混凝土面板堆石坝结构设计技术研究

伍学殊　尹晓冰

摘 要：该文基于作者多年从事水利工程施工与设计的相关工作经验，以水利枢纽工程大坝结构设计为研究对象，首先分析了设计的需求，进而详细探讨了结构设计，最后给出了运行监测结果，全文是作者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：水利 枢纽 工程 混凝土面板 堆石坝 设计

中图分类号：TV641 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0058-02

混凝土面板堆石坝对地形和地质条件都有较强的适应能力，并且施工方便、投资省、工期短、运行安全、抗震性好，因而其作为坝型选择具有很大的优势，面板堆石坝的发展也随之取得了很大的成功。据统计，截至2006年，全世界建成在建及设计中，坝高超过50m的面板堆石坝共计约390座。自1985年开始，中国利用现代技术修建混凝土面板堆石坝虽只有20多年，但数量、规模和技术等方面均处于世界前列，总数已超过40%。这些坝为面板堆石坝在抗冻、抗裂等方面的技术，为面板堆石坝的发展提供了非常宝贵的经验。

1 工程简介

某水利枢纽工程位于湖北某干流上，坝址以上流域面积2970km2，多年平均年径流量12.08亿m3，总库容为2.105亿m3，电站装机为60MW，工程等别为Ⅱ等。

枢纽工程由混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道、发电引水系统及电站厂房等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长270m，坝顶高程547.40m，防浪墙顶高程548.40m，坝顶宽6m，最大坝高56.60m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5m，址板厚0.8m。

坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区，在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区，如图1所示。

该坝址日内温差大，孔隙水结冰充分，冻融循环次数多，面板不仅要有足够的强度和防渗性、耐久性、抗冻性等，柔性及嵌缝材料、橡胶止水带等也必须有较高的特殊要求，因此面板、趾板等关键部位的材料选择、结构设计与施工是该工程的重要环节。

2 坝体设计选料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指标

由于面板混凝土的耐久性直接决定面板的寿命，而耐久性又受日晒、风吹、雨淋、冲刷抗冻融及碳化、疲劳、溶蚀、各种有害离子的化学反应、钢筋锈蚀膨胀等各种内、外因素影响，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期内能反映出来，因此合理选择混凝土原材料，是保证其耐久性正常发挥、增加面板寿命的主要措施。

由表1知，该工程混凝土材料参数选择均比较严格。在增加混凝土强度的同时，提高其抗渗抗冻标号，保证其具有一定的含气量，以满足抗冻要求。与同期一般工程相比，该工程通过试验，对混凝土水泥材料强度、水灰比等原材料指标进行了选择与调整，结果如表1所示。利用上述材料的用量及指标控制，保证了施工后的面板混凝土性能指标均达到二级配R250S8D250的要求，这一要求与其后颁布的新规范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系统材料

面板接缝主要分为周边缝、伸缩缝两类。周边缝是趾板和面板间接缝。伸缩缝可分为防浪墙和面板间接缝，面板之间接缝（分受拉缝和受压缝），趾板之间接缝和防浪墙之间接缝。该工程坝址区，多年平均气温2.2℃，最低气温-42.6℃，最高气温34.4℃，温度变幅大，因此工程设计中对柔性嵌缝材料、橡胶止水带等提出了较高要求，如要求柔性嵌缝材料高温60℃时不流淌，低温-45℃时不脆裂，变形率>40%，耐久性好，渗透系数3 结构设计

3.1 坝体分区及坝料设计

根据该工程各种筑坝材料的性质和面板坝的工作条件，混凝土面板以下坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区，在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区。垫层区主要为混凝土面板提供一个均匀、稳定的低压缩性基础，同时满足渗透稳定准则及严寒地区垫层料透水准则。设计要求选用质地新鲜，坚硬且具有较好耐久性的石料经过加工而成，最大粒径≥8cm，<0.5cm的含量为25%～40%，<0.01cm的含量≤5%，连续级配料，Cu>20，渗透系数K=i×10-3cm/s。施工中将垫层料与过渡层料铺筑和碾压结合，俩区坝料同步填筑碾压。既达到了面板有均匀、稳定的支撑，又达到了节约用料降低造价的目的。

主堆石区为坝的主体，其石料的质量、密度、沉降量的大小直接关系到面板大坝的安危，设计要求该料石质坚硬、级配良好，最大粒径≤60cm，<0.5 cm的含量≥20%， <0.01 cm的含量≤5%，连续级配料，Cu>15，次堆石区主要用于保护主堆石体及其自身边坡的稳定。

3.2 混凝土面板、趾板及止水设计

大多数观测资料表明，在水荷载作用下，面板的大部分区域受压，仅在坝顶和近岸边处有拉应变。面板应变和堆石体变形特性密切相关，与其厚度关系不大。该工程的混凝土面板厚度采用连续变截面形式，最大厚度为0.5m，最小厚度为0.3 m。面板间伸缩缝只设纵缝，不设永久水平缝，面板垂直缝间距河谷中部为12 m，两岸垂直缝间距为6m，面板最大板块斜长91.05 m。在面板中部设单层双向钢筋，适当增加面板钢筋含量（每向配筋率0.4%）。并选择面板混凝土的有利浇筑时机，避免混凝土早冻。

趾板是以灌浆帷幕为主的地下防渗体系与地上防渗结构的连接部位，是一个承上启下的防渗结构。采用平趾板型式布置，板厚0.8m。趾板线由面板底面与趾板下游面的交线控制。本工程趾板宽度依据基岩风化、破碎情况，允许渗透比降和基础处理措施综合确定，趾板最大宽度6.0m，最小宽度4.0m，趾板每12 m设一道伸缩缝。为保证趾板与基岩的可靠连接，通过锚杆锚固试验，并参照已建工程经验，在趾板内设置φ28锚筋，插入岩石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

4 主要运行监测结果

4.1 坝体沉降

大坝的沉降监测分两个高程、五个测点进行。监测发现：大坝的沉降量随大坝填筑高度增加而增大，符合一般规律。当大坝填筑到顶后，各测点沉降量增加很少，蓄水后各测点沉降量也没有明显增加，即大坝后期沉降不会很大。竣工期最大沉降点在坝轴线处，最大沉降值为20.2cm，占坝高（56.6m）的0.38%，蓄水期最大沉降值為25.2cm，占坝高（56.6m）的0.47%，在国内同类工程中属偏小。

4.2 坝体水平位移

通过各高程处引张线水平位移计对坝体水平位移进行监测，监测发现：测点水平位移变化有规律，施工期的位移量总体上向上游移动，蓄水后位移方向指向下游，且水平位移均不大，多年后总体趋于稳定。

4.3 面板周边缝位移及渗流监测

利用7个测点对周边缝的沉降、剪切及开合度过程线进行测量，测量发现该工程混凝土面板周边缝的变形较小，即周边缝止水破坏的可能性较小。

渗漏监测发现，渗漏量为13.9×10-3 m3/s，年渗水量为44万m3，小于设计渗漏量。

5 结语

经过大量的试验研究及参考已有工程经验，该混凝土面板堆石坝在遵循传统理念进行设计的同时，也结合气候特点采取了一些相应的改进措施，保证了大坝能较好的适应极端气候运行的要求。水库蓄水后经历了几个严冬，通过大坝的沉降、位移、渗流量等参数监测分析发现，大坝的总体运行状况良好。

参考文献

[1] 肖化文.邓肯-张E-B模型参数对高面板坝应力变形的影响[J].科技资讯，2004（6）.

[2] 陆述远，唐新军.一种新坝型——面板胶结堆石坝简介[J].科技创新导报， 1998（2）.

[3] 张电吉，汤平.尾矿库土石坝稳定性分析研究[J].科技资讯，2003（3）.