面板堆石壩面板接縫實測變形性態(tài)研究

張 猛，杜雪珍

(1.中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122；2.國家能源局 大壩安全監(jiān)察中心，杭州 311122)

1 概 述

面板堆石壩面板分縫的目的是為了適應(yīng)壩體的變形，接縫的結(jié)構(gòu)及止水一般根據(jù)地形條件、地質(zhì)條件和壩體條件(包括壩高和填筑堆石體可能產(chǎn)生的變形)確定，接縫包括垂直縫和周邊縫。面板堆石壩在各個方向變形的綜合作用下，使堆石體上游面和面板產(chǎn)生法向撓曲變形，在河床中間部位的撓曲變形相對較大，呈向下游凹鏡式撓曲面，使面板沿墊層從兩側(cè)向河谷移動，靠近兩岸的垂直縫拉張，河谷部位垂直縫壓緊；同時使周邊縫兩側(cè)的底座與面板產(chǎn)生相對錯動。當堆石體變形過大時，將導致堆石體與面板之間變形不協(xié)調(diào)，面板出現(xiàn)脫空或開裂現(xiàn)象；面板變形過大時，易發(fā)生斷裂或擠壓破損；周邊縫變形過大時，易造成止水系統(tǒng)破壞和嚴重滲漏，甚至危及大壩安全。

為監(jiān)測面板接縫安全，規(guī)范規(guī)定在面板垂直縫和周邊縫處布置接縫變形監(jiān)測項目，其中垂直縫處一般設(shè)置單向測縫計，周邊縫處設(shè)三向測縫計。研究已建混凝土面板堆石壩面板接縫的實測變形性態(tài)，了解面板接縫變形量值合理變化范圍、影響因素及變化規(guī)律，可對運行期面板接縫的安全監(jiān)測提供有益指導。

2 面板垂直縫開合度

2.1 量值范圍

統(tǒng)計國內(nèi)22座已投入運行的面板堆石壩垂直縫最大開度、壩高關(guān)系，見圖1。由圖1可見，面板垂直縫開度大多在20 mm以內(nèi)，僅水布埡(29 mm)、洪家渡(38 mm)、天生橋一級(43 mm)3座高面板堆石壩垂直縫開度超過20 mm。

圖1 國內(nèi)部分面板堆石壩垂直縫最大開度情況對比圖

2.2 量值影響因素

面板垂直縫開度取決于堆石體向河谷中央變形時壩體與面板之間的摩擦力，因此壩越高、河谷越窄、岸坡越陡、最大沉降/壩高比越大，面板垂直縫開度就越大。

2.3 變化規(guī)律及分布規(guī)律

面板垂直縫開度大小與氣溫和庫水位有一定的相關(guān)性，溫度升高則縫寬減小，溫度降低則縫寬增大；面板受水壓后，一般中部垂直縫閉合，兩岸的張開，水位越高，靠近兩岸的張性縫縫寬增大，靠近河床的張性縫縫寬略有減小。其分布規(guī)律為靠近兩岸張性縫開度較大，靠近河床的張性縫開度較小?；貧w分析成果表明，溫度位移分量普遍大于水壓位移分量。

3 面板周邊縫變形

趾板固定在基巖上，面板則跟隨堆石發(fā)生位移，因此面板接縫中的薄弱環(huán)節(jié)是周邊縫。周邊縫存在三向變形，即面板平面方向的張開變位(開合度)、垂直面板平面的法向變位(沉降)、平行周邊縫的剪切變位(剪切量)，面板周邊縫變形大小是衡量面板堆石壩安全運行的一項重要指標，它的大小關(guān)系到面板堆石壩防滲止水效果。

3.1 量值范圍

統(tǒng)計國內(nèi)23座面板堆石壩周邊縫最大變形量(最大沉降、最大剪切、最大開度)、壩高關(guān)系，見圖2-圖4。

圖2 國內(nèi)部分面板堆石壩面板周邊縫最大沉降量對比圖

圖3 國內(nèi)部分面板堆石壩面板周邊縫最大剪切量對比圖

圖4 國內(nèi)部分面板堆石壩面板周邊縫最大開度對比圖

由圖2-圖4可見：

1)有17座大壩周邊縫最大沉降量在50 mm以內(nèi)，占總量的77%；僅三板溪(50 mm)、灘坑(55 mm)、馬鹿塘二期(67 mm)、公伯峽(76 mm)、小山(56 mm)等5座大壩面板周邊縫最大沉降量超過50 mm。

運行經(jīng)驗和試驗證明，接縫過大的切向位移是引起銅止水片破裂的主要原因[1]，應(yīng)引起重視。有18座周邊縫最大剪切量在30 mm以內(nèi)，占總量的83%；僅三板溪(59 mm)、洪家渡(37 mm)、馬鹿塘二期(43 mm)、引子渡(36 mm)、小山(36 mm)等5座大壩面板周邊縫最大剪切量超過30 mm。

有20座周邊縫最大張開量在40 mm以內(nèi)，僅三板溪(72 mm)、公伯峽(55 mm)、小山(55 mm)等3座大壩面板周邊縫最大張開量超過40 mm。

就同一工程而言，3種變位中大多數(shù)以沉降值最大。

2)馬鹿塘二期大壩面板周邊縫最大沉降量(67 mm)、最大剪切量(43 mm)偏大，其量值均發(fā)生在壩縱0+032.00監(jiān)測斷面600.50 m高程的周邊縫處。在進行面板周邊縫修復過程中，通過現(xiàn)場查看，該處面板和趾板間確實出現(xiàn)了較大的裂縫。

公伯峽大壩周邊縫最大沉降量(76 mm)、最大張開量(55 mm)偏大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，公伯峽大壩右岸周邊縫變形普遍較大，張開量、沉降量大多超過設(shè)計標準(該壩周邊縫開合度、沉降設(shè)計值分別為20、40 mm)[2]，且尚未完全穩(wěn)定?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，右岸周邊縫3號面板高程1966.82～1967.72 m范圍混凝土破損，并有滲漏通道。這主要是因為右岸周邊縫變形是混凝土面板與右岸高趾墻之間的相對變形，而右岸高趾墻目前變形尚未趨于穩(wěn)定，導致右岸周邊縫變形量較大。

三板溪大壩周邊縫最大剪切量(59 mm)、最大張開量(72 mm)偏大，最大剪切量和張開量均發(fā)生在左MB8處的J3-09測點，該壩周邊縫設(shè)計能適應(yīng)切向6 cm、張開6 cm、沉降10 cm的變形，除張開變形略超過設(shè)計值外，沉降和剪切變形均未超過設(shè)計值。J3-09儀器目前已損壞，從儀器失效前測值可初步判斷，周邊縫變形尚在允許范圍內(nèi)，且已經(jīng)穩(wěn)定了一段時間。從目前運行正常的兩組儀器J3-04、J3-12儀器可知，大壩完工4年后面板周邊縫變形基本保持平穩(wěn)，表明周邊縫變形在后期受庫水位和溫度變化影響并不明顯，運行性態(tài)較為穩(wěn)定。而變形量最大的J3-09埋設(shè)高程要低于壩前黏土鋪蓋頂高程[3]，如果此處出現(xiàn)止水局部破損，受黏土防滲和墊層料的自愈作用，防滲性能仍有保證。

小山周邊縫最大張開量(55 mm)偏大，該量值發(fā)生在8號面板周邊縫處，主要是在2000年時測值發(fā)生突變引起，可能與儀器性能有關(guān)，之后測值較穩(wěn)定。

3.2 量值影響因素

面板周邊縫變形主要取決于壩體變形，一般來說壩越高、壩體變形(最大沉降/壩高比)越大，周邊縫變形越大；周邊縫變形尤其是剪切位移也與河谷形狀、岸坡坡度及其變化密切相關(guān)，一般來說，岸坡陡峻則周邊縫變形較大；沉降位移還對趾板體型、周邊縫處堆石厚度及壓實程度等因素敏感。此外，周邊縫變形還與壩體施工質(zhì)量有關(guān)。

3.3 變化規(guī)律

周邊縫變形與溫度有一定的相關(guān)性，大多數(shù)與庫水位相關(guān)關(guān)系不明顯。周邊縫變形主要發(fā)生在施工期和蓄水初期，之后壩體變形逐漸趨于穩(wěn)定，周邊縫變形也趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

經(jīng)過對國內(nèi)已投入運行的20多座面板堆石壩面板接縫實測變形性態(tài)進行研究，結(jié)論如下：

1)面板垂直縫開合度。面板垂直縫正常運行，張開量一般在20 mm以內(nèi)，僅水布埡(29 mm)、洪家渡(38 mm)、天生橋一級(43 mm)3座高面板堆石壩垂直縫張開量超過20 mm，可將張開量不超過20 mm作為面板垂直縫開度合理范圍的經(jīng)驗參考值。面板垂直縫開合度取決于堆石體向河谷中央變形時壩體與面板之間的摩擦力，因此壩越高、河谷越窄、岸坡越陡、最大沉降/壩高比越大，面板垂直縫開度就越大。

2)面板周邊縫變形。面板周邊縫正常運行，實測最大沉降量、最大切向位移、最大張開量一般在50、30、40 mm以內(nèi)，可將其作為面板周邊縫三向變形合理范圍的經(jīng)驗參考值。面板周邊縫變形主要取決于壩體變形，一般來說壩越高、壩體變形(壩體最大沉降/壩高)越大，周邊縫變形越大，另外也與河谷形狀、岸坡坡度、趾板體型、堆石厚度及壓實度、壩體施工質(zhì)量等有關(guān)。周邊縫變形過大易造成止水系統(tǒng)破壞和嚴重滲漏，馬鹿塘二期、公伯峽、三板溪3座大壩均出現(xiàn)過因周邊縫變形過大導致止水局部破壞的情況。運行經(jīng)驗和試驗證明，接縫過大的切向位移是引起銅止水片破裂的主要原因，應(yīng)引起重視。