高混凝土面板坝压性垂直缝设计

迟守旭 庄小军

随着坝工工程的不断发展，面板坝作为一种适应性强的坝型，成为近年来发展最快、建成最多的主导坝型。随着面板坝技术不断进步，现已基本具备建设300 m级超高坝的条件。同时，随着一大批面板坝的建成投入使用，一些问题也开始不断暴露出来，本文就面板沿垂直缝挤压破坏现象进行分析，提出改进设计的一般方法供参考。

1 国内外做法及采取的措施

国内规范规定，垂直缝一般应采用硬平缝结构，缝面涂刷防粘剂，底部设一道铜止水。国外垂直缝设计自塞沙纳坝以后，也都采用硬平缝设计。但随着坝高的增加，一些问题暴露出来，国内外有些坝采用了相应的改进措施:如砂浆条不侵占面板断面;铜止水鼻子高度降低;中央面板考虑采用可压缩性垂直缝，以均化接触应力;顶部V形槽深度减小或取消;压性垂直缝处考虑采用双层钢筋，并设置挤压钢筋;面板与挤压墙间设破粘剂等［1-3］。

2 国内外面板坝沿垂直缝挤压破坏实例

2.1 天生桥一级面板坝［7］

天生桥一级面板坝坝址处为宽阔河谷，河谷系数(A/H2)为5.46。堆石材料为石灰岩、砂岩等，施工期上游堆石体压缩模量45 MPa，下游堆石体压缩模量为22 MPa。天生桥一级面板坝上游坡比1∶1.4，采用传统的沥青护面。面板顶部厚度30 cm，底部最大厚度90 cm。垂直缝为硬平缝结构，且布置了挤压钢筋。天生桥一级混凝土面板坝是第一座发生面板挤压破坏的超高坝，运行期面板沿一条最长的垂直缝压碎(2003年)，破坏方式为自坝顶向下发展，破坏范围限于面板受压缝上部。原因:堆石压缩模量低;压应变过高，垂直缝处应变集中。垂直缝改造:将压性垂直缝接缝中插入2 cm厚的橡胶板，使之成为间隙接缝。经处理后，天生桥一级面板坝运行正常。

2.2 巴西巴拉格兰德面板坝［2］

巴拉格兰德面板坝河谷系数3.15。坝体材料为玄武岩石料。主堆石施工期压缩模量为60 MPa。上游坡比1∶1.3。面板厚度采用公式:H ＜100 m 时，t=0.3+0.002H;H ＞100 m 时，t=0.005H。垂直缝为硬平缝，缝面刷沥青漆。面板垂直缝处未设置挤压钢筋。垫层料护坡采用挤压墙，但未涂沥青破粘剂。巴拉格兰德面板坝是第二座发生面板挤压破坏的超高坝，发生在2005年9月。检查发现面板沿L19/L20垂直缝挤压破坏。垂直缝改造:破坏垂直缝处面板混凝土加厚300 mm，硬平缝改建成可压缩缝。经改造后，坝渗漏量依然偏大，运行情况尚属正常。

2.3 巴西肯柏诺沃面板坝［2］

肯柏诺沃面板坝坝址处为V形河谷，河谷系数2.59。堆石材料为玄武岩。坝体填筑完成后，上游区堆石体的变形模量为60 MPa，中部堆石体的变形模量为50 MPa，下游区堆石体的变形模量为 30 MPa。上游坡比 1∶1.3。面板厚度按 0.3+0.002 5H 设计。垂直缝为硬平缝。面板垂直缝未设置挤压钢筋。垫层料护坡采用挤压墙，但未涂沥青破粘剂。肯柏诺沃混凝土面板堆石坝是第三座发生面板沿垂直缝挤压破坏的超高坝，发生在2005年10月。面板出现了严重的挤压破坏，破坏范围上自660 m高程的防浪墙底部，下至水下535 m高程。挤压深度发展到面板底部，并出现横向裂缝。原因:堆石压缩模量低;河谷较窄;垂直缝为硬平缝;挤压墙未涂破粘剂。垂直缝改造:第一次修补沿面板间垂直缝设置5 cm厚聚苯乙烯泡沫板(styrofoam)，顶部设置玛脂接缝密封材料，并用沥青卷材覆盖。第二次修补，将垂直缝间接缝切开宽5 cm，回填玛脂，并用EPDM板覆盖;加设挤压钢筋等。经改造后，坝渗漏量仍然偏大，运行情况尚属正常。

2.4 莱索托默霍尔面板坝［3，4］

默霍尔面板坝河谷系数3.85。坝料为玄武岩，主堆石压缩模量 40 MPa。上游坝坡1∶1.4。面板厚度按0.3+0.003H 设计。垂直缝为硬平缝。面板垂直缝未设置挤压钢筋，受压区钢筋穿过垂直缝。垫层料护坡采用挤压墙，但未涂沥青破粘剂。默霍尔混凝土面板堆石坝是第四座发生面板沿垂直缝挤压破坏的超高坝，发生在2006年2月。面板沿垂直缝的挤压破坏从坝顶发展到坝底，面板破碎深度为8 cm～10 cm，水平重叠达78 mm，相邻面板上台高出75 mm。挤压裂缝长度约为280 m。原因:堆石料为玄武岩，初压后会发生自锁，后上覆荷载增加，坝体位移发生突变;垂直缝为硬平缝;挤压墙未涂破粘剂。经改造后，坝体运行情况尚属正常。

3 压性垂直缝挤压破坏影响因素及改进建议

3.1 压性垂直缝挤压破坏影响因素

面板坝垂直缝挤压破坏的原因破坏类型分析比较复杂，涉及破坏成因和工程措施研究，目前仍没有一致意见，但综合分析以上工程实例，可能与以下因素有关:

1)堆石体压缩模量低;2)垂直缝为硬平缝，无填充;3)垂直缝处面板抗挤压断面不够，或砂浆垫、V形槽、铜止水鼻子占用面板抗挤压断面，造成应变集中;4)垫层料与面板混间摩擦力过大;5)窄河谷地形会产生较大的挤压应力;6)挤压钢筋配置不足。

3.2 压性垂直缝设计改进建议

针对以上因素，在高混凝土面板坝垂直缝的设计中，可考虑采用以下措施，改进设计，以保证面板堆石坝的正常运行。

1)堆石体压缩模量低，会直接造成高坝面板压缩应变较大，因此，提高堆石体施工压缩模量，对减小混凝土面板中的压缩应变是最有效的。超高坝的堆石设计不应该以控制施工参数为主，而应该以达到所需要的压缩模量的密度(堆石的孔隙率)为准。2)自塞沙纳坝以后，面板坝垂直缝设计以采用硬平缝为原则，以减小周边缝及其临近接缝的开度。上述出现压性垂直缝挤压破坏的四座面板坝垂直缝均采用硬平缝结构。据分析，当垂直缝为硬平缝时，缝中没有吸收变形的材料，挤压力将向坝中累积，且在接缝中向表面集中。挤压力越大，接缝混凝土发生挤压破坏的可能性越大。根据默霍尔坝实测资料分析，最大断面平均挤压应力约为2.93 MPa，远小于混凝土的抗压强度，因此，接缝混凝土的挤压破坏是由不均匀受力引起的，平均挤压应力不足以造成混凝土的破坏。如果通过适当的接缝材料设计，可以消除接缝内应力不均匀分布，就可以避免接缝混凝土的挤压破坏。可压缩性缝的设计宽度应由减小压应变数量要求决定，宽度太小，达不到保护垂直缝处面板混凝土的目的，宽度太大，又会导致周边缝及其邻近接缝的开度加大，并且有可能导致面板产生侧向弯曲破坏。因此，压缩性缝的设计应深入研究，综合考虑。3)垂直缝处面板抗挤压面积与面板所受平均压应力成反比，因此，设计时可考虑将压性垂直缝处面板适当加厚。另外，在面板厚度一定的情况下，可采取措施，尽量少占或不占面板抗挤压断面。可采取的措施包括:砂浆垫不侵入占面板断面，取消V形槽，减小止水片鼻子高度(甚至可考虑采用反鼻子设计)或将止水鼻子包括在填充物范围内等。4)垫层料护面形式现在主要有沥青、碾压砂浆、挤压墙、涂沥青挤压墙四种形式。上述四座坝除天生桥一级面板坝外，均采用挤压墙形式，且挤压墙与面板间均未涂沥青等破粘剂，面板与挤压墙间存在高粘结力。挤压墙较大的断面与较高的强度，使其谷向变形及向下变形传给面板较大的压应力，因此，超高坝应采用沥青护面、涂沥青碾压砂浆、涂沥青挤压墙等措施，以利于减小面板与垫层料间的摩擦力。5)巴西专家分析肯柏诺沃面板坝沿垂直缝挤压破坏时，认为河谷系数小于4时，会产生较大的挤压应力。6)现代堆石的填筑技术已经可以保证垫层料对面板的均匀支持，不需要由钢筋承受局部弯曲应力，面板存在的主要是轴向应变，而不是弯曲应变，因此钢筋通常布置在面板的中心。默霍尔面板坝在水库首次蓄满时发生顶部面板沿垂直缝的挤压破坏，产生的水平应变590×10－6、钢筋屈曲，其性质属于钢筋弯凸问题，由于垂直缝处未设置挤压钢筋引起。因此建议，在超高坝面板压性垂直缝处设置挤压钢筋，且其宽度建议大于2倍面板厚度。

4 国内外已建面板坝垂直缝设计成功实例

4.1 中国三板溪面板坝［5］

三板溪面板坝最大坝高185.50 m，上游坝坡1∶1.4。三板溪的设计在堆石压实功能、堆石材料分区、堆石预沉降时间安排、面板压性垂直缝设计、受压区面板顶部厚度等方面进行了重要改进，采取了以下主要措施:1)改进分区、提高堆石压缩模量;2)堆石预沉降半年;3)增加三期面板中央区厚度，改进受压区垂直缝结构。三板溪面板厚度按公式0.3+0.003 5H确定，但三期面板中央区最小厚度为40 cm。垂直缝砂浆条不侵占面板厚度，垂直缝V形槽高度降为30 mm，压性缝止水鼻子高度降为30 mm。垂直缝处面板设置细抗挤压钢筋。压性垂直缝采用硬平缝结构，缝面涂刷沥青乳剂。2009年对压性垂直缝进行了改造，接缝处采用塑性填充料填充。三板溪有效避免了施工期面板结构性裂缝，现状运行良好。

4.2 冰岛高地卡拉努卡(Karahnjukar)面板坝［6］

卡拉努卡面板坝坝高198 m，上游坝坡1∶1.3。面板厚度按照0.3+0.002H设计，单层钢筋布置于面板中部。堆石料为玄武岩。卡拉努卡面板坝对压性垂直缝设计采用以下措施:1)垂直缝中设置15 mm厚沥青纤维板;2)钢筋不穿透垂直缝，而是回弯12 cm;3)中部面板附加0.65%的钢筋;4)在挤压边墙和面板之间设防粘层;5)中央部位面板加厚10 cm;6)减小砂浆垫侵入面板部分，消除接缝部位的V形缝口。运行期，压性缝15 mm厚纤维板最大压缩位移8 mm，经三维数值分析(未考虑坝体蠕变)，若压性缝没有设置15 mm纤维板，最大水平压应力将达到31 MPa，那么，卡拉努卡面板坝面板几乎可以肯定要出现破坏。

4.3 墨西哥艾卡作恩面板坝［7］

艾卡作恩坝坝高189 m，河谷系数3.08。主堆石施工期最大压缩模量140 MPa，最小80 MPa，平均105 MPa。

首次蓄水后面板未发现任何裂缝。

5 结语

本文综合分析了国内外四座面板坝沿垂直缝挤压破坏的工

程实例，据此提出了相应的改进设计措施，同时以国内外三座面

板坝的成功经验为例，可得到以下初步结论:1)提高堆石体压缩模量，设置堆石预沉降期，是超高面板堆

石坝设计中避免垂直缝挤压破坏的最直接、有效的方法;2)面板

压性垂直缝处可根据工程实际情况采用可压缩性缝、加厚面板、

设置抗挤压钢筋以及其他减小占用面板抗挤压面积的工程措施

等来提高缝面处面板抗挤压能力;3)采取合适的垫层保护形式，

减小垫层与面板间的摩擦系数，对面板压性垂直缝是有利的。

［1］ Materon，B..碾压式面板堆石坝最新发展［J］.超高面板坝关键技术专辑，2007(sup):20-30.

［2］ Freitas，M.S.Jr.，Cruz，P.T..面板坝面板不可预测的裂缝与破坏［J］.超高面板坝关键技术专辑，2007(sup):50-52.

［3］ Johannesson，P..对面板坝设计改进的建议［J］.超高面板坝关键技术专辑，2007(sup):58-59.

［4］ Johannesson，P.，Tohlang，S.L..莱索托默霍尔面板坝裂缝的启示［J］.超高面板坝关键技术专辑，2007(sup):80-86.

［5］ 曹克明，钟 平，蔡昌光.超高面板坝设计探讨［J］.超高面板坝关键技术专辑，2007(sup):38-50.

［6］ H.Perez，P.Johannesson，B.Stefansson.The Karahnjukar CFRD in Iceland-Instrumentation and first impoundment dam behavior，T03-09，3rd Symposium on CFRD Dams Honoring J.Barry Cooke，2007:25-27.

［7］ 曹克明，汪易森，徐建军，等.混凝土面板堆石坝［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.