纳子峡纤维混凝土面板坝服役期接缝变形特性分析

王玉龙，覃 源，王迎春，刘海敏

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验，陕西 西安 710048；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；3.国家电投集团青海黄河电力技术有限责任公司，青海 西宁 810016)

混凝土面板堆石坝(CFRD)是一种重要的水工坝型，其混凝土面板是大坝最重要的防渗体之一，但由于目前施工中采用分块浇筑的施工形式，致使面板不可避免地存在“接缝”[1]。通常接缝主要分为周边缝及面板间的垂直缝与水平缝。接缝在服役过程中，不但需要承担较大的多向变形，同时还需协调坝体与面板之间的不均匀位移[1-3]。资料表明，历史上出现的较严重的面板坝溃坝及漏水事故中，30%以上是由面板接缝损坏所致[3-6]。因此，周边缝、面板间的垂直缝与水平缝是整个面板坝中较薄弱、变形大且复杂的结构，对于坝体安全来说至关重要[6]。研究发现，周边缝及面板间的垂直缝与水平缝会随气候、季节、库水位等各种因素的变化而发生位移变形，所以在施工和运行期都需要重点关注[6,7]。

程展林等[7]针对水布垭面板堆石坝的坝体及面板变形进行了分析；金建峰等[8]针对闲林水库面板堆石坝在蓄水初期的坝体及面板性能进行了分析；吕高峰等[9]对某面板坝周边缝及三向测缝计测值异常进行了分析并提出改进建议；何鲜峰等[10]结合原位监测数据及计算分析得出了常态混凝土面板施工期开裂的主要原因，并提出了相应改善措施；梁希林等[11]研究了高寒自然条件对接缝止水体系的影响，并结合试验数据提出了面板堆石坝接缝止水体系的改进措施；刘万新等[12]针对高寒地区面板堆石坝的变形特点，提出了增加面板顶部厚度、增大挤压缝宽度等改善控制变形的措施。以上文献大多是针对常态混凝土面板或高寒地区常态混凝土面板周边缝及垂直缝的变形性能进行研究分析，对纤维混凝土面板周边缝及垂直缝的研究相对较少。而面板及面板接缝的变形与面板混凝土材料等因素有关[13,14]，研究表明，在混凝土中掺入0.9 kg/m3的纤维素纤维可以降低83.7%的裂缝面积[15]，提升3.6%的混凝土抗压强度[16]，并可大幅提升抗冻及抗渗性能[15,17,18]。综上所述，加入纤维后面板的力学性能提高，对面板接缝性能有改善作用。本文基于纳子峡大坝纤维混凝土面板在服役期的接缝变形特征，分析了高寒、高海拔地区纤维混凝土面板接缝在温升、温降过程中的变形特性，揭示了纤维混凝土面板周边缝、垂直缝及水平缝在服役期的工作性能及变形规律，以期为纤维混凝土面板堆石坝的研究提供参考。

1 纤维混凝土面板接缝监测布置

1.1 工程概况

纳子峡水电站位于青海省东北部，距西宁市约186 km。纳子峡大坝为纤维混凝土面板砂砾石坝，属Ⅱ等大(2)型工程，坝顶高程为3 204.6 m，坝顶宽度10 m，坝顶长度416.01 m，最大坝高121.5 m，面板共分35块，单块面板最长可达209.95 m，现场情况如图1所示。坝体工程设防烈度为Ⅶ度，地处内陆寒冷气候区，年平均气温0.5 ℃，最大冻土深度2 m，昼夜温差较大。坝址两岸地形不对称，左岸山体相对较陡，右岸山体上陡下缓，整体岸坡呈左陡右缓的斜“U”字型。左岸坝肩岩体未有强风化带，右岸坝肩岩体强风化带厚度可达2～5 m。坝体自上游至下游的最大断面及材料分区[19]如图2所示。本工程中纤维采用上海罗洋新材料科技有限公司RS2000型纤维素纤维，纤维素纤维混凝土的相关参数及配合比如表1所示，其纤维材料性质如表2所示。

图1 纳子峡纤维混凝土面板堆石坝Fig.1 Pictures of Nazixia concrete face sandy gravel dam

图2 纳子峡面板堆石坝最大断面及材料分区图[19]Fig.2 Maximum section and material division of Nazixia CFRD[19]

表1 纤维素纤维混凝土参数
Tab.1 Parameters of cellulose fiber concrete

设计等级用水量/(kg/m3)砂率/%纤维/(kg/m3)塌落度/mm骨料级配外加剂/%C30125±534±20.935Ⅱ0.812

表2 纤维素纤维的材料性质Tab.2 Material properties of cellulose fibers

1.2 接缝监测点布置

纳子峡面板堆石坝主要采用两向测缝计(JM2)对面板垂直缝的开合度和相对沉陷变形进行监测，选取编号为JM22、JM25、JM227、JM229的4组监测点；面板周边缝的监测主要采用三向测缝计(JM3)，选取编号为JM32、JM35、JM38、JM310、JM311、JM312的6组监测点，用以测量张拉、沉陷及剪切变形。接缝测点布置及所选测点位置如图3所示。所选测点均为该面板测值中变化幅度及变形量最大的测点。

图3 面板接缝监测点布置图Fig.3 Layout of monitoring points for panel joints

2 面板接缝性能分析

纳子峡水电站于2009年9月开工，2011年3月截流，2012年11月填筑施工完成，2014年2月蓄水，2015年6月溢洪道泄水；2016年至2017年间，在震中距纳子峡水电站约40 km处，发生了两次不超过本工程抗震设防烈度的浅源地震。本文主要截选2014年至2017年间，纳子峡大坝面板垂直缝及周边缝的变形数据进行研究。

2.1 面板垂直缝工作性能分析

垂直缝两向位移数据中，最大张开量为9.893 mm，最大沉陷量为8.942 mm，均由JM229点测得；最大闭合量为9.178 mm，最大抬升量为10.454 mm，均由JM22点测得。同时，可以观察到，测点温测值在6、7月较高，进入2、3月份则处于零下状态，整体温测值在-12 ℃～+30 ℃范围内波动。综合各测点数据来看，面板垂直缝开合方向的数值及沉降方向的数值在蓄水初期振荡较大，当达到蓄水位后，数据波动趋于平稳。期间虽遭受严寒及震害影响 ，但无异常变化。

图4为位于第5、6块面板接缝处JM22测点的位移、温度变化曲线。在张合方向，该点主要呈压缩状态，最大压缩变化量为9.115 mm，测值在0.063 mm～9.178 mm范围内波动；最大张开变化量为2.011 mm，测值在2.013 mm～0.002 mm之间波动。同时，在沉降方向，该测点以抬升状态为主，最大抬升变化量为10.453 mm，测值在0.001 mm～10.454 mm范围内波动；最大下沉变化量为1.508 mm，测值在区间1.659 mm～0.151 mm范围内波动。在温测值方面，该测点温度在-14.131 ℃～+26.393 ℃范围内波动较大。在张合方向，最大温差可达40.62 ℃，在沉降方向，最大温差为40.52 ℃。由于测点JM25、JM227、JM229与JM22变化规律相似，故不再赘述，所选测点的垂直缝位移变化范围如图5所示，温度变化范围如图6所示。

图4 JM22测点位移、温度变化过程曲线Fig.4 JM22 measuring point displacement and temperature change curve

图5 垂直缝位移变化范围Fig.5 Displacement range of vertical joint

图6 垂直缝温度变化范围Fig.6 Temperature range of vertical joint

本文采用郦能惠[20]所推荐的考虑岸坡角度及坝高位移特征值的计算方法对垂直缝的位移变形进行研究。上述测点的垂直缝位移值及特征值如表3所示。位移特征值计算方法为：

(1)

式中：CDV为考虑坝高及坡角的面板垂直缝位移特征值；DV为周边缝张开方向的实测位移值；α为测点所处岸坡最陡岸坡坡角；H为大坝最大坝高[20]。另外，位移模量特征值计算方法为：

(2)

(3)

式中：O、S分别为垂直缝张开、沉降方向的实测位移；Ds为垂直缝位移的模；CDS为考虑坝高及岸坡坡角的垂直缝位移模量特征值。

表3中垂直缝的位移特征值与郦能惠[20]所统计的已建工程垂直缝位移特征值相比，均小于0.94的容许位移特征值。纤维混凝土面板垂直缝的实测闭合位移值为2.39 mm～9.18 mm，优于统计的常态混凝土面板堆石坝实测闭合位移值2.74 mm～11.5 mm；实测张开位移值为2.00 mm～9.89 mm，优于统计的常态混凝土面板堆石坝实测张开位移值2.0 mm～35 mm。其纤维混凝土面板垂直缝的张开平均极值位移特征值为0.34，优于常态混凝土面板堆石坝0.525的张开平均极值位移特征值。同时，由于地形的不对称性及基岩承载力的差异，两岸呈现出不同的位移趋势[3,6]。综合各测点数据可知，张性缝位于面板靠近右岸处，该区域以张开状态为主，在沉降方向表现出略微抬升的趋势，其余断面均为以压缩状态为主的压性缝，且呈现下沉状态。由图4曲线趋势可知，入夏后气温升高、库水位上升，面板受压增大产生压缩变形使数值呈闭合趋势；而入冬后气温及库水位降低，释放压缩变形量，造成测点呈张开趋势，但受浮冰消融后的轻微撞击及冻胀影响，虽然释放了部分压缩变形，但测值仍会产生区域性振荡。在沉降方向，入夏后由于混凝土温升的热胀特性，坝体产生轻微下沉；相反，入冬后由于气温骤降，坝基产生冻缩效应，同时，坝体材料冷缩效应使测点出现抬升趋势。同样，两向温测值也呈现出入夏测温增加、入冬测温下降的变化规律。

表3 垂直缝位移、温度统计表Tab.3 Statistical displacement and temperature of vertical joints

2.2 面板周边缝工作性能分析

周边缝三向变形数据中，最大张开量为9.80 mm，由JM38点测得，最大闭合量为2.53 mm，由JM312点测得。最大沉陷量为18.8 mm，由JM38点测得，最大抬升量为5.33 mm，由JM35点测得。最大正剪量为10.04 mm，由JM38点测得，最大反剪量为4.98 mm，由JM312点测得。在温测值方面，其数值变化规律与垂直缝温测值规律相似。综合来看，周边缝沉降方向、张开方向和剪切方向的变形在蓄水初期波动较大，当达到蓄水位后，周边缝各向变形量趋于稳定。

图7为位于左侧边坡靠河床区域JM35测点的位移、温度变化曲线。该测点在张合方向，呈张开状态，张开量在7.545 mm～0.998 mm之间，最大张开变化量为6.547 mm。该测点在沉降方向，呈季节性振荡规律，即夏季呈下沉状态，冬季以抬升状态为主，其下沉变化范围在5.179 mm～0.043 mm区间内，最大下沉变化量为5.136 mm；抬升量在0.023 mm～5.331 mm以内，最大抬升量为5.308 mm。该点在剪切方向，呈正剪变形状态，最大正剪变化量为5.634 mm，变化范围为8.997 mm～3.363 mm。该点各方向中，最大温差可达37 ℃，最高温测值为41 ℃，均发生在沉降方向，而其余两方向温测值较小，温差变化不大。由于测点JM32、JM38、JM310、JM311、JM312与JM35变化规律相似，故不再赘述，所选测点的垂直缝位移变化范围如图8所示，温度变化范围如图9所示。

同样，采用郦能惠[20]所荐方法对周边缝的位移变形进行研究。上述周边缝位移及相关特征值如表4所示，周边缝位移及相关特征值为：

(4)

(5)

图7 JM35测点位移、温度变化过程曲线Fig.7 JM35 measuring point displacement and temperature change curve

图8 周边缝位移变化范围 Fig.8 Displacement trend of peripheral joints

图9 周边缝温度变化范围Fig.9 Temperature range of peripheral joints

表4中周边缝位移特征值与郦能惠[20]所统计的已建面板坝的周边缝位移特征值相比，均小于0.20的容许位移特征值。纤维混凝土面板周边缝的实测开合位移值为0.97 mm～5.78 mm，优于统计的常态混凝土面板堆石坝实测的开合位移值71.8 mm～6.2 mm。纤维混凝土面板周边缝的实测沉降位移值为0.62 mm～18.8 mm，优于统计的常态混凝土面板堆石坝实测的沉降位移值10.8 mm～50.2 mm。纤维混凝土面板周边缝的实测剪切位移值为1.02 mm～10.04 mm，优于统计的常态混凝土面板堆石坝实测剪切位移值3.5 mm～58.6 mm。纤维混凝土面板周边缝的平均极值位移特征值为0.11，优于常态混凝土面板堆石坝0.15的平均极值位移特征值。同时，坝体高度、混凝土面板的弹性模量和砂砾石体的弹性模量差异及基岩承载力等都是影响周边缝变形的关键因素[3]。综合各测点数据可以看出，周边缝在张合方向，主要呈张开状态，其中最大张开量出现在河床段，最大闭合量出现在右侧边坡坝顶位置，且该区域周边缝开合度变化速率较高。在沉降方向，周边缝各个区域主要呈下沉状态，最大沉降量及最大沉降变化率均位于右侧边坡。在剪切方向，最大正剪变形量位于大坝中部河床周边缝区域，而最大反剪量及最大剪切变化率均监测于右岸边坡区域。综上所述，周边缝的三向变形随着上游水位增减而浮动，变形数据呈现出较为明显的周期性变化规律。

表4 周边缝位移、温度统计表Tab.4 Statistic of displacement and temperature of peripheral joints

3 结 论

1) 处于高寒、高海拔地区的纳子峡大坝纤维混凝土面板，在为期3年(2014年1月至2017年1月)的服役中性能稳定。通过对长期的监测数据分析，以及类比近似工程可知，纤维混凝土面板接缝位移变形受水库蓄水影响较大，且位移值不与水位成正比，反而出现上下起伏、波动的特点，这一特征对接缝的稳定性不利。在蓄水完成之后，稳定运行期内，接缝变形值随着库水位和温度波动呈现周期性变化规律。

2) 在所研究的服役期内(2014年1月至2017年1月)，垂直缝两向位移中，最大变形量为7 mm，最大温差值为16 ℃，周边缝最大变形量为16.44 mm，最大温差值为22 ℃。参考已建工程的监测数据，并结合可表征河谷地形、岸坡角度的特征值计算法可知，垂直缝开合度位移特征值处于区间[0.13，0.63]内，小于容许开合度位移特征值限值，而周边缝三向位移特征值处于区间[0.04，0.13]范围内，也小于容许周边缝位移特征值限值。因此，垂直缝及周边缝的变形均处于合理范围内。

3) 纳子峡大坝纤维混凝土面板的垂直缝及周边缝在高海拔、严寒等较为极端的自然条件下，不但位移变形值处于容许范围内，而且通过计算所得的位移特征值优于常态混凝土，表明纤维混凝土对高寒环境及冷热交替的环境具有较强的适应性。