混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

伍學(xué)殊　尹曉冰

摘 要：該文基于作者多年從事水利工程施工與設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以水利樞紐工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，首先分析了設(shè)計(jì)的需求，進(jìn)而詳細(xì)探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后給出了運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果，全文是作者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水利 樞紐 工程 混凝土面板 堆石壩 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TV641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（c）-0058-02

混凝土面板堆石壩對(duì)地形和地質(zhì)條件都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并且施工方便、投資省、工期短、運(yùn)行安全、抗震性好，因而其作為壩型選擇具有很大的優(yōu)勢(shì)，面板堆石壩的發(fā)展也隨之取得了很大的成功。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2006年，全世界建成在建及設(shè)計(jì)中，壩高超過50m的面板堆石壩共計(jì)約390座。自1985年開始，中國(guó)利用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩雖只有20多年，但數(shù)量、規(guī)模和技術(shù)等方面均處于世界前列，總數(shù)已超過40%。這些壩為面板堆石壩在抗凍、抗裂等方面的技術(shù)，為面板堆石壩的發(fā)展提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

某水利樞紐工程位于湖北某干流上，壩址以上流域面積2970km2，多年平均年徑流量12.08億m3，總庫(kù)容為2.105億m3，電站裝機(jī)為60MW，工程等別為Ⅱ等。

樞紐工程由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)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?；炷撩姘搴穸?.3～0.5m，址板厚0.8m。

壩體分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，在周邊縫下游部位設(shè)有特殊的墊層小區(qū)，如圖1所示。

該壩址日內(nèi)溫差大，孔隙水結(jié)冰充分，凍融循環(huán)次數(shù)多，面板不僅要有足夠的強(qiáng)度和防滲性、耐久性、抗凍性等，柔性及嵌縫材料、橡膠止水帶等也必須有較高的特殊要求，因此面板、趾板等關(guān)鍵部位的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工是該工程的重要環(huán)節(jié)。

2 壩體設(shè)計(jì)選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標(biāo)

由于面板混凝土的耐久性直接決定面板的壽命，而耐久性又受日曬、風(fēng)吹、雨淋、沖刷抗凍融及碳化、疲勞、溶蝕、各種有害離子的化學(xué)反應(yīng)、鋼筋銹蝕膨脹等各種內(nèi)、外因素影響，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期內(nèi)能反映出來(lái)，因此合理選擇混凝土原材料，是保證其耐久性正常發(fā)揮、增加面板壽命的主要措施。

由表1知，該工程混凝土材料參數(shù)選擇均比較嚴(yán)格。在增加混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，提高其抗?jié)B抗凍標(biāo)號(hào)，保證其具有一定的含氣量，以滿足抗凍要求。與同期一般工程相比，該工程通過試驗(yàn)，對(duì)混凝土水泥材料強(qiáng)度、水灰比等原材料指標(biāo)進(jìn)行了選擇與調(diào)整，結(jié)果如表1所示。利用上述材料的用量及指標(biāo)控制，保證了施工后的面板混凝土性能指標(biāo)均達(dá)到二級(jí)配R250S8D250的要求，這一要求與其后頒布的新規(guī)范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系統(tǒng)材料

面板接縫主要分為周邊縫、伸縮縫兩類。周邊縫是趾板和面板間接縫。伸縮縫可分為防浪墻和面板間接縫，面板之間接縫（分受拉縫和受壓縫），趾板之間接縫和防浪墻之間接縫。該工程壩址區(qū)，多年平均氣溫2.2℃，最低氣溫-42.6℃，最高氣溫34.4℃，溫度變幅大，因此工程設(shè)計(jì)中對(duì)柔性嵌縫材料、橡膠止水帶等提出了較高要求，如要求柔性嵌縫材料高溫60℃時(shí)不流淌，低溫-45℃時(shí)不脆裂，變形率>40%，耐久性好，滲透系數(shù)3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 壩體分區(qū)及壩料設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程各種筑壩材料的性質(zhì)和面板壩的工作條件，混凝土面板以下壩體分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，在周邊縫下游部位設(shè)有特殊的墊層小區(qū)。墊層區(qū)主要為混凝土面板提供一個(gè)均勻、穩(wěn)定的低壓縮性基礎(chǔ)，同時(shí)滿足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則及嚴(yán)寒地區(qū)墊層料透水準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)要求選用質(zhì)地新鮮，堅(jiān)硬且具有較好耐久性的石料經(jīng)過加工而成，最大粒徑≥8cm，<0.5cm的含量為25%～40%，<0.01cm的含量≤5%，連續(xù)級(jí)配料，Cu>20，滲透系數(shù)K=i×10-3cm/s。施工中將墊層料與過渡層料鋪筑和碾壓結(jié)合，倆區(qū)壩料同步填筑碾壓。既達(dá)到了面板有均勻、穩(wěn)定的支撐，又達(dá)到了節(jié)約用料降低造價(jià)的目的。

主堆石區(qū)為壩的主體，其石料的質(zhì)量、密度、沉降量的大小直接關(guān)系到面板大壩的安危，設(shè)計(jì)要求該料石質(zhì)堅(jiān)硬、級(jí)配良好，最大粒徑≤60cm，<0.5 cm的含量≥20%， <0.01 cm的含量≤5%，連續(xù)級(jí)配料，Cu>15，次堆石區(qū)主要用于保護(hù)主堆石體及其自身邊坡的穩(wěn)定。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設(shè)計(jì)

大多數(shù)觀測(cè)資料表明，在水荷載作用下，面板的大部分區(qū)域受壓，僅在壩頂和近岸邊處有拉應(yīng)變。面板應(yīng)變和堆石體變形特性密切相關(guān)，與其厚度關(guān)系不大。該工程的混凝土面板厚度采用連續(xù)變截面形式，最大厚度為0.5m，最小厚度為0.3 m。面板間伸縮縫只設(shè)縱縫，不設(shè)永久水平縫，面板垂直縫間距河谷中部為12 m，兩岸垂直縫間距為6m，面板最大板塊斜長(zhǎng)91.05 m。在面板中部設(shè)單層雙向鋼筋，適當(dāng)增加面板鋼筋含量（每向配筋率0.4%）。并選擇面板混凝土的有利澆筑時(shí)機(jī)，避免混凝土早凍。

趾板是以灌漿帷幕為主的地下防滲體系與地上防滲結(jié)構(gòu)的連接部位，是一個(gè)承上啟下的防滲結(jié)構(gòu)。采用平趾板型式布置，板厚0.8m。趾板線由面板底面與趾板下游面的交線控制。本工程趾板寬度依據(jù)基巖風(fēng)化、破碎情況，允許滲透比降和基礎(chǔ)處理措施綜合確定，趾板最大寬度6.0m，最小寬度4.0m，趾板每12 m設(shè)一道伸縮縫。為保證趾板與基巖的可靠連接，通過錨桿錨固試驗(yàn)，并參照已建工程經(jīng)驗(yàn)，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。

4 主要運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 壩體沉降

大壩的沉降監(jiān)測(cè)分兩個(gè)高程、五個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：大壩的沉降量隨大壩填筑高度增加而增大，符合一般規(guī)律。當(dāng)大壩填筑到頂后，各測(cè)點(diǎn)沉降量增加很少，蓄水后各測(cè)點(diǎn)沉降量也沒有明顯增加，即大壩后期沉降不會(huì)很大?？⒐て谧畲蟪两迭c(diǎn)在壩軸線處，最大沉降值為20.2cm，占?jí)胃撸?6.6m）的0.38%，蓄水期最大沉降值為25.2cm，占?jí)胃撸?6.6m）的0.47%，在國(guó)內(nèi)同類工程中屬偏小。

4.2 壩體水平位移

通過各高程處引張線水平位移計(jì)對(duì)壩體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：測(cè)點(diǎn)水平位移變化有規(guī)律，施工期的位移量總體上向上游移動(dòng)，蓄水后位移方向指向下游，且水平位移均不大，多年后總體趨于穩(wěn)定。

4.3 面板周邊縫位移及滲流監(jiān)測(cè)

利用7個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)周邊縫的沉降、剪切及開合度過程線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)該工程混凝土面板周邊縫的變形較小，即周邊縫止水破壞的可能性較小。

滲漏監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，滲漏量為13.9×10-3 m3/s，年滲水量為44萬(wàn)m3，小于設(shè)計(jì)滲漏量。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究及參考已有工程經(jīng)驗(yàn)，該混凝土面板堆石壩在遵循傳統(tǒng)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，也結(jié)合氣候特點(diǎn)采取了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施，保證了大壩能較好的適應(yīng)極端氣候運(yùn)行的要求。水庫(kù)蓄水后經(jīng)歷了幾個(gè)嚴(yán)冬，通過大壩的沉降、位移、滲流量等參數(shù)監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，大壩的總體運(yùn)行狀況良好。

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