納子峽纖維混凝土面板壩服役期接縫變形特性分析

王玉龍，覃 源，王迎春，劉海敏

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗，陜西 西安 710048；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.國家電投集團青海黃河電力技術有限責任公司，青海 西寧 810016)

混凝土面板堆石壩(CFRD)是一種重要的水工壩型，其混凝土面板是大壩最重要的防滲體之一，但由于目前施工中采用分塊澆筑的施工形式，致使面板不可避免地存在“接縫”[1]。通常接縫主要分為周邊縫及面板間的垂直縫與水平縫。接縫在服役過程中，不但需要承擔較大的多向變形，同時還需協調壩體與面板之間的不均勻位移[1-3]。資料表明，歷史上出現的較嚴重的面板壩潰壩及漏水事故中，30%以上是由面板接縫損壞所致[3-6]。因此，周邊縫、面板間的垂直縫與水平縫是整個面板壩中較薄弱、變形大且復雜的結構，對于壩體安全來說至關重要[6]。研究發現，周邊縫及面板間的垂直縫與水平縫會隨氣候、季節、庫水位等各種因素的變化而發生位移變形，所以在施工和運行期都需要重點關注[6,7]。

程展林等[7]針對水布埡面板堆石壩的壩體及面板變形進行了分析；金建峰等[8]針對閑林水庫面板堆石壩在蓄水初期的壩體及面板性能進行了分析；呂高峰等[9]對某面板壩周邊縫及三向測縫計測值異常進行了分析并提出改進建議；何鮮峰等[10]結合原位監測數據及計算分析得出了常態混凝土面板施工期開裂的主要原因，并提出了相應改善措施；梁希林等[11]研究了高寒自然條件對接縫止水體系的影響，并結合試驗數據提出了面板堆石壩接縫止水體系的改進措施；劉萬新等[12]針對高寒地區面板堆石壩的變形特點，提出了增加面板頂部厚度、增大擠壓縫寬度等改善控制變形的措施。以上文獻大多是針對常態混凝土面板或高寒地區常態混凝土面板周邊縫及垂直縫的變形性能進行研究分析，對纖維混凝土面板周邊縫及垂直縫的研究相對較少。而面板及面板接縫的變形與面板混凝土材料等因素有關[13,14]，研究表明，在混凝土中摻入0.9 kg/m3的纖維素纖維可以降低83.7%的裂縫面積[15]，提升3.6%的混凝土抗壓強度[16]，并可大幅提升抗凍及抗滲性能[15,17,18]。綜上所述，加入纖維后面板的力學性能提高，對面板接縫性能有改善作用。本文基于納子峽大壩纖維混凝土面板在服役期的接縫變形特征，分析了高寒、高海拔地區纖維混凝土面板接縫在溫升、溫降過程中的變形特性，揭示了纖維混凝土面板周邊縫、垂直縫及水平縫在服役期的工作性能及變形規律，以期為纖維混凝土面板堆石壩的研究提供參考。

1 纖維混凝土面板接縫監測布置

1.1 工程概況

納子峽水電站位于青海省東北部，距西寧市約186 km。納子峽大壩為纖維混凝土面板砂礫石壩，屬Ⅱ等大(2)型工程，壩頂高程為3 204.6 m，壩頂寬度10 m，壩頂長度416.01 m，最大壩高121.5 m，面板共分35塊，單塊面板最長可達209.95 m，現場情況如圖1所示。壩體工程設防烈度為Ⅶ度，地處內陸寒冷氣候區，年平均氣溫0.5 ℃，最大凍土深度2 m，晝夜溫差較大。壩址兩岸地形不對稱，左岸山體相對較陡，右岸山體上陡下緩，整體岸坡呈左陡右緩的斜“U”字型。左岸壩肩巖體未有強風化帶，右岸壩肩巖體強風化帶厚度可達2～5 m。壩體自上游至下游的最大斷面及材料分區[19]如圖2所示。本工程中纖維采用上海羅洋新材料科技有限公司RS2000型纖維素纖維，纖維素纖維混凝土的相關參數及配合比如表1所示，其纖維材料性質如表2所示。

圖1 納子峽纖維混凝土面板堆石壩Fig.1 Pictures of Nazixia concrete face sandy gravel dam

圖2 納子峽面板堆石壩最大斷面及材料分區圖[19]Fig.2 Maximum section and material division of Nazixia CFRD[19]

表1 纖維素纖維混凝土參數
Tab.1 Parameters of cellulose fiber concrete

設計等級用水量/(kg/m3)砂率/%纖維/(kg/m3)塌落度/mm骨料級配外加劑/%C30125±534±20.935Ⅱ0.812

表2 纖維素纖維的材料性質Tab.2 Material properties of cellulose fibers

1.2 接縫監測點布置

納子峽面板堆石壩主要采用兩向測縫計(JM2)對面板垂直縫的開合度和相對沉陷變形進行監測，選取編號為JM22、JM25、JM227、JM229的4組監測點；面板周邊縫的監測主要采用三向測縫計(JM3)，選取編號為JM32、JM35、JM38、JM310、JM311、JM312的6組監測點，用以測量張拉、沉陷及剪切變形。接縫測點布置及所選測點位置如圖3所示。所選測點均為該面板測值中變化幅度及變形量最大的測點。

圖3 面板接縫監測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for panel joints

2 面板接縫性能分析

納子峽水電站于2009年9月開工，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年間，在震中距納子峽水電站約40 km處，發生了兩次不超過本工程抗震設防烈度的淺源地震。本文主要截選2014年至2017年間，納子峽大壩面板垂直縫及周邊縫的變形數據進行研究。

2.1 面板垂直縫工作性能分析

垂直縫兩向位移數據中，最大張開量為9.893 mm，最大沉陷量為8.942 mm，均由JM229點測得；最大閉合量為9.178 mm，最大抬升量為10.454 mm，均由JM22點測得。同時，可以觀察到，測點溫測值在6、7月較高，進入2、3月份則處于零下狀態，整體溫測值在-12 ℃～+30 ℃范圍內波動。綜合各測點數據來看，面板垂直縫開合方向的數值及沉降方向的數值在蓄水初期振蕩較大，當達到蓄水位后，數據波動趨于平穩。期間雖遭受嚴寒及震害影響 ，但無異常變化。

圖4為位于第5、6塊面板接縫處JM22測點的位移、溫度變化曲線。在張合方向，該點主要呈壓縮狀態，最大壓縮變化量為9.115 mm，測值在0.063 mm～9.178 mm范圍內波動；最大張開變化量為2.011 mm，測值在2.013 mm～0.002 mm之間波動。同時，在沉降方向，該測點以抬升狀態為主，最大抬升變化量為10.453 mm，測值在0.001 mm～10.454 mm范圍內波動；最大下沉變化量為1.508 mm，測值在區間1.659 mm～0.151 mm范圍內波動。在溫測值方面，該測點溫度在-14.131 ℃～+26.393 ℃范圍內波動較大。在張合方向，最大溫差可達40.62 ℃，在沉降方向，最大溫差為40.52 ℃。由于測點JM25、JM227、JM229與JM22變化規律相似，故不再贅述，所選測點的垂直縫位移變化范圍如圖5所示，溫度變化范圍如圖6所示。

圖4 JM22測點位移、溫度變化過程曲線Fig.4 JM22 measuring point displacement and temperature change curve

圖5 垂直縫位移變化范圍Fig.5 Displacement range of vertical joint

圖6 垂直縫溫度變化范圍Fig.6 Temperature range of vertical joint

本文采用酈能惠[20]所推薦的考慮岸坡角度及壩高位移特征值的計算方法對垂直縫的位移變形進行研究。上述測點的垂直縫位移值及特征值如表3所示。位移特征值計算方法為：

(1)

式中：CDV為考慮壩高及坡角的面板垂直縫位移特征值；DV為周邊縫張開方向的實測位移值；α為測點所處岸坡最陡岸坡坡角；H為大壩最大壩高[20]。另外，位移模量特征值計算方法為：

(2)

(3)

式中：O、S分別為垂直縫張開、沉降方向的實測位移；Ds為垂直縫位移的模；CDS為考慮壩高及岸坡坡角的垂直縫位移模量特征值。

表3中垂直縫的位移特征值與酈能惠[20]所統計的已建工程垂直縫位移特征值相比，均小于0.94的容許位移特征值。纖維混凝土面板垂直縫的實測閉合位移值為2.39 mm～9.18 mm，優于統計的常態混凝土面板堆石壩實測閉合位移值2.74 mm～11.5 mm；實測張開位移值為2.00 mm～9.89 mm，優于統計的常態混凝土面板堆石壩實測張開位移值2.0 mm～35 mm。其纖維混凝土面板垂直縫的張開平均極值位移特征值為0.34，優于常態混凝土面板堆石壩0.525的張開平均極值位移特征值。同時，由于地形的不對稱性及基巖承載力的差異，兩岸呈現出不同的位移趨勢[3,6]。綜合各測點數據可知，張性縫位于面板靠近右岸處，該區域以張開狀態為主，在沉降方向表現出略微抬升的趨勢，其余斷面均為以壓縮狀態為主的壓性縫，且呈現下沉狀態。由圖4曲線趨勢可知，入夏后氣溫升高、庫水位上升，面板受壓增大產生壓縮變形使數值呈閉合趨勢；而入冬后氣溫及庫水位降低，釋放壓縮變形量，造成測點呈張開趨勢，但受浮冰消融后的輕微撞擊及凍脹影響，雖然釋放了部分壓縮變形，但測值仍會產生區域性振蕩。在沉降方向，入夏后由于混凝土溫升的熱脹特性，壩體產生輕微下沉；相反，入冬后由于氣溫驟降，壩基產生凍縮效應，同時，壩體材料冷縮效應使測點出現抬升趨勢。同樣，兩向溫測值也呈現出入夏測溫增加、入冬測溫下降的變化規律。

表3 垂直縫位移、溫度統計表Tab.3 Statistical displacement and temperature of vertical joints

2.2 面板周邊縫工作性能分析

周邊縫三向變形數據中，最大張開量為9.80 mm，由JM38點測得，最大閉合量為2.53 mm，由JM312點測得。最大沉陷量為18.8 mm，由JM38點測得，最大抬升量為5.33 mm，由JM35點測得。最大正剪量為10.04 mm，由JM38點測得，最大反剪量為4.98 mm，由JM312點測得。在溫測值方面，其數值變化規律與垂直縫溫測值規律相似。綜合來看，周邊縫沉降方向、張開方向和剪切方向的變形在蓄水初期波動較大，當達到蓄水位后，周邊縫各向變形量趨于穩定。

圖7為位于左側邊坡靠河床區域JM35測點的位移、溫度變化曲線。該測點在張合方向，呈張開狀態，張開量在7.545 mm～0.998 mm之間，最大張開變化量為6.547 mm。該測點在沉降方向，呈季節性振蕩規律，即夏季呈下沉狀態，冬季以抬升狀態為主，其下沉變化范圍在5.179 mm～0.043 mm區間內，最大下沉變化量為5.136 mm；抬升量在0.023 mm～5.331 mm以內，最大抬升量為5.308 mm。該點在剪切方向，呈正剪變形狀態，最大正剪變化量為5.634 mm，變化范圍為8.997 mm～3.363 mm。該點各方向中，最大溫差可達37 ℃，最高溫測值為41 ℃，均發生在沉降方向，而其余兩方向溫測值較小，溫差變化不大。由于測點JM32、JM38、JM310、JM311、JM312與JM35變化規律相似，故不再贅述，所選測點的垂直縫位移變化范圍如圖8所示，溫度變化范圍如圖9所示。

同樣，采用酈能惠[20]所薦方法對周邊縫的位移變形進行研究。上述周邊縫位移及相關特征值如表4所示，周邊縫位移及相關特征值為：

(4)

(5)

圖7 JM35測點位移、溫度變化過程曲線Fig.7 JM35 measuring point displacement and temperature change curve

圖8 周邊縫位移變化范圍 Fig.8 Displacement trend of peripheral joints

圖9 周邊縫溫度變化范圍Fig.9 Temperature range of peripheral joints

表4中周邊縫位移特征值與酈能惠[20]所統計的已建面板壩的周邊縫位移特征值相比，均小于0.20的容許位移特征值。纖維混凝土面板周邊縫的實測開合位移值為0.97 mm～5.78 mm，優于統計的常態混凝土面板堆石壩實測的開合位移值71.8 mm～6.2 mm。纖維混凝土面板周邊縫的實測沉降位移值為0.62 mm～18.8 mm，優于統計的常態混凝土面板堆石壩實測的沉降位移值10.8 mm～50.2 mm。纖維混凝土面板周邊縫的實測剪切位移值為1.02 mm～10.04 mm，優于統計的常態混凝土面板堆石壩實測剪切位移值3.5 mm～58.6 mm。纖維混凝土面板周邊縫的平均極值位移特征值為0.11，優于常態混凝土面板堆石壩0.15的平均極值位移特征值。同時，壩體高度、混凝土面板的彈性模量和砂礫石體的彈性模量差異及基巖承載力等都是影響周邊縫變形的關鍵因素[3]。綜合各測點數據可以看出，周邊縫在張合方向，主要呈張開狀態，其中最大張開量出現在河床段，最大閉合量出現在右側邊坡壩頂位置，且該區域周邊縫開合度變化速率較高。在沉降方向，周邊縫各個區域主要呈下沉狀態，最大沉降量及最大沉降變化率均位于右側邊坡。在剪切方向，最大正剪變形量位于大壩中部河床周邊縫區域，而最大反剪量及最大剪切變化率均監測于右岸邊坡區域。綜上所述，周邊縫的三向變形隨著上游水位增減而浮動，變形數據呈現出較為明顯的周期性變化規律。

表4 周邊縫位移、溫度統計表Tab.4 Statistic of displacement and temperature of peripheral joints

3 結 論

1) 處于高寒、高海拔地區的納子峽大壩纖維混凝土面板，在為期3年(2014年1月至2017年1月)的服役中性能穩定。通過對長期的監測數據分析，以及類比近似工程可知，纖維混凝土面板接縫位移變形受水庫蓄水影響較大，且位移值不與水位成正比，反而出現上下起伏、波動的特點，這一特征對接縫的穩定性不利。在蓄水完成之后，穩定運行期內，接縫變形值隨著庫水位和溫度波動呈現周期性變化規律。

2) 在所研究的服役期內(2014年1月至2017年1月)，垂直縫兩向位移中，最大變形量為7 mm，最大溫差值為16 ℃，周邊縫最大變形量為16.44 mm，最大溫差值為22 ℃。參考已建工程的監測數據，并結合可表征河谷地形、岸坡角度的特征值計算法可知，垂直縫開合度位移特征值處于區間[0.13，0.63]內，小于容許開合度位移特征值限值，而周邊縫三向位移特征值處于區間[0.04，0.13]范圍內，也小于容許周邊縫位移特征值限值。因此，垂直縫及周邊縫的變形均處于合理范圍內。

3) 納子峽大壩纖維混凝土面板的垂直縫及周邊縫在高海拔、嚴寒等較為極端的自然條件下，不但位移變形值處于容許范圍內，而且通過計算所得的位移特征值優于常態混凝土，表明纖維混凝土對高寒環境及冷熱交替的環境具有較強的適應性。