阿爾塔什混凝土面板砂礫石-堆石壩接縫止水設計

白 陽,常林果,馬成祥,李博佳

(1.新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發有限公司，新疆 喀什 844000)

近年來新疆水利工程建設迅猛發展，“百米級”面板堆石壩逐年增多，接縫止水是面板壩安全穩定運行的關鍵部位，良好的接縫止水系統，可以減少大壩滲流量，降低壩體浸潤線。以往中小水庫面板壩接縫止水依照經驗及半經驗進行設計，然而，針對一些超高混凝土面板堆石壩此類方法實有不妥，如紫坪鋪、天生橋一級、龍馬水庫、株樹橋、巴西(Barra Grandr)、墨西哥阿瓜密爾帕(Aguamilpa)等工程，因壩體不均勻沉降較大或遭遇強震后使得面板止水受到破壞導致壩體不同程度的漏水，對壩體安全運行造成了很大威脅，因此，面板壩接縫止水設計對大壩的安全運行至關重要。阿爾塔什水利樞紐工程為新疆三峽具有“三高一深”特點，結合本工程特點我院委托國內三家知名科研單位進行靜動力三維有限元計算，在得到各個工況下所有接縫最大變形量后，參考國內外同類型100～200m級高面板壩周邊縫設計、實測位移值，提出了適合本工程的接縫允許變形值和一套接縫止水設計成果，目前工程已蓄水并網發電接縫變形量均滿足設計要求。

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐作為新疆南疆葉爾羌河流域內最大的控制性工程。工程任務為防洪、灌溉、發電等。水庫總庫容22.49億m3，正常蓄水位1820m，電站裝機755MW。樞紐為大(1)型Ⅰ等工程，地震基本烈度為8度。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程為1825.80m，最大壩高164.8m，壩頂長度795.0m。本工程壩體標準剖面如圖1所示。

圖1 阿爾塔什混凝土面板堆石壩壩體橫剖面圖

2 接縫變形允許值設計

阿爾塔什水利樞紐工程混凝土面板堆石壩防滲體系由趾板、連接板、大壩上游混凝土面板、防浪墻等構成，這些防滲結構的接觸部位形成接縫。這些接縫分為下述幾種類型：趾板與面板之間的周邊縫。面板垂直縫由拉性縫與壓性縫組成。防浪墻底部與面板頂部之間的防浪墻水平縫。為了形成整體的防滲體系，所有接縫須按照不同接縫的特點設置相適應的止水。本工程面板分縫寬度：河床部位受壓區寬為12m(48塊)，岸坡部位受拉區面板寬6m(左岸11塊，右岸21塊)。在壩頂上游側設置“L”形鋼筋混凝土防浪墻與面板相接處設沉降縫，12m設置一條伸縮縫，縫內設止水。板間縫具體分布如圖2所示。

圖2 阿爾塔什混凝土面板堆石壩面板分縫示意圖

本工程砂礫石面板堆石壩三維有限元靜、動力計算委托大連理工大學、河海大學、中國水科院三家單位進行平行分析。混凝土面板分縫變形量計算成果見表1，本工程混凝土面板接縫位移允許變形量采用國內三家知名單位進行數值分析得到各個工況下接縫變形量，同時，列出國內外100～200m級高面板堆石壩接縫變形量見表1。表2得出本工程垂直縫最大張開量為40.2mm，順坡向最大錯動47mm，法向最大錯動30.2mm，周邊縫最大張開量為68.2mm，沿趾板走向錯動最大值31.7mm，沿法向錯動44.3mm。目前國內外100～200m級高面板壩周邊縫設計、實測位移值見表2，張開量最大值在60mm左右，沉陷最大值在100mm左右，剪切最大值在60mm左右，且實測值均不計算值小。因此，本工程接縫根據計算與國內外變形計算與實測值提出允許變形量2～3倍適合本工程接縫允許變形量。

表1 國內外100～200m級高面板壩周邊縫設計、實測位移值表

表2 混凝土面板分縫變形量計算成果表 單位：cm

3 面板分縫設計

3.1 周邊縫止水設計

由于面板與趾板分別位于碾壓堆石體和基巖兩種不同彈性模量的介質上，水庫蓄水后，存在張開、下沉、剪切三維位移，因此周邊縫設計為最主要的設計問題。為適應變形，參考已有工程和有關試驗選定周邊縫的寬度20mm。本工程周邊縫設置底部、中部、頂部3道止水，周邊縫采用瀝青松木板作為填縫材料，周邊縫止水結構如圖3所示。表層采用波形止水帶止水。表止水塑性填料考慮周邊縫張開最大位移為40mm，最大張開面積約為640cm2，考慮增加一定的富余量，塑性填料面積設計為1000cm2。表止水塑性填料復合蓋板的作用是保護其下塑性填料不被水擊穿，確保塑性填料流動止水作用，增大塑性填料流入接縫的量。采用三元已丙橡膠板厚度5mm，復合塑性止水板厚度3mm的復合蓋板，用60mm×6mm不銹鋼扁鋼壓條、M10mm×100mm噴鋅膨脹螺栓固定。復合三元已丙蓋板與混凝土面板及趾板接觸處涂SK底膠。底止水根據DL/T 5215—2005《水工建筑物止水帶技術規范》，設計剪切量取66mm，周邊縫的底止水采用F形1.2mm厚的復合銅止水，為加強止水銅片與混凝土的結合，止水銅片端頭立腿高度取130mm，立腿頂部為Φ33mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充；銅止水兩翼加復合厚6mm、寬100mm的GB止水板，增強銅止水抗繞滲能力。

圖3 面板壩周邊縫止水結構

3.2 垂直縫止水結構設計

大壩混凝土面板的垂直縫止水結構由張拉縫(A型縫)、壓縮縫(B型縫)。

3.2.1混凝土面板受拉區結構縫

拉性垂直縫最大剪切量為24mm，最大沉陷量為40mm，最大拉伸量為26mm。由于張開位移較大，止水結構采用與周邊縫相同的帶有波形止水帶的3層止水結構；塑性填料斷面面積設為設為700cm2。面板縫面涂刷瀝青乳膠。底止水采用W3型1.2mm厚的復合銅止水，止水銅片端頭立腿高度取105mm，立腿頂部為Φ20mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充；銅止水兩翼加單面復合厚6mm、寬100mm的GB止水條，A型垂直縫結構如圖4所示。

圖4 A型垂直縫結構

3.2.2面板受壓區垂直縫

壓性縫采用不設波形止水帶的止水結構，設置Φ60mm的PVC棒支撐體，塑性填料填料斷面面積設為200cm2。底止水結構與拉性縫底止水結構相同，B型垂直縫結構如圖5所示。

圖5 B型垂直縫結構

3.3 水平縫止水設計

防浪墻與面板接縫塑止水采用不設波形止水帶的止水結構，設置Φ60mm的PVC棒支撐體，塑性填料斷面面積設為500cm2。復合蓋板采用厚5mm三元已丙橡膠板及厚3mm復合塑性止水板的復合蓋板，用60mm×6mm不銹鋼扁鋼壓條、M10mm×100mm噴鋅膨脹螺栓固定。復合蓋板與連接板接觸處涂GB找平密封膠。連接板采用W形1.2mm厚的銅止水，銅止水兩翼加單面復合厚6mm、寬100mm的GB止水條；止水銅片端頭立腿高度105mm，立腿頂部為Φ20mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充，水平縫結構如圖6所示。

圖6 水平縫結構

3.4 連接板間縫止水設計

由于河床段為深厚砂卵礫石覆蓋層，為適應基礎薄弱部位的不均勻沉降，壩基采用混凝土防滲墻防滲，與混凝土趾板之間采用柔性連接板連接，連接板厚度1m。中間分縫位置與面板垂直縫連通，兩端通過永久縫與坐落于基巖上的連接墻相連。河床連接板板間連接縫最大剪切量為16mm，最大沉陷量為39.2mm，最大拉伸量為10.2mm。表止水塑性填料及復合蓋板塑性填料面積設計為700cm2。復合蓋板采用厚5mm三元已丙橡膠板及厚3mm復合塑性止水板的復合蓋板，用M18×80@250不銹鋼沉頭螺栓、不銹鋼扁鋼壓條60mm×6mm、頂部GB柔性嵌縫材料固定。復合蓋板與連接板接觸處涂GB找平密封膠，沉頭螺栓在連接板內的空隙采用GB密封膠填充。第二層采用波形止水帶止水，以下設置Φ80mm的PVC棒支撐體，上部設展開長度為160mm，厚12的波浪型止水帶，在波形止水帶兩翼平段下表面復合70mm×3mm的復合GB止水板，用60mm×6mm不銹鋼扁鋼壓條、M10mm×100mm噴鋅膨脹螺栓固定。底止水采用采用W形1.2mm厚的銅止水，銅止水兩翼加單面復合厚6mm、寬100mm的GB止水條；止水銅片端頭立腿高度105mm，立腿頂部為Φ20mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充，河床連接板間縫結構如圖7所示。

圖7 河床連接板間縫結構

3.5 水位變動區周邊縫及豎向縫止水設計

為減少水位變動區頂部止水遭冰拔力破壞，1776m以上高程垂直縫頂部止水蓋板與面板采用M18×80@250不銹鋼沉頭螺栓、不銹鋼扁鋼壓條60mm×6mm、頂部GB柔性嵌縫材料固定；復合蓋板與連接板接觸處涂GB找平密封膠，沉頭螺栓在連接板內的空隙采用GB密封膠填充。其余部位止水同其他垂直縫。銅止水立腿均刷瀝青漆一道，保證混凝土澆筑時與銅止水鼻子有效分離。

4 接縫變形監測成果分析

工程于2019年11月26日下閘蓄水，截止2021年8月12日，庫水位為1802.40m。受大壩蓄水水壓和大壩壩體沉降共同影響，一至三期面板整體撓度值29.9mm，一至三期面板整體撓度值較小。監測成果反映目前面板板間縫開合度在0.20～3.59mm之間，開合度總體較小。監測成果反映目前周邊縫最大開合度24.7mm遠遠小于設計階段所提100mm允許變形量要求，最大剪切變形42.9mm小于設計階段所提80mm允許變形量要求，最大相對沉降變形47.7mm小于設計階段所提100mm允許變形量要求。連接板接縫最大開合度26.6mm小于設計階段所提100mm允許變形量要求、最大剪切變形12.6mm小于設計階段所提80mm允許變形量要求、最大相對沉降變形31.0mm小于設計階段所提100mm允許變形量要求。周邊縫受上部蓋重施工影響，有個別測點目前變形量較大，連接板接縫受蓋重施工影響目前整體變形較小。

5 結語

(1)針對阿爾塔什地處高地震區、河床覆蓋層深的特點，為適應河床部位的不均勻沉降，壩基混凝土防滲墻與趾板之間采用柔性連接板連接，單獨設計其板間縫止水，在防滲墻、連接板和趾板表層鋪設復合土工膜，提高河床段防滲體系的防滲及抗震性能。

(2)針對面板受力區域不同其接縫特點也不同，兼顧考慮水位變動區的影響，將受拉區和受壓區面板垂直縫止水區別設計，并在水位變動區調整復合三元已丙蓋板與面板的固定形式，用以減少止水遭冰拔力破壞。

(3)根據已建工程實例，在周邊縫和受壓縫內嵌填瀝青松木板。由于瀝青松木板富有彈性并具有一定抗壓縮能力，面板接縫能更有效的吸收了面板擠壓產生的變形，避免了面板因擠壓破壞，造成面板裂縫。

2019年11月26日大壩蓄水后，根據監測資料可知大壩周邊縫、連接板接縫受蓄水影響的變形較小，且均為超出設計允許值，表明本工程接縫止水設計能夠滿足工程安全運行需求。依此，為今后同類型超高面板壩接縫止水設計提供借鑒。