高混凝土面板堆石坝设计分析

2018-06-15唐沙

智能城市 2018年10期

唐沙

湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙 410007

混凝土面板堆石坝具有很强的地形地势与地质条件适应力，同时具有操作方便、经济合理、安全有效等特点，所以将其作为坝型主要选择具有明显优势，其实际运行与发展都取得了很好的成效。

1 工程概况

湖南某水利枢纽工程坝址上方控制流域总面积约3.0×103km2，年均径流总量为1.208×109m3，实际库容总量2.10×108m3，总装机容量60MW，属II等工程。工程采用混凝土面板堆石坝，大坝顶部长度为270m，设计坝顶高程为547.40m，坝高最大值为56.60m，上、下游坝坡分别为1∶1.4和1∶1.3。面板总厚在0.3～0.5m范围内，址板厚度为0.8m。坝体有以下四个分区：垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区。周边缝下游处布置垫层小区。坝址所在地区冬季严寒，昼夜温差较大，有较长的结冰期，孔隙水基本完全结冰，反复完成冻融循环，对于混凝土面板，除了要有充足的强度与防渗性能，止水带、柔性材料和嵌缝材料也要满足特殊要求，所以趾板和面板等重点部位的选材、设计和施工是保证本工程质量的关键所在。

2 坝体选材设计

2.1 面板原材料与性能指标

因面板耐久性决定了它的使用寿命，而面板耐久性会受到众多因素的影响，无法在短时间内充分反映，所以选择适宜的原材料，是确保耐久性，延长使用寿命的关键。本工程选用525#硅酸盐水泥，外加剂含气量在4%～6%范围内，水灰比按0.39～0.43的要求进行控制，用水量为140～160kg/m3。选用这一原材料用量与性能指标控制，能使面板性能指标满足二级配要求。

2.2 面板止水材料

混凝土面板接缝有伸缩缝与周边缝两大类。其中，周边缝为面板与趾板之间的接缝；而伸缩缝则可分为以下四种：（1）面板与防浪墙之间的接缝；（2）面板和面板之间的接缝；（3）趾板和趾板之间的接缝；（4）防浪墙与防浪墙之间的接缝。在本工程坝址区以内，年均气温12℃，但温度变化幅度较大，所以对止水带、柔性材料和嵌缝材料都有极高的要求，以嵌缝材料为例，其在高温环境下不得流淌，在低温环境下不得脆裂，最小变形率应在40%以上，且具有良好的耐久性。本工程所用止水材料各项性能如表1所示。

表1 本工程所用止水材料各项性能

3 坝体结构设计

3.1 分区与坝料

根据坝料性质与面板实际工作条件，面板下方分为四区，周边缝下游处布置垫层小区。

（1）垫层区。为面板提供稳定基础，并满足渗透稳定与透水准则。在设计过程中应选用耐久性良好且质地坚硬的石料，其粒径应控制在8cm以内，粒径小于0.5cm的石料含量应处在25%～40%范围内，而粒径在0.01cm以内的含量不得超过5%。施工中充分结合过渡层料和垫层料的均匀铺设与碾压，这两个分区的坝料应同步进行铺筑与碾压。这样一来，不仅能使面板得到稳定且均匀的支撑，而且还能有效节约成本。

（2）主堆石区。该分区为大坝主体，石料各项性能决定大坝安危，所以不仅要质地坚硬，有良好级配，而且其粒径应控制在60cm以内，粒径小于0.5cm石料的实际含量不能超出20%，粒径小于0.01cm石料的实际含量不能超出5%。次堆石区的作用在于使边坡保持稳定。下游堆石和主堆石之间产生的变形易使面板产生一定拉应力，这是导致面板开裂的主要原因，所以本工程设计将二者界限布置成从大坝轴线周围不断向下游处倾斜的坡体，其坡度为1∶0.5，同时采用岩性与料源均相同的材料，以减小模量。

考虑工程所在地区特殊气候条件，本工程采用改善堆石坝结构，确保上、下游不会产生太大的模量差，强化对堆石的碾压，确定最有利的施工时间，避免在恶劣天气条件下施工。由于垫层区可以满足透水与渗透稳定两项准则，所以坝体填筑质量能得以有效保证。

3.2 面板、趾板与止水设计

从动态观测成果中可以看出，在水荷载等因素的长时间作用下，面板必然大面积受压，只在近岸边以及坝身的顶部处于拉应变的状态。事实上，面板应变在很大程度上决定了堆石体发生的变形，而与厚度之间却基本没有联系。该项目的面板采用连续变截面形式，其厚度在0.3～0.5m的范围内。

在面板间，仅设置了纵缝，未见水平缝，垂直缝和河谷中部之间的距离为12m，按6m要求控制两岸的垂直缝间隔距离。面板中央设置双向筋，根据实际情况增大钢筋量。同时，选择最佳时间进行浇筑，以达到预期的质量标准。

对趾板而言，它不仅是防渗体系一部分，而且还具有连接上下部分的重要作用，具有承上启下的重要作用，按照平趾板的型式进行布置，厚度为0.8m，对于趾板线，主要由其下游面和面板地面相交线进行控制。趾板宽度的确定需要综合考虑基岩、基础处理方式与渗透比降，在4.0～6.0m内进行控制，按12m的间隔设置伸缩缝。为使基岩和趾板能够良好连接，应进行锚固试验，同时参照以往经验，合理设置锚筋，嵌岩深度为3.5m，按照1.2m2/根的要求布置锚筋。

对于周边缝，它在承担一定水压力的同时还受三向变位作用，条件复杂，如果止水失效，将造成渗漏。堆石体的沉降会引起面板不同程度的变形，此时面板与趾板将产生相对较大的实际位置，是典型的薄弱部位。因此，周边缝必须柔性连接，并采取三道止水措施，即在柔性填料的基础上采用橡胶止水，再增加一道紫铜片止水。

对于河谷中部面板，应在接缝底部采用一道紫铜片止水，在趾板接缝采用橡胶止水，处在岸坡上的面板之间的接缝、面板和防浪墙之间的接缝、两防浪墙之间的接缝都设置两道止水：第一道为柔性填料；第二道为紫铜止水[5]。

冬季水位变动区域会产生一定程度的冰冻破坏。结冰后体积膨胀，致使止水体系和混凝土都因此破坏，一旦面板止水螺栓都直接裸露，则运行一段时间后，将出现上拔，使面板上的止水体系遭到破坏。对于这一问题，本工程对两者联结问题予以了深入分析和改进，止水体系改用平滑的表面，以防螺栓直接拔出，并保护止水体系。