官地水電站溢流壩段橫縫結構設計

劉 俠，袁 瓊，杜 軍， 謝紅英

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.四川水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072；3.準達巖土有限責任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

碾壓混凝土重力壩橫縫沿壩軸線方向布設永久沉降變形縫，將壩體分成若干個獨立的壩段，可保證各壩段伸縮及沉降變形不相互約束，適應地基不均勻變形和滿足混凝土澆筑能力及溫度控制要求等。橫縫的間距(即壩段寬度)一般為15～20m左右，主要取決于壩址地形地質條件、結構布置、溫度變化和施工能力等。永久性橫縫常做成豎直平面，不設鍵槽，縫內不灌漿，以使各壩段獨立工作，根據地基及溫度變化情況，一般在壩段間預留1～2cm的縫，縫內充填瀝青木板或土工編織布。

本文以官地水電站溢流壩段為工程背景，采用溫度變形定量分析結合工程類比等方式對溢流壩段之間的壩體分縫結構形式進行了探討。

2 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內，系雅礱江卡拉至江河口河段水電規劃五級開發方式的第三個梯級電站。上游與錦屏二級電站尾水銜接，下游接二灘電站。電站主要任務是發電，水庫正常蓄水位1 330.00m，死水位1 328.00m，總庫容7.6億m3，水庫回水長58km，裝機容量2 400MW。

官地大壩河床中10～15號共6個壩段為溢流壩段，共長131m，12號、13號壩段長度為21.5m，其余4個壩段長度均為長22m，溢流表孔為開敞式，閘墩順河流向長為51.8m，其中上游側外伸6m。溢流堰頂高程1 311.00m，壩頂高程1 334.00m，最低建基面1 166.00m，最大壩高168m，溢流壩最大底寬153.2m。

3 橫縫采用常規分縫形式存在的問題

官地溢流壩段如果按照圖1、圖2采用常規的橫縫結構形式，將存在以下問題：

(1)溢流壩段設置了表孔，橫縫位于溢流表孔流道中部，泄洪時由于流速很高(可達30～40m/s)，所以溢流壩面表面1m厚度采用抗沖耐磨混凝土C9050，如果在該區域內橫縫也采用2cm的瀝青木板，由于木板過流面上混凝土的強度及變形差別，而且木板耐久性差，在高速水流通過時容易引起分縫處木材的淘蝕，從而形成淘蝕的切入點。

(2)隨著縫間填充材料的逐漸淘蝕，脈動壓力可以通過縫間空隙浸入混凝土層面的薄弱區域，進一步造成混凝土氣蝕或順層掀翻破壞。

根據以上分析，為防止高速脈動水流作用下順永久沉降縫沖蝕破壞，有必要在滿足施工、沉降變形、溫控等前提下，對現在工程常用的分縫結構形式進行調整、優化。

4 溢流壩段橫縫結構設計探討

4.1 工程類比分析

圖1 分縫部位大樣

圖2 詳 圖

根據對已建工程三峽、光照、龍灘工程的了解，溢流壩段永久橫縫一般還是采用1～2cm縫寬，內填瀝青木板或土工編織布。對于靠近溢流表面區域，縫寬及縫面填料做了如下改進：

(1)光照水電站過溢流面止水外分縫未嵌填材料、縫面涂刷瀝青，涂刷瀝青未作厚度要求；

(2)三峽水電站溢流面止水外分縫未嵌填分縫材料。

(3)龍灘水電站溢流面止水外分縫采用嵌填5mm不銹鋼板。

4.2 壩段表面區域溫度變形量分析

4.2.1 壩段表面區域膨脹量分析

根據DL5108-1999《混凝土重力壩設計規范》，表層混凝土應力易分為：月平均氣溫年變化溫度應力、氣溫驟降溫度應力、水化熱溫度應力。

溫度變形量分析中，忽略基礎約束及混凝土應力松弛影響，直接計算表面混凝土基礎溫差引起的最大收縮變形量、年最大溫差引起的最大伸縮量。

基礎溫差引起的最大收縮采用年溫度變化從低溫到高溫引起的膨脹量，分析合理的縫寬要求：

ΔL=α·ΔT·L

式中α——混凝土熱膨脹系數；

μ——混凝土泊松比；

L——澆筑塊的長邊長度；

ΔT——澆筑塊的溫度變形長度。

ΔT=多年平均最高溫度T1-多年平均最低溫度T2；

多年平均最高溫度T1=23°；

多年平均最低溫度T2=11°；

澆筑塊的長邊長度取為153.2m；

α=0.000 08；

分別把上述參數帶入公式計算，結果見表1。

表1 壩段表面區域膨脹量計算結果

4.2.2 壩段表面區域收縮量分析

溢流壩結構經混凝土澆注、振搗、養護而成。混凝土在硬化過程中逐漸失水而干縮。由實驗室測得的非養護環境下混凝土干縮變形系數估算的混凝土最大干縮變形量：

ΔS=KL

式中k——混凝土的干縮率；

L——壩段長度。

根據官地水電站抗沖耐磨混凝土試驗，抗沖耐磨混凝土的自生體積變形均為收縮，90d齡期干縮率最低為350×10-4。

從而算得混凝土干縮變形為：ΔS=7.7mm，而實際現場較好養護環境下，實際干縮量可能小于該估算值。

4.3 混凝土沉降變形分析

圖3 分縫部位大樣

圖4 詳 圖

混凝土重力壩由于設置了橫縫，壩段穩定主要依靠單壩段自身穩定維持，壩段之間應滿足自由沉降變形條件。一旦某壩段沉降受相鄰壩段約束，則壩基面接觸應力可能會削弱進而減小基面抗滑穩定安全系數。官地溢流壩段高度相差很小，基礎為玄武巖堅硬地基，壩段不均勻變形差很小，橫縫絕大部分區域采用常規縫寬1～2cm，僅在靠近表面1.0m左右范圍基本取消縫寬，不會約束整個壩段沉降變形。

4.4 小 結

從混凝土溫度變形和干縮變形計算結果可以看出：溢流壩段即使在極端氣溫下澆注，其溫度變形僅有4.20mm，而干縮變形達到7.7mm，所以依靠自身干縮變形可以補充膨脹變形空間，即不會出現壩段之間擠壓隆起現象，壩體表面小范圍區域減小橫縫寬度。不會對壩段沉降變形構成約束影響。

5 結 論

根據官地水電站抗沖磨混凝土試驗，混凝土溫度90d齡期線脹系數為7.11～7.30×10-6/°C，按最高溫升30°考慮，則混凝土膨脹5mm左右。考慮到混凝土自身體積變形引起的收縮可部分補充膨脹變形空間，再結合其它工程經驗，溢流面抗沖混凝土表面縫寬減小到2～3mm是比較合適的，將溢流壩段分縫之間銅片止水外側的縫面處理為直接涂刷瀝青，瀝青涂刷厚度為1mm，表層銅片止水內側的縫面結構仍維持2cm縫寬，采用如圖3、圖4的橫縫結構形式，可極大地改善溢流面抗沖、抗氣蝕條件。