面板堆石壩面板撓度實測性態(tài)分析與研究

杜雪珍，張 猛，朱錦杰

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122；

2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

混凝土面板是面板堆石壩壩體防滲的主體結(jié)構(gòu)，是壩體與庫水、大氣的分隔層。面板的厚度一般是漸變的，面板在堆石體沉降變形及固結(jié)的影響下會產(chǎn)生撓度變形或脫空，當變形過大時會導(dǎo)致面板彎曲破壞甚至斷裂。因此，為適應(yīng)壩體變形，混凝土面板要有足夠的柔性，并能承受一定的局部不均勻變形，有足夠的強度和抗裂能力。

通過研究已建面板堆石壩的面板撓度運行性態(tài)，了解面板撓度量值的合理變化范圍、變化規(guī)律及分布特點，可為運行期面板的安全運行提供有益指導(dǎo)。

2 監(jiān)測方法

面板撓度一般通過埋設(shè)在面板內(nèi)的固定式測斜儀（即電平器）、或活動式測斜儀或光纖光柵陀螺儀進行監(jiān)測，但由于施工干擾和儀器性能不佳等因素影響，目前國內(nèi)很多面板堆石壩撓度監(jiān)測結(jié)果不甚理想。對于監(jiān)測結(jié)果不理想、監(jiān)測設(shè)施已損壞較多或無相應(yīng)監(jiān)測設(shè)施的情況，可根據(jù)埋設(shè)在墊層料附近的沉降儀和水平位移計，或面板上的表面位移測點的測值，用矢量迭加法推求面板撓度。

3 量值范圍

統(tǒng)計國內(nèi)已投運的、壩高100 m以上的10座面板堆石壩的面板撓度觀測方法、實測值、設(shè)計計算值、垂直壓縮模量、最大沉降、面板撓度與面板斜長之比，結(jié)果見表1。由表1可見：面板撓度為191~1 193 mm，除水布埡（1 193 mm）、天生橋一級（725 mm）外，其余均在500 mm以內(nèi)，且大部分工程的撓度實測值接近或小于設(shè)計計算值；垂直壓縮模量為50.9~135.2 MPa，H2/Erc為238~622；撓度與面板最大斜長之比為0.09%~0.3%。

表1 典型工程面板撓度變形匯總表Table 1 Statistics of deflection of face slabs of typicaldams

4 影響因素

面板撓度主要與壩高（H）、沉降量、壓縮模量（Erc）有一定相關(guān)性，但也受其他因素影響。

面板撓度與壩高相關(guān)圖見圖1。由圖1可見：面板撓度與壩高呈正比，壩高越高，面板撓度越大。

圖1 實測最大面板撓度與壩高相關(guān)圖Fig.1 Relationship between maximum measured deflection and dam height

面板撓度與H2/Erc相關(guān)圖見圖2。由圖2可見：面板撓度與H2/Erc關(guān)系較為密切，H2/Erc較大的工程，其面板撓度也相對較大，這與工程界常規(guī)認識一致，即面板撓度與壩高（H）的平方呈正比，與堆石的壓縮模量（Erc）呈反比。本次采納的工程實測擬合面板撓度的估算公式為δ=1.43H2/Erc，這與《混凝土面板壩工程》（蔣國澄等著）中提到面板撓度δ估算公式δ=（1.1～1.6）H2/Erc相符。

圖2 實測最大撓度與H2/Erc相關(guān)圖Fig.2 Relationship between maximum measured deflection and H 2/Erc

面板撓度與大壩沉降量相關(guān)圖見圖3。由圖3可見：面板撓度與大壩沉降量關(guān)系較為密切，沉降量較大的工程，其面板撓度也相對較大。本次采納的工程實測擬合面板撓度的估算公式為δ=0.28Smax。《混凝土面板堆石壩》（曹克明等著）中提到的最大撓度δ可以用壩體施工期的最大沉降Smax表示，即可采用推薦公式δ=0.25Smax計算，兩個估算公式較為接近，差值約10%。

圖3 實測最大撓度與最大沉降相關(guān)圖Fig.3 Relationship between maximum measured deflection and maximum settlement

5 變化規(guī)律及分布規(guī)律

堆石體受外部荷載和自身重量等影響，產(chǎn)生沉降、上下游方向和左右岸方向的變形，面板作為一個剛性體，隨堆石體的變形而產(chǎn)生撓度變形。面板撓度隨時間變化規(guī)律表現(xiàn)為：施工期及蓄水初期，壩體沉降等變形較大，面板撓度也較大，且大壩越高，撓度越大；運行期大壩變形主要受庫水位影響，庫水位上升，作用于面板的水壓猛增，使面板產(chǎn)生較大的向下游變形，庫水位下降，面板會產(chǎn)生一定的向上游方向的回彈變形，位于面板上部的測點變形較明顯，呈現(xiàn)一定的波動性。運行期撓度變化量較施工期及蓄水初期要小。如貴州某大壩面板撓度采用電平器觀測，典型測點過程線見圖4。由圖4可見，變形主要發(fā)生在1998年汛期和1999年汛期蓄水過程，在水壓作用下，位于一期、二期面板測點向上游變形后回彈較三期面板測點小。

圖4 貴州某大壩面板撓度過程線Fig.4 Deflection of the face slab of a dam in Guizhou province

面板撓度空間分布規(guī)律表現(xiàn)為：河床中間部位的撓曲變形相對較大，兩岸相對較小，其分布曲線一般呈拋物線形或馬鞍形，這與面板施工分期、預(yù)留沉降時間等有關(guān)。一般面板堆石壩在水壓力的作用向下游位移，位移最大值一般出現(xiàn)在壩高的2/3附近，但面板最大撓度出現(xiàn)的部位并不固定，面板中部或頂部都有可能，位于頂部的一般與大壩運行期的堆石體固結(jié)有較大關(guān)系。

如浙江某水庫大壩面板撓曲變形利用埋設(shè)在面板下墊層料內(nèi)的水平垂直位移計或埋設(shè)在面板上的表面位移測點測值，用矢量迭加法估算。大壩面板分兩期澆筑，面板撓度分布見圖5。由圖5可見：面板撓度受壩體填筑體變形影響，在運行初期增量較大，之后逐年遞減，面板最大撓度發(fā)生在1/3壩高處。

圖5 浙江某水庫大壩面板撓度分布Fig.5 Distribution of deflection of the face slab of a dam in Zhe-jiang province

面板撓度分布呈拋物線形，下部（一期面板）變形較大，上部（二期面板）較小，變形總體較協(xié)調(diào)。

貴州某大壩面板撓度分布見圖6。由圖6可見，面板撓度分布曲線呈馬鞍形，在面板4/7壩高處（近二期的中部）存在向下游極大值、5/6（近三期中部）壩高處存在向上游極大值。由于該大壩屬高壩，堆石體本身自重作用產(chǎn)生沉降和固結(jié)，大壩沿上下游方向產(chǎn)生水平位移，在三期面板中部往上游位移較大，這與大壩中部總體變形模量較低有關(guān)。但上游面在水壓作用下向下游位移，兩者綜合作用致使水下部分（一期、二期面板）向下游位移，向下游最大值出現(xiàn)在壩高的4/7，較接近一般堆石壩的2/3處，符合堆石壩位移的分布規(guī)律。水下部分面板的兩側(cè)位移，通常一期、二期面板變幅均不大，各條曲線粘在一起，三期面板測點變幅較大，呈較分散狀況，并有向上游變化的趨勢。

圖6 貴州某工程典型撓度分布曲線Fig.6 Typicaldistribution of deflection of the face slab of a dam in Guizhou province

6 面板缺陷

從本次統(tǒng)計的工程面板現(xiàn)場檢查情況看，面板堆石壩由于壩體不均勻沉降、上游水位變動、波浪淘刷、凍脹干裂、混凝土老化及地震等因素的影響，面板混凝土常見缺陷為裂縫、破損等輕微缺陷，沒有發(fā)現(xiàn)彎曲、斷裂等嚴重破損缺陷。

面板裂縫主要由溫度變化和干縮引起，一般不會導(dǎo)致壩體防滲結(jié)構(gòu)的破壞，但會因加速溶蝕、凍融、鋼筋銹蝕等導(dǎo)致面板耐久性降低。面板破損包括擠壓破損、脫空、隆起、塌陷等缺陷。如貴州某大壩在多次檢查中，均發(fā)現(xiàn)大壩面板垂直縫兩側(cè)混凝土發(fā)生不同程度的局部擠壓破損現(xiàn)象，面板垂直縫擠壓破損較嚴重的主要是L3/L4、L8/L9等接縫，雖經(jīng)多次修補，但效果一般，在堆石體變形未穩(wěn)定前仍有可能再次發(fā)生擠壓破壞。三期面板混凝土部分裂縫長度有所增長，且有新裂縫產(chǎn)生，上述缺陷尚不至于影響大壩運行安全，面板破損情況見圖7。

圖7 典型工程面板破損照片F(xiàn)ig.7 Damage of the face slab of a dam

7 結(jié)語

面板在堆石體沉降變形及固結(jié)的影響下會產(chǎn)生撓度變形，面板最大撓度一般為191~1 193 mm，撓度與面板斜長之比為0.09%~0.3%。撓度變形與大壩最大沉降關(guān)系密切，與壩高的平方呈正比，與堆石的壓縮模量成反比。面板撓度分布曲線一般呈拋物線或馬鞍形。面板發(fā)生彎曲破壞的可能性較小，其變形受壩體變形影響較大，因此控制好壩體變形是控制面板撓度變形的關(guān)鍵。