寒冷強(qiáng)震地區(qū)250 m級特高混凝土面板堆石壩接縫止水設(shè)計(jì)

摘要：寒冷強(qiáng)震地區(qū)的250 m級特高混凝土面板堆石壩變形控制難度大、抗震安全問題突出、耐久性要求高，這些難題對面板壩接縫止水設(shè)計(jì)提出了更高的要求。以233.5 m高的玉龍喀什混凝土面板堆石壩為例，利用三維靜動力有限元計(jì)算成果，結(jié)合國內(nèi)外類似高面板壩的工程經(jīng)驗(yàn)，定量提出其接縫變形控制標(biāo)準(zhǔn)，針對性地開展了不同部位接縫的止水尺寸設(shè)計(jì)?；诠こ烫攸c(diǎn)和大壩變形特性，考慮面板不同區(qū)域受力的差異、水位變動區(qū)冰凍的影響、防擠壓破壞和板塊間約束等因素，采用多道冗余設(shè)計(jì)、聚脲涂覆蓋板、垂直縫均設(shè)嵌縫材料、壓性縫局部加強(qiáng)等措施，對周邊縫、垂直縫、防浪墻水平縫和沉降縫的止水開展了個(gè)性化設(shè)計(jì)，可供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩；接縫止水設(shè)計(jì)；寒冷強(qiáng)震地區(qū)；變形控制標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：TV39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-9235（2024）08-0114-07

Joint Waterstop Design for 250 m Ultra-high Concrete Face Rockfill Dams in Cold andSeismically Active Regions

YIN Ming1，2，CHEN Xing1，2，XIONG Kun1，2

（1.ChangjiangSurvey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China;2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：Deformationcontrol，seismicsafety，and durability present significant challenges for 250 m ultra-high concrete face rockfill dams（CFRD）in cold and seismically active regions.These challenges necessitate an elevated standard for waterstopdesign.Using the 233.5 m high Yulongkashi CFRD as a case study，this paper quantitatively proposes a joint deformation control standard based on the results of 3D static and dynamic finite element analysis，in conjunction with relevant engineering experiences.Inaddition，a tailored waterstop size design is carried out for different joints.Considering the unique characteristics of the project and dam deformation，factors such as varying stress distribution across the dam face，the impact of freezing in fluctuating water levels，prevention of extrusion failure，andinterplate constraints are taken into account.Measures such as multi-channel redundant design，polyurea coating for covering plates，incorporation of seaming materials in vertical joints，and localized reinforcement of compressive joints are employed in the customized design of waterstops for perimeter joints，verticaljoints，horizontal joints of the wave wall，and settlement joints.These findings serve as valuable references for similar projects.

Keywords：CFRD;waterstopdesign;cold and seismically active region;deformation control standard

混凝土面板堆石壩具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡便、節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外已被廣泛采用。作為混凝土面板堆石壩防滲體系的重要組成部分和薄弱環(huán)節(jié)，接縫止水系統(tǒng)的完整良好直接關(guān)系到混凝土面板壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行，接縫止水設(shè)計(jì)已成為面板壩防滲設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。國內(nèi)外不少工程就曾因接縫止水破損而導(dǎo)致大壩發(fā)生較嚴(yán)重的漏水，進(jìn)而威脅工程安全，如安奇卡亞、巴蘭格蘭德等［1-3］。工程實(shí)踐表明，壩高在100 m以下的面板壩由于壩體變形控制難度相對較低，采用1～2道常規(guī)型式的止水即可滿足大壩防滲的需要；對于100 m以上的高面板壩，則通常需要設(shè)置2～3道止水，并對止水結(jié)構(gòu)型式和材料進(jìn)行專門設(shè)計(jì)研究，以應(yīng)對接縫大變形、面板擠壓破壞、特殊環(huán)境等問題［1-2］。玉龍喀什水利樞紐的擋水建筑物為233.5 m高的混凝土面板堆石壩，工程位于寒冷強(qiáng)震地區(qū)，最低月平均氣溫-5.15℃，極端最低氣溫-25.6℃，大壩設(shè)計(jì)地震峰值加速度0.419 g，導(dǎo)致這座250 m級特高混凝土面板堆石壩面臨著變形控制難度大、抗震安全問題突出、耐久性要求高等問題，也對其接縫止水設(shè)計(jì)提出了更高的要求。設(shè)計(jì)中根據(jù)三維有限元靜動力計(jì)算結(jié)果以及類似工程經(jīng)驗(yàn)提出了接縫變形控制標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程特點(diǎn)和大壩變形特性，針對性地開展了不同部位的接縫止水設(shè)計(jì)，可供類似工程參考。

1工程概況

玉龍喀什水利樞紐是新疆維吾爾自治區(qū)和田河支流玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性工程。工程任務(wù)以調(diào)控生態(tài)輸水、灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用。水庫總庫容5.36億m3，正常蓄水位2 170 m，死水位2 080 m，電站裝機(jī)容量200 MW，為Ⅱ等大（2）型工程?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱? 175.5 m，最大壩高233.5 m，壩頂長度500 m。大壩上游壩坡1.0∶1.5，下游壩坡上緩下陡，綜合坡比1.00∶1.69，大壩抗震設(shè)防烈度為9°。大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面見圖1。

2接縫變形控制標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)高面板壩工程通常采用數(shù)值分析結(jié)合工程類比的方法來確定止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的接縫變形控制標(biāo)準(zhǔn)，一般采用三維靜動力計(jì)算得到的接縫變形數(shù)值再考慮1.0～3.0倍的安全系數(shù)［4-5］。國內(nèi)外部分高面板壩周邊縫、垂直縫設(shè)計(jì)和實(shí)測變形情況見表1、2。由表中數(shù)據(jù)可知，高面板壩接縫實(shí)測變形值與面板壩高度并無明顯相關(guān)性，且大部分運(yùn)行正常的面板壩工程的接縫變形實(shí)測值均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，可見通過合理的設(shè)計(jì)和高質(zhì)量的施工，是可以將面板壩接縫變形控制在較低水平的［6］。

中國水科院和南京水科院針對玉龍喀什面板壩平行開展了三維有限元靜動力計(jì)算分析，面板接縫變形計(jì)算結(jié)果見表3。由于兩家科研單位采用的本構(gòu)模型、計(jì)算參數(shù)等不盡相同，因此計(jì)算結(jié)果也有一定的差異：周邊縫和垂直縫變形的基本規(guī)律均為動力工況和考慮流變的靜力工況下的變形值較大，靜力工況下的變形值較小。南京水科院的周邊縫變形結(jié)果總體上略大于中國水科院的計(jì)算結(jié)果，各工況下周邊縫最大張開變形為23.6 mm，最大沉降變形為42.2 mm，最大剪切變形為38.9 mm。南京水科院只給出了垂直縫最重要的張開變形結(jié)果，數(shù)值與中國水科院計(jì)算結(jié)果相差不大。各工況下垂直縫最大張開變形為31 mm，最大沉降變形為32 mm，最大剪切變形為34 mm。

在考慮流變的靜力工況、設(shè)計(jì)地震工況、校核地震工況的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上分別考慮2.0、1.5、1.0的安全系數(shù)，再取三者中的最大值，同時(shí)參考類似工程實(shí)測變形成果，確定玉龍喀什面板壩接縫變形控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，面板壩垂直縫的變形一般以張開、壓縮為主，沉降和剪切變形很小，垂直縫變形監(jiān)測通常也僅布置單向測縫計(jì)進(jìn)行面板間開合度的監(jiān)測［7］，因此不單獨(dú)提出垂直縫的沉降和剪切變形控制標(biāo)準(zhǔn)，其止水尺寸根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3接縫止水設(shè)計(jì)

玉龍喀什面板接縫主要包括面板與趾板之間的周邊縫、面板之間的垂直縫、面板與防浪墻間的水平接縫、防浪墻沉降縫等。其中垂直縫按照大壩運(yùn)行期接縫的變形特性，又可以分為張性垂直縫和壓性垂直縫。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析成果，左岸樁號0+0.0～0+120.0 m和右岸0+360.0～0+500.0 m區(qū)域的面板垂直縫采用張性縫，其余區(qū)域（樁號0+120.0～0+360.0 m）的面板垂直縫采用壓性縫。面板接縫總體布置見圖2。

3.1周邊縫止水

高面板壩的趾板通常固定在基巖上，而面板則會跟隨堆石體發(fā)生變形，因此位于趾板和面板之間的周邊縫可能發(fā)生較大的變形，是面板接縫的薄弱部位，也是接縫止水設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)［8］。周邊縫縫寬取12 mm，縫內(nèi)填塞瀝青浸漬樺木板。根據(jù)規(guī)范規(guī)定和類似工程經(jīng)驗(yàn)，為不影響面板混凝土的振搗密實(shí)，周邊縫設(shè)底部和頂部兩道止水。其中底部為一道“F”型紫銅止水，其尺寸主要受周邊縫剪切變形控制，銅片厚度1.2 mm，鼻子直立段高度130 mm，鼻子寬度30 mm，嵌入趾板的平段長200 mm，面板下部平段長200 mm，立腿高80 mm，鼻子頂端內(nèi)塞φ30 mm氯丁橡膠棒，鼻子內(nèi)充填聚氨酯泡沫。參照止水帶相關(guān)規(guī)范對銅止水進(jìn)行應(yīng)力水平復(fù)核計(jì)算，在剪切變形控制標(biāo)準(zhǔn)65 mm下，銅止水尺寸滿足應(yīng)力水平小于0.74的要求。

周邊縫頂部止水采用“支撐體+止水帶+填料止水”的型式?？p頂“V”型槽底設(shè)φ80 mmPVC棒，用于封縫和支撐上部止水帶，其直徑大于周邊縫張開變形控制標(biāo)準(zhǔn)60 mm。波形橡膠止水放置在“V”型槽表面，厚度10 mm，波浪圓環(huán)內(nèi)徑15 mm，外徑25 mm，以單個(gè)半圓環(huán)內(nèi)緣的延展長度與投影長度的差作為該環(huán)的吸收變形能力Ue=17.1 mm；由周邊縫三向變形控制標(biāo)準(zhǔn)得到的矢量變形為112.8 mm，至少需要7個(gè)半圓環(huán)來吸收該變形，考慮一定的安全裕度，取波形橡膠止水的波數(shù)設(shè)為5波（10個(gè)半圓環(huán)）。頂部塑性填料斷面面積通常是在接縫設(shè)計(jì)張開斷面面積上再乘以一定的放大系數(shù)，根據(jù)周邊縫張開變形控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的塑性填料面積為612 cm2，最終選取半徑為30 cm的半圓形截面，截面積1 413 cm2。

工程處于寒冷地區(qū)，冬季水庫結(jié)冰可能對表層止水產(chǎn)生凍融破壞、凍結(jié)拉拔、冰刺冰撞等破壞作用［9］。由聚脲復(fù)合胎基布等材料構(gòu)成的涂覆型蓋板具有與面板黏接可靠、不存在錨固縫隙、不削弱面板等優(yōu)點(diǎn)，近年來已在寒冷地區(qū)的面板壩工程中開始推廣使用，在梨園、蒲石河抽蓄等工程中應(yīng)用效果良好［10-11］。為提升玉龍喀什面板壩接縫表層止水的抗冰凍效果，死水位以上的塑性填料僅采用聚脲復(fù)合胎基布保護(hù)，以防止庫水冰凍對傳統(tǒng)保護(hù)蓋板和螺栓錨固體系的破壞。死水位以下由于通常不受冰凍影響，塑性填料采用GB三元乙丙橡膠蓋板+聚脲復(fù)合胎基布（聚脲涂層內(nèi)部復(fù)合兩層胎基布）保護(hù)，GB三元乙丙橡膠蓋板厚度為8 mm，聚脲復(fù)合胎基布厚度為6 mm，每側(cè)與混凝土黏接長度為30cm，用不銹鋼螺栓錨固在面板混凝土上。在死水位以下3 m范圍內(nèi)，將聚脲涂覆蓋板向下覆蓋GB三元乙丙復(fù)合橡膠板，以保證保護(hù)層的可靠搭接。為防止鋪蓋頂高程2 045 m以上周邊縫因變形過大或其他因素產(chǎn)生漏水而又不具備檢修條件，在高程2 045～2 082 m沿周邊縫設(shè)置無黏性自愈型填料，填料覆蓋在塑性填料保護(hù)蓋片表面；無黏性填料斷面尺寸根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇半徑80 cm的半圓形，面積0.864 m2，外套土工布進(jìn)行保護(hù)，土工布外每間隔1 m設(shè)鋼條進(jìn)行支撐，土工布與混凝土接觸處采用鋼條進(jìn)行密封。周邊縫止水結(jié)構(gòu)見圖3。

3.2垂直縫止水

3.2.1張性垂直縫

與周邊縫類似，張性垂直縫采用頂部、底部2道止水，頂部止水采用PVC棒+波形橡膠止水+柔性填料。底部設(shè)一道“W1”型紫銅片止水，銅片厚度1.2 mm，鼻子直立段高度120 mm，鼻子寬度30 mm，平段寬200 mm，立腿高80 mm，按三維靜動力計(jì)算得到的接縫實(shí)際最大剪切位移復(fù)核，該尺寸銅止水的應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求。銅止水鼻子頂設(shè)φ30 mm的氯丁橡膠棒，鼻子內(nèi)充填聚氨酯泡沫。

縫頂“V”型槽底部設(shè)φ80 mmPVC棒封縫，大于垂直縫張開變形控制標(biāo)準(zhǔn)。在“V”型槽表面設(shè)置3波波形橡膠止水帶，半圓環(huán)數(shù)為6個(gè)，厚度為10mm，滿足吸收接縫變形的需要?？p頂塑性填料截面為半圓形，半徑采用25 cm，截面積981 cm2。保護(hù)蓋片型式同周邊縫。

由于在設(shè)計(jì)階段無法準(zhǔn)確判斷垂直縫的拉壓狀態(tài)，只能通過數(shù)值分析等手段大致判斷面板的拉壓區(qū)域分布來初擬張性和壓性垂直縫［12］。一些工程按張性縫設(shè)計(jì)的垂直縫在運(yùn)行過程中也會出現(xiàn)擠壓破壞的現(xiàn)象，例如紫坪鋪面板壩在經(jīng)歷了汶川大地震后，位于左壩肩附近的5—6號面板間垂直縫就發(fā)生了較為明顯的擠壓破壞［13］；另外，如果垂直縫不設(shè)嵌縫材料，在面板澆筑過程中，后澆塊易受到先澆塊的限制，往往也會產(chǎn)生裂縫［14］。因此，為避免面板發(fā)生擠壓破壞、減輕垂直縫對后澆塊的約束，在張性垂直縫縫內(nèi)也設(shè)置了10 mm厚的膨脹橡膠復(fù)合瀝青浸漬樺木板。張性垂直縫止水結(jié)構(gòu)見圖4。

3.2.2壓性垂直縫

為防止面板擠壓破壞，河床中部設(shè)置壓性垂直縫，其止水結(jié)構(gòu)型式、材料與張性垂直縫基本相同，但考慮到壓性垂直縫通常以擠壓變形為主，張開變形發(fā)生幾率較小且量值不大，故可弱化用于應(yīng)對張開變形的止水，加強(qiáng)接縫對擠壓變形的適應(yīng)能力，因此壓性垂直縫在張性垂直縫的基礎(chǔ)上對以下幾方面進(jìn)行了調(diào)整：①取消了頂部波形橡膠止水帶；②V型槽內(nèi)的PVC棒直徑減小為50 mm；③塑性填料截面呈弧形（似扇形），保護(hù)蓋板半徑減小為20cm，矢高13 cm，填料截面積減小為354 cm2；④壓性垂直縫縫面的膨脹橡膠復(fù)合瀝青浸漬樺木板厚度增加為15 mm。壓性垂直縫止水結(jié)構(gòu)見圖5。

根據(jù)面板壩三維有限元計(jì)算結(jié)果，垂直縫在距周邊縫50 m的范圍內(nèi)在蓄水期會出現(xiàn)一定程度的張拉變形，為此，將位于周邊縫附近50 m范圍內(nèi)的壓性垂直縫頂部止水采用與張性垂直縫相同的型式和尺寸，即φ80 mmPVC棒+3波波形止水帶+截面積981 cm2塑性填料。

3.3防浪墻與面板間水平縫

防浪墻與面板間的水平縫一般不承受水壓力，它的變形主要來自防浪墻和面板的位移在施工及運(yùn)行過程中的變化。根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)頂、底兩道止水。底部采用“W2”型紫銅片止水，銅片厚度1.2 mm，鼻子直立段高度120 mm，鼻子寬度30 mm，平段寬200 mm，立腿高80 mm，鼻子頂設(shè)φ30 mm的氯丁橡膠棒，鼻子內(nèi)充填聚氨酯泡沫。頂部采用PVC棒+柔性填料止水，止水結(jié)構(gòu)與壓性垂直縫基本相同，區(qū)別在于：①V型槽內(nèi)的PVC棒直徑為70 mm；②塑性填料半徑為25 cm，截面積為700 cm2；③保護(hù)塑性填料的聚脲復(fù)合胎基布蓋板厚度減為5 mm，兩側(cè)與混凝土粘接長度為25 cm；④嵌縫材料為12 mm厚瀝青浸漬樺木板。水平縫的頂、底止水和面板垂直縫相對應(yīng)的止水連接，以形成封閉的止水系統(tǒng)。防浪墻與面板間水平縫止水結(jié)構(gòu)見圖6。

3.4防浪墻沉降縫

為避免不均勻沉降引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，防浪墻每12 m設(shè)一條沉降縫，縫內(nèi)設(shè)一道“W1”型銅止水帶，尺寸同垂直縫底部的銅止水帶，并與防浪墻和面板間水平縫底部的銅止水帶相接?？p內(nèi)填充厚12 mm的瀝青浸漬樺木板。

4結(jié)語

玉龍喀什混凝土面板堆石壩最大壩高233.5 m，設(shè)防烈度9度，且位于寒冷地區(qū)。針對工程特點(diǎn)和大壩變形特性，總結(jié)和借鑒了國內(nèi)外工程的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算分析和試驗(yàn)研究成果，對不同接縫的止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

a）采用定量結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的方法確定接縫變形控制標(biāo)準(zhǔn)，即在靜力工況、設(shè)計(jì)地震工況、校核地震工況的接縫變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上分別乘以2.0、1.5、1.0的安全系數(shù)，取三者中的最大值并參考類似工程實(shí)測變形成果。

b）考慮面板不同區(qū)域受力的差異、不同接縫變形特點(diǎn)的區(qū)別、冬季庫水冰凍的影響等因素，采用多道冗余設(shè)計(jì)、聚脲涂覆蓋板、壓性縫局部加強(qiáng)等措施，對不同部位接縫止水結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行了針對性的設(shè)計(jì)。

c）為應(yīng)對垂直縫拉壓狀態(tài)的不確定性，盡可能防止面板發(fā)生擠壓破壞、減輕垂直縫對面板后澆塊的約束，在張性垂直縫和壓性垂直縫內(nèi)均設(shè)置瀝青浸漬樺木板作為嵌縫材料，僅厚度不同。

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（責(zé)任編輯：高天揚(yáng)）