混凝土面板坝趾板建在深厚覆盖层上的技术研究

郑奕芳，金 伟

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

1 概述

钢筋混凝土面板堆石坝作为一种新兴的土石坝坝型，可以减小坝体断面，节省工程投资，缩短工期，简化施工导流，近年来在我国得到广泛运用。目前，已建和在建的面板坝数量超过100座，最大坝高已达233 m。但是国内外绝大多数面板坝的趾板建在基岩上，国内直接将趾板建在覆盖层上的面板坝只有11座，都是一些中低坝。表1为目前国内外一些己、在建的趾板建造在深厚覆盖层上面板堆石坝介绍。

随着水电建设的快速发展，新型大功率碾压设备的采用和基础处理技术的进步，对深厚覆盖层不需开挖至基岩面，而直接将趾板建在覆盖层上的高面板坝方案逐渐成为具有优势的坝型比较方案。

建造在深覆盖层上的混凝土面板堆石坝，由于覆盖层会产生较大的沉降值和不均匀沉降差，所以存在防渗结构复杂、防渗可靠性差、基础防渗墙与趾板（趾墙）连接处易破坏等问题，面板也会因变形过大产生拉裂缝。因此，最关键技术是确保大坝防渗体系在变形与强度方面控制在设计容许范围内。

国内在铜街子和横山面板堆石坝工程中开始研究覆盖层面板坝，并采用了一些行之有效的措施。铜街子副坝采用高齿墙下承重混凝土防渗墙和振冲加固的措施，减小左岸深槽细砂层造成的不均匀沉降，在周边缝设有土工织物、止水铜片、PVC盖板、塑性填料等止水设施；还有的面板坝设计时采用塑性墙减小基础覆盖层变形的影响，并在周边缝设有柔性止水材料和粘土铺盖等止水设施。

表1 趾板建造在深厚覆盖层上的面板堆石坝

近几年，随着在深厚覆盖层上修建混凝土面板坝的不断出现，像梅溪面板坝、那兰面板坝、察汗乌苏面板坝工程都进行了一些有限元计算分析和试验，总结了在深覆盖层上修建混凝土面板堆石坝的筑坝技术，并应用于工程实践中。

趾板建在覆盖层上的面板坝需要解决的主要技术问题分为以下几个方面：覆盖层地基处理、混凝土防渗墙与趾板连接、面板坝接缝止水以及施工程序等。

2 覆盖层地基处理研究

覆盖层特性对坝体和防渗墙应力变形性状的影响较大。覆盖层的刚度与防渗墙混凝土的刚度越接近，其变形协调性越好，防渗墙的应力状态越好。

设计时首先应通过勘探和室内外试验，查明大坝基础覆盖层分布情况、物理力学性质，分析承载力和变形特性、渗透稳定性，提供有限元计算参数，为基础处理设计提供可靠的依据。

与覆盖层帷幕灌浆、高压旋喷等基础处理措施相比，混凝土防渗墙能够适应各种地层的变形能力，渗透稳定性好，渗流量少。从施工技术上讲，有相对成熟的施工经验和施工方法，目前国内混凝土防渗墙已经向90～110 m深迈进，施工质量有足够的保证，混凝土防渗墙已经成为该坝型基础处理方案的重要手段。由于改善应力状态的需要，在耐久性有保证前提下，防渗墙墙体材料可采用低弹性模量的塑性混凝土。

3 混凝土防渗墙与趾板连接结构研究

防渗墙、趾板与坝体在自重和水压力等荷载作用下，它们的变形和应力有相当大的差别。目前工程中多采取分段趾板，即设置连接板连接防渗墙顶部和趾板，达到用缝来吸收防渗墙和趾板间的沉降差，协调两类结构物的变形，改善防渗体系的应力变形性状的效果。

近几年设计的趾板建在覆盖层上的面板坝，都通过大量的平面和三维有限元分析计算研究该坝型应力变形特征，分析防渗结构的薄弱点，并通过计算比较不同趾板长度、不同趾板和防渗墙连接方式对防渗墙、趾板的应力及缝位移影响，从而优选趾板长度和连接方式，为防渗墙、趾板、面板连接部位的细部设计提供依据。

计算表明，面板坝坝体及坝基应力、位移符合面板坝一般规律，采用没有连接板的刚性连接方案与柔性连接（连接板连接）相比，面板应力变形略有差别，刚性方案面板周边缝位移远大于柔性方案，超过止水承受变形能力，且防渗墙变形较大。从防渗墙的变形和应力状态考虑，应增加连接板的长度，减少坝体对防渗墙的影响。防渗墙设置在连接板上游侧比设置在连接板底部更佳，采用连接板底部连接方式，防渗墙在蓄水期变形较大，与连接板之间的相对错动明显增加，连接板的应力状态差，故一般采用侧接方式。

目前已经修建的趾板建在覆盖层上面板坝，如梅溪、梁辉坝，趾板分别直接与防渗墙、面板连接，趾板与面板连接方式同普通面板坝，趾板与防渗墙连接方式为侧接，在该部位设置顶部柔性止水和中部铜止水。圣塔约那坝趾板分为两段；帕克拉罗坝的覆盖层较深，趾板分为三段；那兰面板坝采用8 m长趾板，3 m长连接板与防渗墙连接；察汗乌苏混凝土面板砂砾石坝采用4 m长趾板，2段3 m长连接板与防渗墙连接。

4 面板坝接缝止水研究

国内梅溪、梁辉工程面板坝具有较为完善的观测设施，其坝高分别为 40，38 m，覆盖层厚 30，25.5 m，坝体实测最大沉降值为22.2，28.0 cm，周边缝三向位移最大值张开 3.3，5.6 cm，沉陷 8.1，7.6 cm，错动 5.4，2.2 cm；圣塔约那坝实际观测周边缝位移最大张开值2 mm。

那兰、察汗乌苏面板坝的有限元计算结果，其坝体最大沉降值分别为42.8，90.8 cm，采用柔性趾板方案周边缝三向位移最大值张开2.1，2.23 cm，沉陷1.28，1.54 cm，错动6.2，2.43 cm；趾板与连接板、防渗墙最大变形值张开0.17 cm，沉陷5.95 cm，错动1.08 cm。拟建的多诺面板坝计算结果中，趾板与面板的相对张裂与相对错动均很小，防渗墙与连接板的的相对错动达3.46 cm，趾板与连接板的相对错动为0.22 cm。

国外已建工程周边缝最大值为张开10.6 cm、沉陷12.5 cm、错动4.5 cm，国内面板坝止水结构也完全可以满足张开5 cm、沉陷10 cm、错动5 cm接缝变形量。以上所述工程的计算、观测结果均小于国内外的大值，完全可以满足要求。

河床内的各种接缝应采用柔性缝，缝顶嵌缝材料可设两道能自愈的接缝，即靠无粘性材料淤积漏水通道，减少可能出现的渗漏通道。

5 施工程序研究

坝体填筑、趾板、防渗墙的施工，对坝体、坝基及防渗墙变形应力影响不大，面板坝蓄水过程对防渗墙变形和应力的影响也不大。先填筑部分坝体再建造防渗墙，会改善防渗墙的应力变形性状。施工时应先施工趾板，待坝体填筑到一定高程，坝体和坝基变形稳定后，再施工防渗墙，临近蓄水时候，浇注连接板，这样可以避免施工期产生的不均匀沉降，减少连接板和防渗墙之间的位移差。