面板堆石坝面板挠度实测性态分析与研究

杜雪珍，张 猛，朱锦杰

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；

2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

混凝土面板是面板堆石坝坝体防渗的主体结构，是坝体与库水、大气的分隔层。面板的厚度一般是渐变的，面板在堆石体沉降变形及固结的影响下会产生挠度变形或脱空，当变形过大时会导致面板弯曲破坏甚至断裂。因此，为适应坝体变形，混凝土面板要有足够的柔性，并能承受一定的局部不均匀变形，有足够的强度和抗裂能力。

通过研究已建面板堆石坝的面板挠度运行性态，了解面板挠度量值的合理变化范围、变化规律及分布特点，可为运行期面板的安全运行提供有益指导。

2 监测方法

面板挠度一般通过埋设在面板内的固定式测斜仪（即电平器）、或活动式测斜仪或光纤光栅陀螺仪进行监测，但由于施工干扰和仪器性能不佳等因素影响，目前国内很多面板堆石坝挠度监测结果不甚理想。对于监测结果不理想、监测设施已损坏较多或无相应监测设施的情况，可根据埋设在垫层料附近的沉降仪和水平位移计，或面板上的表面位移测点的测值，用矢量迭加法推求面板挠度。

3 量值范围

统计国内已投运的、坝高100 m以上的10座面板堆石坝的面板挠度观测方法、实测值、设计计算值、垂直压缩模量、最大沉降、面板挠度与面板斜长之比，结果见表1。由表1可见：面板挠度为191~1 193 mm，除水布垭（1 193 mm）、天生桥一级（725 mm）外，其余均在500 mm以内，且大部分工程的挠度实测值接近或小于设计计算值；垂直压缩模量为50.9~135.2 MPa，H2/Erc为238~622；挠度与面板最大斜长之比为0.09%~0.3%。

表1 典型工程面板挠度变形汇总表Table 1 Statistics of deflection of face slabs of typicaldams

4 影响因素

面板挠度主要与坝高（H）、沉降量、压缩模量（Erc）有一定相关性，但也受其他因素影响。

面板挠度与坝高相关图见图1。由图1可见：面板挠度与坝高呈正比，坝高越高，面板挠度越大。

图1 实测最大面板挠度与坝高相关图Fig.1 Relationship between maximum measured deflection and dam height

面板挠度与H2/Erc相关图见图2。由图2可见：面板挠度与H2/Erc关系较为密切，H2/Erc较大的工程，其面板挠度也相对较大，这与工程界常规认识一致，即面板挠度与坝高（H）的平方呈正比，与堆石的压缩模量（Erc）呈反比。本次采纳的工程实测拟合面板挠度的估算公式为δ=1.43H2/Erc，这与《混凝土面板坝工程》（蒋国澄等著）中提到面板挠度δ估算公式δ=（1.1～1.6）H2/Erc相符。

图2 实测最大挠度与H2/Erc相关图Fig.2 Relationship between maximum measured deflection and H 2/Erc

面板挠度与大坝沉降量相关图见图3。由图3可见：面板挠度与大坝沉降量关系较为密切，沉降量较大的工程，其面板挠度也相对较大。本次采纳的工程实测拟合面板挠度的估算公式为δ=0.28Smax。《混凝土面板堆石坝》（曹克明等著）中提到的最大挠度δ可以用坝体施工期的最大沉降Smax表示，即可采用推荐公式δ=0.25Smax计算，两个估算公式较为接近，差值约10%。

图3 实测最大挠度与最大沉降相关图Fig.3 Relationship between maximum measured deflection and maximum settlement

5 变化规律及分布规律

堆石体受外部荷载和自身重量等影响，产生沉降、上下游方向和左右岸方向的变形，面板作为一个刚性体，随堆石体的变形而产生挠度变形。面板挠度随时间变化规律表现为：施工期及蓄水初期，坝体沉降等变形较大，面板挠度也较大，且大坝越高，挠度越大；运行期大坝变形主要受库水位影响，库水位上升，作用于面板的水压猛增，使面板产生较大的向下游变形，库水位下降，面板会产生一定的向上游方向的回弹变形，位于面板上部的测点变形较明显，呈现一定的波动性。运行期挠度变化量较施工期及蓄水初期要小。如贵州某大坝面板挠度采用电平器观测，典型测点过程线见图4。由图4可见，变形主要发生在1998年汛期和1999年汛期蓄水过程，在水压作用下，位于一期、二期面板测点向上游变形后回弹较三期面板测点小。

图4 贵州某大坝面板挠度过程线Fig.4 Deflection of the face slab of a dam in Guizhou province

面板挠度空间分布规律表现为：河床中间部位的挠曲变形相对较大，两岸相对较小，其分布曲线一般呈抛物线形或马鞍形，这与面板施工分期、预留沉降时间等有关。一般面板堆石坝在水压力的作用向下游位移，位移最大值一般出现在坝高的2/3附近，但面板最大挠度出现的部位并不固定，面板中部或顶部都有可能，位于顶部的一般与大坝运行期的堆石体固结有较大关系。

如浙江某水库大坝面板挠曲变形利用埋设在面板下垫层料内的水平垂直位移计或埋设在面板上的表面位移测点测值，用矢量迭加法估算。大坝面板分两期浇筑，面板挠度分布见图5。由图5可见：面板挠度受坝体填筑体变形影响，在运行初期增量较大，之后逐年递减，面板最大挠度发生在1/3坝高处。

图5 浙江某水库大坝面板挠度分布Fig.5 Distribution of deflection of the face slab of a dam in Zhe-jiang province

面板挠度分布呈抛物线形，下部（一期面板）变形较大，上部（二期面板）较小，变形总体较协调。

贵州某大坝面板挠度分布见图6。由图6可见，面板挠度分布曲线呈马鞍形，在面板4/7坝高处（近二期的中部）存在向下游极大值、5/6（近三期中部）坝高处存在向上游极大值。由于该大坝属高坝，堆石体本身自重作用产生沉降和固结，大坝沿上下游方向产生水平位移，在三期面板中部往上游位移较大，这与大坝中部总体变形模量较低有关。但上游面在水压作用下向下游位移，两者综合作用致使水下部分（一期、二期面板）向下游位移，向下游最大值出现在坝高的4/7，较接近一般堆石坝的2/3处，符合堆石坝位移的分布规律。水下部分面板的两侧位移，通常一期、二期面板变幅均不大，各条曲线粘在一起，三期面板测点变幅较大，呈较分散状况，并有向上游变化的趋势。

图6 贵州某工程典型挠度分布曲线Fig.6 Typicaldistribution of deflection of the face slab of a dam in Guizhou province

6 面板缺陷

从本次统计的工程面板现场检查情况看，面板堆石坝由于坝体不均匀沉降、上游水位变动、波浪淘刷、冻胀干裂、混凝土老化及地震等因素的影响，面板混凝土常见缺陷为裂缝、破损等轻微缺陷，没有发现弯曲、断裂等严重破损缺陷。

面板裂缝主要由温度变化和干缩引起，一般不会导致坝体防渗结构的破坏，但会因加速溶蚀、冻融、钢筋锈蚀等导致面板耐久性降低。面板破损包括挤压破损、脱空、隆起、塌陷等缺陷。如贵州某大坝在多次检查中，均发现大坝面板垂直缝两侧混凝土发生不同程度的局部挤压破损现象，面板垂直缝挤压破损较严重的主要是L3/L4、L8/L9等接缝，虽经多次修补，但效果一般，在堆石体变形未稳定前仍有可能再次发生挤压破坏。三期面板混凝土部分裂缝长度有所增长，且有新裂缝产生，上述缺陷尚不至于影响大坝运行安全，面板破损情况见图7。

图7 典型工程面板破损照片Fig.7 Damage of the face slab of a dam

7 结语

面板在堆石体沉降变形及固结的影响下会产生挠度变形，面板最大挠度一般为191~1 193 mm，挠度与面板斜长之比为0.09%~0.3%。挠度变形与大坝最大沉降关系密切，与坝高的平方呈正比，与堆石的压缩模量成反比。面板挠度分布曲线一般呈抛物线或马鞍形。面板发生弯曲破坏的可能性较小，其变形受坝体变形影响较大，因此控制好坝体变形是控制面板挠度变形的关键。