況下，防滲墻和趾板接縫變形大，止水結(jié)構(gòu)易受破壞，對結(jié)構(gòu)整體防滲效果不利。但考慮到方案四趾板和連接板長度較大，施工開挖量會明顯增加，且其尺寸越大，施工越不便，造價也會增加，因此綜合考慮采取方案一作為實際采用的合理連接形式。

5 結(jié) 語

本工程研究了將趾板直接修建在覆蓋層上的混凝土面板堆石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理的壩基覆蓋層防滲處理措施，通過對不同計算方案的比較分析，總結(jié)連接板與趾板長度對深覆蓋層上混凝土面板堆石壩防滲體系應(yīng)力變形特性的影響，為在覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩時防滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論參考。

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