高混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)分析

唐 沙

湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙 410007

混凝土面板堆石壩具有很強(qiáng)的地形地勢(shì)與地質(zhì)條件適應(yīng)力，同時(shí)具有操作方便、經(jīng)濟(jì)合理、安全有效等特點(diǎn)，所以將其作為壩型主要選擇具有明顯優(yōu)勢(shì)，其實(shí)際運(yùn)行與發(fā)展都取得了很好的成效。

1 工程概況

湖南某水利樞紐工程壩址上方控制流域總面積約3.0×103km2，年均徑流總量為1.208×109m3，實(shí)際庫(kù)容總量2.10×108m3，總裝機(jī)容量60MW，屬I(mǎi)I等工程。工程采用混凝土面板堆石壩，大壩頂部長(zhǎng)度為270m，設(shè)計(jì)壩頂高程為547.40m，壩高最大值為56.60m，上、下游壩坡分別為1∶1.4和1∶1.3。面板總厚在0.3～0.5m范圍內(nèi)，址板厚度為0.8m。壩體有以下四個(gè)分區(qū)：墊層區(qū)、過(guò)渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。周邊縫下游處布置墊層小區(qū)。壩址所在地區(qū)冬季嚴(yán)寒，晝夜溫差較大，有較長(zhǎng)的結(jié)冰期，孔隙水基本完全結(jié)冰，反復(fù)完成凍融循環(huán)，對(duì)于混凝土面板，除了要有充足的強(qiáng)度與防滲性能，止水帶、柔性材料和嵌縫材料也要滿足特殊要求，所以趾板和面板等重點(diǎn)部位的選材、設(shè)計(jì)和施工是保證本工程質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

2 壩體選材設(shè)計(jì)

2.1 面板原材料與性能指標(biāo)

因面板耐久性決定了它的使用壽命，而面板耐久性會(huì)受到眾多因素的影響，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)充分反映，所以選擇適宜的原材料，是確保耐久性，延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。本工程選用525#硅酸鹽水泥，外加劑含氣量在4%～6%范圍內(nèi)，水灰比按0.39～0.43的要求進(jìn)行控制，用水量為140～160kg/m3。選用這一原材料用量與性能指標(biāo)控制，能使面板性能指標(biāo)滿足二級(jí)配要求。

2.2 面板止水材料

混凝土面板接縫有伸縮縫與周邊縫兩大類。其中，周邊縫為面板與趾板之間的接縫；而伸縮縫則可分為以下四種：（1） 面板與防浪墻之間的接縫；（2） 面板和面板之間的接縫；（3） 趾板和趾板之間的接縫；（4） 防浪墻與防浪墻之間的接縫。在本工程壩址區(qū)以內(nèi)，年均氣溫12℃，但溫度變化幅度較大，所以對(duì)止水帶、柔性材料和嵌縫材料都有極高的要求，以嵌縫材料為例，其在高溫環(huán)境下不得流淌，在低溫環(huán)境下不得脆裂，最小變形率應(yīng)在40%以上，且具有良好的耐久性。本工程所用止水材料各項(xiàng)性能如表1所示。

表1 本工程所用止水材料各項(xiàng)性能

3 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 分區(qū)與壩料

根據(jù)壩料性質(zhì)與面板實(shí)際工作條件，面板下方分為四區(qū)，周邊縫下游處布置墊層小區(qū)。

（1） 墊層區(qū)。為面板提供穩(wěn)定基礎(chǔ)，并滿足滲透穩(wěn)定與透水準(zhǔn)則。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)選用耐久性良好且質(zhì)地堅(jiān)硬的石料，其粒徑應(yīng)控制在8cm以內(nèi)，粒徑小于0.5cm的石料含量應(yīng)處在25%～40%范圍內(nèi)，而粒徑在0.01cm以內(nèi)的含量不得超過(guò)5%。施工中充分結(jié)合過(guò)渡層料和墊層料的均勻鋪設(shè)與碾壓，這兩個(gè)分區(qū)的壩料應(yīng)同步進(jìn)行鋪筑與碾壓。這樣一來(lái)，不僅能使面板得到穩(wěn)定且均勻的支撐，而且還能有效節(jié)約成本。

（2） 主堆石區(qū)。該分區(qū)為大壩主體，石料各項(xiàng)性能決定大壩安危，所以不僅要質(zhì)地堅(jiān)硬，有良好級(jí)配，而且其粒徑應(yīng)控制在60cm以內(nèi)，粒徑小于0.5cm石料的實(shí)際含量不能超出20%，粒徑小于0.01cm石料的實(shí)際含量不能超出5%。次堆石區(qū)的作用在于使邊坡保持穩(wěn)定。下游堆石和主堆石之間產(chǎn)生的變形易使面板產(chǎn)生一定拉應(yīng)力，這是導(dǎo)致面板開(kāi)裂的主要原因，所以本工程設(shè)計(jì)將二者界限布置成從大壩軸線周圍不斷向下游處傾斜的坡體，其坡度為1∶0.5，同時(shí)采用巖性與料源均相同的材料，以減小模量。

考慮工程所在地區(qū)特殊氣候條件，本工程采用改善堆石壩結(jié)構(gòu)，確保上、下游不會(huì)產(chǎn)生太大的模量差，強(qiáng)化對(duì)堆石的碾壓，確定最有利的施工時(shí)間，避免在惡劣天氣條件下施工。由于墊層區(qū)可以滿足透水與滲透穩(wěn)定兩項(xiàng)準(zhǔn)則，所以壩體填筑質(zhì)量能得以有效保證。

3.2 面板、趾板與止水設(shè)計(jì)

從動(dòng)態(tài)觀測(cè)成果中可以看出，在水荷載等因素的長(zhǎng)時(shí)間作用下，面板必然大面積受壓，只在近岸邊以及壩身的頂部處于拉應(yīng)變的狀態(tài)。事實(shí)上，面板應(yīng)變?cè)诤艽蟪潭壬蠜Q定了堆石體發(fā)生的變形，而與厚度之間卻基本沒(méi)有聯(lián)系。該項(xiàng)目的面板采用連續(xù)變截面形式，其厚度在0.3～0.5m的范圍內(nèi)。

在面板間，僅設(shè)置了縱縫，未見(jiàn)水平縫，垂直縫和河谷中部之間的距離為12m，按6m要求控制兩岸的垂直縫間隔距離。面板中央設(shè)置雙向筋，根據(jù)實(shí)際情況增大鋼筋量。同時(shí)，選擇最佳時(shí)間進(jìn)行澆筑，以達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)趾板而言，它不僅是防滲體系一部分，而且還具有連接上下部分的重要作用，具有承上啟下的重要作用，按照平趾板的型式進(jìn)行布置，厚度為0.8m，對(duì)于趾板線，主要由其下游面和面板地面相交線進(jìn)行控制。趾板寬度的確定需要綜合考慮基巖、基礎(chǔ)處理方式與滲透比降，在4.0～6.0m內(nèi)進(jìn)行控制，按12m的間隔設(shè)置伸縮縫。為使基巖和趾板能夠良好連接，應(yīng)進(jìn)行錨固試驗(yàn)，同時(shí)參照以往經(jīng)驗(yàn)，合理設(shè)置錨筋，嵌巖深度為3.5m，按照1.2m2/根的要求布置錨筋。

對(duì)于周邊縫，它在承擔(dān)一定水壓力的同時(shí)還受三向變位作用，條件復(fù)雜，如果止水失效，將造成滲漏。堆石體的沉降會(huì)引起面板不同程度的變形，此時(shí)面板與趾板將產(chǎn)生相對(duì)較大的實(shí)際位置，是典型的薄弱部位。因此，周邊縫必須柔性連接，并采取三道止水措施，即在柔性填料的基礎(chǔ)上采用橡膠止水，再增加一道紫銅片止水。

對(duì)于河谷中部面板，應(yīng)在接縫底部采用一道紫銅片止水，在趾板接縫采用橡膠止水，處在岸坡上的面板之間的接縫、面板和防浪墻之間的接縫、兩防浪墻之間的接縫都設(shè)置兩道止水：第一道為柔性填料；第二道為紫銅止水[5]。

冬季水位變動(dòng)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一定程度的冰凍破壞。結(jié)冰后體積膨脹，致使止水體系和混凝土都因此破壞，一旦面板止水螺栓都直接裸露，則運(yùn)行一段時(shí)間后，將出現(xiàn)上拔，使面板上的止水體系遭到破壞。對(duì)于這一問(wèn)題，本工程對(duì)兩者聯(lián)結(jié)問(wèn)題予以了深入分析和改進(jìn)，止水體系改用平滑的表面，以防螺栓直接拔出，并保護(hù)止水體系。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究以及對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的參考，本工程在嚴(yán)格遵循傳統(tǒng)理念開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程所在地區(qū)特殊氣候條件，提出并采用一系列改進(jìn)方法，使大壩能良好適應(yīng)氣候變化。目前，大壩已運(yùn)行數(shù)日，經(jīng)參數(shù)觀測(cè)，實(shí)際運(yùn)行狀況良好，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)合理可行。

[1] 沈鳳生.混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)與實(shí)踐關(guān)鍵技術(shù)研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017（1）：1-6, 10.

[2] 冉毅碧.大沙壩水庫(kù)混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2015（4）：90-92.

[3] 伍廷陽(yáng).某混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì), 2015, 21（10）：57-58.

[4] 劉俊.淺談混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)[J].城市建筑, 2013（8）：235-236.

[5] 田艷.基于復(fù)形法的混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào), 2012, 23（2）：160-164.