阿爾塔什面板堆石壩混凝土面板設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

袁 磊,向佐年,楊 杰，成 龍

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

面板堆石壩是水工程主要型式，混凝土面板作為面板堆石壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其整體性和耐久性關(guān)系到大壩的安全運(yùn)行。

新疆是率先引進(jìn)面板壩的省區(qū)，1981年在覆蓋層上建成第一座壩高42m的柯柯埡，1995年開工建設(shè)了當(dāng)時全國第二高壩的烏魯瓦提，2006年建成的JLT一級是當(dāng)時9度設(shè)防的最高混凝土面板砂礫-堆石壩，2021年建成的阿爾塔什是目前已建深厚覆蓋層上9度設(shè)防下最高混凝土面板砂礫-堆石壩。目前正在建設(shè)的特高面板堆石壩有：壩高247m的大石峽混凝土面板砂礫石壩，壩高233.5m的玉龍喀什混凝土面板堆石壩。實(shí)踐證明面板壩壩型對新疆不同氣象、地形地質(zhì)和天然建筑材料等條件均具備適應(yīng)性。

但大量的工程實(shí)踐表明，面板仍存在普遍的裂縫問題?；炷撩姘迨堑湫偷谋⌒烷L條板狀結(jié)構(gòu)，長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，產(chǎn)生裂縫的概率比普通水工大體積混凝土更大，且大溫差和干燥等氣候環(huán)境進(jìn)一步加劇了面板混凝土的破壞。從裂縫成因分析，主要由壩體沉降過大或不均勻沉降、壩體自重、庫水壓力等造成的面板結(jié)構(gòu)性裂縫，由混凝土水化熱、寒潮等造成的溫度裂縫，由施工工藝、養(yǎng)護(hù)等造成的裂縫等三類裂縫。特別是阿爾塔什工程所處的南疆地區(qū)，干旱多風(fēng)沙環(huán)境下，如何限制面板開裂，提升面板混凝土耐久性，是本工程大壩安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 工程概況

1.1 工程簡介

新疆葉爾羌河阿爾塔什攔河大壩，是建在深度94m的砂礫石覆蓋層上，最大壩高164.8m的強(qiáng)震區(qū)混凝土面板砂礫石堆石壩；其設(shè)計(jì)地震烈度9度，壩體最大豎向可壓縮變形量達(dá)258m，大壩整體變形控制和協(xié)調(diào)問題突出。壩址河谷寬闊，兩岸坡較陡，河床寬約400m，壩頂長795m，防滲面板總面積達(dá)17.5萬m2；該寬闊河谷疊加250m級以上可壓縮體[1- 7]，對本工程大面積防滲面板與壩體及覆蓋層的整體變形協(xié)調(diào)提出了極高的要求[8- 12]。

1.2 外部條件

氣象：工程區(qū)具有典型的“冷熱風(fēng)干”氣候特點(diǎn)，氣溫年變化較大，1—7月平均氣溫分別為-5.55℃、23.91℃；晝夜溫差15℃以上；空氣干燥，相對濕度平均54%；日照時間長，年均2908h；降水稀少，年均54.4mm；蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均2265mm；多年平均最大風(fēng)速16m/s，大風(fēng)日最多為24d，沙塵暴日最多為33d；最大凍土深98cm。

地形地質(zhì)：壩址河段為橫向谷，不對稱寬“U”型，左岸坡35°～40°，右岸坡55°～80°，兩岸基巖裸露，覆蓋層厚度50～94m，主要為沖積砂卵礫石，局部夾砂層透鏡體，深槽分布于河床中部偏右。大壩設(shè)計(jì)地震動峰值加速度375.5g。

壩址區(qū)氣候條件惡略、設(shè)防烈度高、覆蓋層深厚、庫水位消落深度大，這都直接影響了面板混凝土耐久性。

2 面板有限元分析成果

為進(jìn)一步深入分析大壩變形與面板協(xié)調(diào)關(guān)系，制定合理的工程措施，根據(jù)室內(nèi)及現(xiàn)場壩料試驗(yàn)結(jié)果，開展了大壩三維精細(xì)化有限元靜、動力計(jì)算分析，研究大壩壩體結(jié)構(gòu)在施工期、運(yùn)行期以及遭遇地震情況下的大壩整體應(yīng)力、變形特性[13- 16]。本文從中提取了面板在竣工期和滿續(xù)期的三維有限元靜力計(jì)算結(jié)果，詳見表1和圖1；以及面板在設(shè)定地震、一致概率反應(yīng)譜和最大可信地震下的大壩三維非線性動力計(jì)算結(jié)果，詳見表2和圖2。

表1 三維靜力計(jì)算面板相應(yīng)結(jié)果表

圖1 三維靜力計(jì)算面板順坡向應(yīng)力云圖

表2 三維動力計(jì)算面板相應(yīng)結(jié)果表 單位：MPa

圖2 三維動力計(jì)算面板順坡向應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果表明，面板拉、壓應(yīng)力滿足所選混凝土標(biāo)號抗拉壓要求。但需重點(diǎn)關(guān)注在一致概率譜(設(shè)計(jì)和校核)地震動以及最大可信地震動作用后，面板中上部(2/3壩高以上)拉應(yīng)力較大，面板存在拉裂和壓碎的危險(xiǎn)性。本工程最低高程的泄水建筑物為2#深孔放空排沙洞，進(jìn)口底板高程1695m，面板中上部，便于維修，需結(jié)合面板應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步提高該區(qū)域的配筋率，降低面板壓碎和拉裂引起的滲透穩(wěn)定問題。

3 面板結(jié)構(gòu)及混凝土

大壩最大壩高164.8m，壩頂長795m，頂寬12m，上游壩坡1∶1.7，下游綜合壩坡1∶1.9?；炷撩姘蹇偯娣e17.5萬m2，以高程1729.0m和1776.0m為面板分期澆筑控制高程，將面板分為三期，一、二、三期面板面積分別為5.93萬、5.46萬、6.13萬m2。

面板斜長314.4m，一、二、三期面板最大斜長分別為131.4、93.7、90.3m。面板頂部厚度0.4m，底部最大厚度0.96m，最大水力梯度168。面板共分為76塊，河床部位受壓區(qū)面板寬12m(45塊)，岸坡部位受拉區(qū)板寬6m(左岸11塊，右岸14塊)，右岸端頭面板寬12m(6塊)。面板混凝土采用二級配C30W12F300，普通硅酸鹽水泥?；炷了冶刃∮?.45，水泥用量大于300kg/m3，氯離子含量小于0.06%，堿含量小于3kg/m3。并通過摻配抗裂防滲劑、減水劑、引氣劑及聚乙烯醇纖維，優(yōu)化混凝土配合比，限制面板開裂。面板混凝土施工配合比見表3。

表3 面板混凝土施工配合比

4 面板配筋

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，并類比同類工程，在國內(nèi)首次將全面板雙層雙向配筋成果應(yīng)用到強(qiáng)震區(qū)超高面板壩上，上、下層鋼筋形成閉環(huán)，并在關(guān)鍵部位加強(qiáng)配筋[17- 21]。

4.1 面板全面配筋

面板全面配筋以順坡向配筋率0.5%，水平向配筋率0.4%為控制原則，隨著面板逐漸增厚，并結(jié)合HRB400鋼筋通用型號直徑，各向配筋的鋼筋間距200mm，并以面板斜長自上而下分段確定；順坡向以面板斜長0～50m、50～150m、150～200m、大于200m共分4段，相應(yīng)鋼筋直徑分別為18、20、22、25mm，對應(yīng)配筋率0.48%～0.59%，面板順坡向配筋率均值為0.53%；水平向以面板斜長小于或大于150m為界分兩段，相應(yīng)鋼筋直徑分別為18mm和20mm，對應(yīng)配筋率0.33%～0.52%，面板水平向配筋率均值為0.40%。鋼筋采用HRB400，鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度為100mm；鋼筋接頭的連接可以采用焊接或機(jī)械接頭，順坡向不同直徑鋼筋采用焊接接頭，并相互錯開1m間隔。如圖3所示。

在垃圾焚燒發(fā)電中，NOx主要來源于燃料型NOx與部分熱力型NOx，GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)與歐盟2010的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)分別為250 mg/m3（日均值） 與200 mg/m3（日均值）。近年來大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益趨嚴(yán)，氮氧化物的減排越來越受到重視，比如DB37/2376—2013山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)控制區(qū)域氮氧化物限值為100mg/m3，垃圾焚燒煙氣氮氧化物排放濃度限值低于100mg/m3成了一個趨勢。

圖3 面板雙層雙向配筋圖

4.2 面板加強(qiáng)配筋

抗擠壓：面板垂直縫受力條件復(fù)雜，如天生橋、水布埡等國內(nèi)外一些面板壩相續(xù)出現(xiàn)沿垂直縫兩側(cè)面板發(fā)生擠壓破壞的情況，部分面板鋼筋被擠壓翹起等；為加強(qiáng)垂直縫、周邊縫附近面板鋼筋抗擠壓能力，本工程在面板垂直縫、周邊縫1.5m范圍內(nèi)設(shè)置直徑16mm的“S”型抗擠壓鋼筋，拉筋水平間距350mm，縱向間距400mm。如圖4所示。

圖4 面板抗擠壓鋼筋配筋圖

施工縫加強(qiáng)：根據(jù)紫坪鋪震后面板施工縫發(fā)生錯臺的情況等，本工程將面板一二期及二三期施工縫面設(shè)置為垂直面板表面，并在面板雙層雙向配筋的基礎(chǔ)上，在施工縫上下游各1.5m范圍內(nèi)設(shè)置直徑16mm的“U”型加強(qiáng)鋼筋，鋼筋間距200mm。如圖5所示。

圖5 面板施工縫加強(qiáng)鋼筋配筋圖

周邊縫加強(qiáng)：本工程在周邊縫抗擠壓鋼筋基礎(chǔ)上，在周邊縫1.5m范圍內(nèi)設(shè)置直徑16mm的“U”型加強(qiáng)鋼筋，鋼筋間距200mm。如圖6所示。

圖6 面板周邊縫加強(qiáng)鋼筋配筋圖

5 面板施工控制

三期面板分別于2018—2020年，在每年的3—5月份澆筑。一、二期面板澆筑前，壩體上游填筑斷面高出面板分期高度分別為15m和18.8m；壩體實(shí)測沉降速率在2.6～5mm/月；面板底部擠壓邊墻表部平整度按“+20mm～-30mm”控制，并噴涂乳化瀝青；混凝土澆筑時隨著滑模提升及時割除架立鋼筋，消除其約束；在三期面板混凝土澆筑施工時，在Ⅰ序面板側(cè)模訂上整塊1mm厚鐵皮，以消除混凝土表面不平整、局部錯臺現(xiàn)象，同時模板拆除后及時對Ⅰ序垂直縫面采用角磨機(jī)進(jìn)行打磨處理。

面板混凝土骨料為阿爾塔什砂礫石料場天然篩分骨料，水泥選用葉城天山公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用華電喀什電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰，外加劑采用石家莊長安育才建材有限公司生產(chǎn)的減水劑、引氣劑和纖維。一、二、三期面板混凝土入倉坍落度分別控制在7～9、7～8、7～8cm范圍內(nèi)，滑模實(shí)際平均提升速度分別為1.32、1.45、1.49m/h，單次提升高度控制在30～50cm?；炷敛捎肬溜槽入倉，槽頂采用帆布遮陽封閉。

面板滑模提升后進(jìn)行2遍人工收面，表面鋪設(shè)土工布(200g/m2)+雙層氣泡膜+復(fù)合土工布(兩布一膜200g/0.5mm/200g)，并在過程中由人工進(jìn)行灑水保持混凝土表面濕潤。由于葉爾羌河河水溫度較低，3月份平均為5.0℃，4月份平均為10.7℃，為了確保養(yǎng)護(hù)用水與混凝土溫度差≤20℃，在頂部平臺設(shè)加熱水箱，溫水養(yǎng)護(hù)7～15d。待面板內(nèi)外溫差平衡后，采用長流水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期不少于90d。

6 面板裂縫及表面防護(hù)

面板澆筑完成后3～6個月內(nèi)，對面板外觀裂縫位置、長度、寬度、深度進(jìn)行普查，面板總裂縫1890條，其中一期面板裂縫408條(9.2條/1000m2)，二期面板822條(11.2條/1000m2)，三期面板裂縫660條(10.6條/1000m2)。

各裂縫均進(jìn)行了化學(xué)灌漿等系統(tǒng)可靠的處理。在此基礎(chǔ)上，對大壩上游鋪蓋以上面板(包含面板及縱縫止水，兩岸及頂部至周邊縫內(nèi)側(cè)為止)采用2mm厚度，具有高耐久性、抗沖耐磨、抗凍融、抗腐蝕、高黏接力等方面性能的灰色聚脲進(jìn)行表面防護(hù)封閉處理?？紤]氣溫低、工期緊等因素，高程1718～1723m的面板表面采用單組分聚脲(脂肪族)涂刷進(jìn)行表面防護(hù)封閉處理；1723～1822m的面板表面采用雙組分聚脲噴涂進(jìn)行表面防護(hù)封閉處理；水庫死水位以上處于水位經(jīng)常變化區(qū)域的面板，在聚脲表面涂刷0.2mm厚度面漆，對聚脲層進(jìn)行保護(hù)。

7 面板運(yùn)行監(jiān)測情況

蓄水及大壩變形：工程于2019年11月26日下閘蓄水，蓄水前壩前庫水位高程1670m，至2020年1月8日，蓄水至初期蓄水高程1721m。2020年6月6日開始二期蓄水，至2021年2月10日，蓄水高程1771.26m，之后水位呈下降趨勢，2021年8月12日，庫水位蓄至1802.40m，為目前水庫蓄水達(dá)到的最高水位。相應(yīng)大壩累計(jì)最大沉降量780.8mm，占壩體和覆蓋層總高度的0.4%，累計(jì)最大水平位移68.6mm，占壩高比0.04%，符合同類土石壩沉降變形分布規(guī)律。

面板應(yīng)力應(yīng)變：面板混凝土監(jiān)測綜合應(yīng)變均處于壓縮變形狀態(tài)，混凝土應(yīng)變值在-776.0～-94.6με之間。面板混凝土內(nèi)部順坡向鋼筋應(yīng)力多處于受壓狀態(tài)，監(jiān)測應(yīng)力值在-108.3～53.2MPa之間。靠近河床面板整體壓縮應(yīng)變絕對值及鋼筋應(yīng)力值小于兩岸相應(yīng)測值，面板混凝土整體應(yīng)力、應(yīng)變基本符合一般規(guī)律。

面板撓度：在40#面板位置布設(shè)2條SAA陣列式位移監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測面板撓度變形主要分3階段。第一階段：一期面板頂部壩體填筑期，受面板下部壩體沉降變形影響，一期面板從底部至頂部漸變沉降，底部最小，頂部最大撓度值37.0mm，如圖7所示；第二階段：受一期面板上部蓋重填筑施工影響，面板從頂部至底部漸變沉降，頂部最小，底部最大撓度值32.0mm；第三階段：一至三期面板整體投入使用，大壩蓄水至1802m高程，受大壩蓄水水壓和壩體沉降共同影響，面板整體撓度值29.9mm，如圖8所示。大壩面板各階段撓度值均小于前期大壩變形計(jì)算值，整體最大撓曲率為0.10%，與同類工程對比，撓曲變形較小。

圖7 大壩一期面板撓度分布示意圖(以面板底部為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn))

圖8 大壩一至三期面板蓄水后撓度變形示意圖(以面板頂部為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn))

8 結(jié)語

面板堆石壩是高土石壩建設(shè)的主要壩型，混凝土面板作為大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其整體性、耐久性關(guān)系到大壩的運(yùn)行安全。阿爾塔什攔河大壩，最大豎向可壓縮變形量達(dá)258m，是世界級的量值，且位于新疆昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，具有典型的內(nèi)陸干旱氣候特點(diǎn)。惡略的氣候條件和超厚的壓縮變形體疊加，對提高大壩防滲面板的耐久性應(yīng)對措施提出了更嚴(yán)苛的要求。為減少面板裂縫，做到大壩與面板整體變形協(xié)調(diào)，參建各方共同建立一體化協(xié)調(diào)機(jī)制，并研究形成面板耐久性全過程設(shè)計(jì)施工控制方案和措施，針對性的提出了面板結(jié)構(gòu)、混凝土及配筋等設(shè)計(jì)方案，并在施工過程中加以控制，同時做好缺陷處理和表面防護(hù)。

特別是針對本工程強(qiáng)震區(qū)大壩混凝土面板配筋，借鑒了紫平鋪等工程遭遇地震后的面板破壞情況，采取了全面覆蓋、重點(diǎn)處理的面板配筋設(shè)計(jì)理念，在國內(nèi)首次采用了全面板雙層雙向配筋，上、下層鋼筋形成閉環(huán)，并在周邊縫、垂直縫、臨時施工縫等關(guān)鍵部位設(shè)置了“U”型加強(qiáng)鋼筋和“S”型抗擠壓鋼筋等，為同類工程設(shè)計(jì)提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

目前大壩面板整體運(yùn)行狀態(tài)良好，但從面板裂縫統(tǒng)計(jì)資料分析，即使本工程采取了全過程設(shè)計(jì)施工控制措施，但面板平均裂縫數(shù)量仍然與同類環(huán)境下的工程相當(dāng)或者略有減小，且一期面板的裂縫仍主要集中在二序面板上，于面板裂縫的一般規(guī)律一致。因此，復(fù)雜環(huán)境下的高壩面板混凝土耐久性問題，依然是我們工程師需要接續(xù)奮斗、系統(tǒng)研究的一項(xiàng)工作。