混凝土面板堆石壩結構設計技術研究

伍學殊　尹曉冰

摘 要：該文基于作者多年從事水利工程施工與設計的相關工作經驗，以水利樞紐工程大壩結構設計為研究對象，首先分析了設計的需求，進而詳細探討了結構設計，最后給出了運行監測結果，全文是作者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：水利 樞紐 工程 混凝土面板 堆石壩 設計

中圖分類號：TV641 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0058-02

混凝土面板堆石壩對地形和地質條件都有較強的適應能力，并且施工方便、投資省、工期短、運行安全、抗震性好，因而其作為壩型選擇具有很大的優勢，面板堆石壩的發展也隨之取得了很大的成功。據統計，截至2006年，全世界建成在建及設計中，壩高超過50m的面板堆石壩共計約390座。自1985年開始，中國利用現代技術修建混凝土面板堆石壩雖只有20多年，但數量、規模和技術等方面均處于世界前列，總數已超過40%。這些壩為面板堆石壩在抗凍、抗裂等方面的技術，為面板堆石壩的發展提供了非常寶貴的經驗。

1 工程簡介

某水利樞紐工程位于湖北某干流上，壩址以上流域面積2970km2，多年平均年徑流量12.08億m3，總庫容為2.105億m3，電站裝機為60MW，工程等別為Ⅱ等。

樞紐工程由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、發電引水系統及電站廠房等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長270m，壩頂高程547.40m，防浪墻頂高程548.40m，壩頂寬6m，最大壩高56.60m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5m，址板厚0.8m。

壩體分為墊層區、過渡層區、主堆石區、次堆石區，在周邊縫下游部位設有特殊的墊層小區，如圖1所示。

該壩址日內溫差大，孔隙水結冰充分，凍融循環次數多，面板不僅要有足夠的強度和防滲性、耐久性、抗凍性等，柔性及嵌縫材料、橡膠止水帶等也必須有較高的特殊要求，因此面板、趾板等關鍵部位的材料選擇、結構設計與施工是該工程的重要環節。

2 壩體設計選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標

由于面板混凝土的耐久性直接決定面板的壽命，而耐久性又受日曬、風吹、雨淋、沖刷抗凍融及碳化、疲勞、溶蝕、各種有害離子的化學反應、鋼筋銹蝕膨脹等各種內、外因素影響，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期內能反映出來，因此合理選擇混凝土原材料，是保證其耐久性正常發揮、增加面板壽命的主要措施。

由表1知，該工程混凝土材料參數選擇均比較嚴格。在增加混凝土強度的同時，提高其抗滲抗凍標號，保證其具有一定的含氣量，以滿足抗凍要求。與同期一般工程相比，該工程通過試驗，對混凝土水泥材料強度、水灰比等原材料指標進行了選擇與調整，結果如表1所示。利用上述材料的用量及指標控制，保證了施工后的面板混凝土性能指標均達到二級配R250S8D250的要求，這一要求與其后頒布的新規范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系統材料

面板接縫主要分為周邊縫、伸縮縫兩類。周邊縫是趾板和面板間接縫。伸縮縫可分為防浪墻和面板間接縫，面板之間接縫（分受拉縫和受壓縫），趾板之間接縫和防浪墻之間接縫。該工程壩址區，多年平均氣溫2.2℃，最低氣溫-42.6℃，最高氣溫34.4℃，溫度變幅大，因此工程設計中對柔性嵌縫材料、橡膠止水帶等提出了較高要求，如要求柔性嵌縫材料高溫60℃時不流淌，低溫-45℃時不脆裂，變形率>40%，耐久性好，滲透系數3 結構設計

3.1 壩體分區及壩料設計

根據該工程各種筑壩材料的性質和面板壩的工作條件，混凝土面板以下壩體分為墊層區、過渡層區、主堆石區、次堆石區，在周邊縫下游部位設有特殊的墊層小區。墊層區主要為混凝土面板提供一個均勻、穩定的低壓縮性基礎，同時滿足滲透穩定準則及嚴寒地區墊層料透水準則。設計要求選用質地新鮮，堅硬且具有較好耐久性的石料經過加工而成，最大粒徑≥8cm，<0.5cm的含量為25%～40%，<0.01cm的含量≤5%，連續級配料，Cu>20，滲透系數K=i×10-3cm/s。施工中將墊層料與過渡層料鋪筑和碾壓結合，倆區壩料同步填筑碾壓。既達到了面板有均勻、穩定的支撐，又達到了節約用料降低造價的目的。

主堆石區為壩的主體，其石料的質量、密度、沉降量的大小直接關系到面板大壩的安危，設計要求該料石質堅硬、級配良好，最大粒徑≤60cm，<0.5 cm的含量≥20%， <0.01 cm的含量≤5%，連續級配料，Cu>15，次堆石區主要用于保護主堆石體及其自身邊坡的穩定。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設計

大多數觀測資料表明，在水荷載作用下，面板的大部分區域受壓，僅在壩頂和近岸邊處有拉應變。面板應變和堆石體變形特性密切相關，與其厚度關系不大。該工程的混凝土面板厚度采用連續變截面形式，最大厚度為0.5m，最小厚度為0.3 m。面板間伸縮縫只設縱縫，不設永久水平縫，面板垂直縫間距河谷中部為12 m，兩岸垂直縫間距為6m，面板最大板塊斜長91.05 m。在面板中部設單層雙向鋼筋，適當增加面板鋼筋含量（每向配筋率0.4%）。并選擇面板混凝土的有利澆筑時機，避免混凝土早凍。

趾板是以灌漿帷幕為主的地下防滲體系與地上防滲結構的連接部位，是一個承上啟下的防滲結構。采用平趾板型式布置，板厚0.8m。趾板線由面板底面與趾板下游面的交線控制。本工程趾板寬度依據基巖風化、破碎情況，允許滲透比降和基礎處理措施綜合確定，趾板最大寬度6.0m，最小寬度4.0m，趾板每12 m設一道伸縮縫。為保證趾板與基巖的可靠連接，通過錨桿錨固試驗，并參照已建工程經驗，在趾板內設置φ28錨筋，插入巖石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

4 主要運行監測結果

4.1 壩體沉降

大壩的沉降監測分兩個高程、五個測點進行。監測發現：大壩的沉降量隨大壩填筑高度增加而增大，符合一般規律。當大壩填筑到頂后，各測點沉降量增加很少，蓄水后各測點沉降量也沒有明顯增加，即大壩后期沉降不會很大。竣工期最大沉降點在壩軸線處，最大沉降值為20.2cm，占壩高（56.6m）的0.38%，蓄水期最大沉降值為25.2cm，占壩高（56.6m）的0.47%，在國內同類工程中屬偏小。

4.2 壩體水平位移

通過各高程處引張線水平位移計對壩體水平位移進行監測，監測發現：測點水平位移變化有規律，施工期的位移量總體上向上游移動，蓄水后位移方向指向下游，且水平位移均不大，多年后總體趨于穩定。

4.3 面板周邊縫位移及滲流監測

利用7個測點對周邊縫的沉降、剪切及開合度過程線進行測量，測量發現該工程混凝土面板周邊縫的變形較小，即周邊縫止水破壞的可能性較小。

滲漏監測發現，滲漏量為13.9×10-3 m3/s，年滲水量為44萬m3，小于設計滲漏量。

5 結語

經過大量的試驗研究及參考已有工程經驗，該混凝土面板堆石壩在遵循傳統理念進行設計的同時，也結合氣候特點采取了一些相應的改進措施，保證了大壩能較好的適應極端氣候運行的要求。水庫蓄水后經歷了幾個嚴冬，通過大壩的沉降、位移、滲流量等參數監測分析發現，大壩的總體運行狀況良好。

參考文獻

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