官地水电站溢流坝段横缝结构设计

刘 侠，袁 琼，杜 军， 谢红英

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.四川水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072；3.准达岩土有限责任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

碾压混凝土重力坝横缝沿坝轴线方向布设永久沉降变形缝，将坝体分成若干个独立的坝段，可保证各坝段伸缩及沉降变形不相互约束，适应地基不均匀变形和满足混凝土浇筑能力及温度控制要求等。横缝的间距(即坝段宽度)一般为15～20m左右，主要取决于坝址地形地质条件、结构布置、温度变化和施工能力等。永久性横缝常做成竖直平面，不设键槽，缝内不灌浆，以使各坝段独立工作，根据地基及温度变化情况，一般在坝段间预留1～2cm的缝，缝内充填沥青木板或土工编织布。

本文以官地水电站溢流坝段为工程背景，采用温度变形定量分析结合工程类比等方式对溢流坝段之间的坝体分缝结构形式进行了探讨。

2 工程概况

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江卡拉至江河口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。上游与锦屏二级电站尾水衔接，下游接二滩电站。电站主要任务是发电，水库正常蓄水位1 330.00m，死水位1 328.00m，总库容7.6亿m3，水库回水长58km，装机容量2 400MW。

官地大坝河床中10～15号共6个坝段为溢流坝段，共长131m，12号、13号坝段长度为21.5m，其余4个坝段长度均为长22m，溢流表孔为开敞式，闸墩顺河流向长为51.8m，其中上游侧外伸6m。溢流堰顶高程1 311.00m，坝顶高程1 334.00m，最低建基面1 166.00m，最大坝高168m，溢流坝最大底宽153.2m。

3 横缝采用常规分缝形式存在的问题

官地溢流坝段如果按照图1、图2采用常规的横缝结构形式，将存在以下问题：

(1)溢流坝段设置了表孔，横缝位于溢流表孔流道中部，泄洪时由于流速很高(可达30～40m/s)，所以溢流坝面表面1m厚度采用抗冲耐磨混凝土C9050，如果在该区域内横缝也采用2cm的沥青木板，由于木板过流面上混凝土的强度及变形差别，而且木板耐久性差，在高速水流通过时容易引起分缝处木材的淘蚀，从而形成淘蚀的切入点。

(2)随着缝间填充材料的逐渐淘蚀，脉动压力可以通过缝间空隙浸入混凝土层面的薄弱区域，进一步造成混凝土气蚀或顺层掀翻破坏。

根据以上分析，为防止高速脉动水流作用下顺永久沉降缝冲蚀破坏，有必要在满足施工、沉降变形、温控等前提下，对现在工程常用的分缝结构形式进行调整、优化。

4 溢流坝段横缝结构设计探讨

4.1 工程类比分析

图1 分缝部位大样

图2 详 图

根据对已建工程三峡、光照、龙滩工程的了解，溢流坝段永久横缝一般还是采用1～2cm缝宽，内填沥青木板或土工编织布。对于靠近溢流表面区域，缝宽及缝面填料做了如下改进：

(1)光照水电站过溢流面止水外分缝未嵌填材料、缝面涂刷沥青，涂刷沥青未作厚度要求；

(2)三峡水电站溢流面止水外分缝未嵌填分缝材料。

(3)龙滩水电站溢流面止水外分缝采用嵌填5mm不锈钢板。

4.2 坝段表面区域温度变形量分析

4.2.1 坝段表面区域膨胀量分析

根据DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》，表层混凝土应力易分为：月平均气温年变化温度应力、气温骤降温度应力、水化热温度应力。

温度变形量分析中，忽略基础约束及混凝土应力松弛影响，直接计算表面混凝土基础温差引起的最大收缩变形量、年最大温差引起的最大伸缩量。

基础温差引起的最大收缩采用年温度变化从低温到高温引起的膨胀量，分析合理的缝宽要求：

ΔL=α·ΔT·L

式中α——混凝土热膨胀系数；

μ——混凝土泊松比；

L——浇筑块的长边长度；

ΔT——浇筑块的温度变形长度。

ΔT=多年平均最高温度T1-多年平均最低温度T2；

多年平均最高温度T1=23°；

多年平均最低温度T2=11°；

浇筑块的长边长度取为153.2m；

α=0.000 08；

分别把上述参数带入公式计算，结果见表1。

表1 坝段表面区域膨胀量计算结果

4.2.2 坝段表面区域收缩量分析

溢流坝结构经混凝土浇注、振捣、养护而成。混凝土在硬化过程中逐渐失水而干缩。由实验室测得的非养护环境下混凝土干缩变形系数估算的混凝土最大干缩变形量：

ΔS=KL

式中k——混凝土的干缩率；

L——坝段长度。

根据官地水电站抗冲耐磨混凝土试验，抗冲耐磨混凝土的自生体积变形均为收缩，90d龄期干缩率最低为350×10-4。

从而算得混凝土干缩变形为：ΔS=7.7mm，而实际现场较好养护环境下，实际干缩量可能小于该估算值。

4.3 混凝土沉降变形分析

图3 分缝部位大样

图4 详 图

混凝土重力坝由于设置了横缝，坝段稳定主要依靠单坝段自身稳定维持，坝段之间应满足自由沉降变形条件。一旦某坝段沉降受相邻坝段约束，则坝基面接触应力可能会削弱进而减小基面抗滑稳定安全系数。官地溢流坝段高度相差很小，基础为玄武岩坚硬地基，坝段不均匀变形差很小，横缝绝大部分区域采用常规缝宽1～2cm，仅在靠近表面1.0m左右范围基本取消缝宽，不会约束整个坝段沉降变形。

4.4 小 结

从混凝土温度变形和干缩变形计算结果可以看出：溢流坝段即使在极端气温下浇注，其温度变形仅有4.20mm，而干缩变形达到7.7mm，所以依靠自身干缩变形可以补充膨胀变形空间，即不会出现坝段之间挤压隆起现象，坝体表面小范围区域减小横缝宽度。不会对坝段沉降变形构成约束影响。

5 结 论

根据官地水电站抗冲磨混凝土试验，混凝土温度90d龄期线胀系数为7.11～7.30×10-6/°C，按最高温升30°考虑，则混凝土膨胀5mm左右。考虑到混凝土自身体积变形引起的收缩可部分补充膨胀变形空间，再结合其它工程经验，溢流面抗冲混凝土表面缝宽减小到2～3mm是比较合适的，将溢流坝段分缝之间铜片止水外侧的缝面处理为直接涂刷沥青，沥青涂刷厚度为1mm，表层铜片止水内侧的缝面结构仍维持2cm缝宽，采用如图3、图4的横缝结构形式，可极大地改善溢流面抗冲、抗气蚀条件。