基于高混凝土面板坝压性垂直缝设计

冯 俊

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳5550002)

基于高混凝土面板坝压性垂直缝设计

冯 俊

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳5550002)

高混凝土面板坝在大坝建设工程中应用较为广泛，但在实际中经常会出现面板缝渗漏现象，从而导致渗漏或跨坝事故，严重影响大坝的运行。其中压性垂直缝的设计对避免或减少渗漏及跨坝事故的发生具有非常重要的意义。文章对高混凝土面板坝垂直缝挤压破坏现象进行了简介，并通过几个实例总结了常用的高混凝土面板坝压性垂直缝设计方法，最后分析了几种改进高混凝土面板坝压性垂直缝设计方法的措施。

混凝土;面板坝;压性垂直缝;失效;垂直渗漏;设计改进

0 引言

随着大坝工程的不断发展及施工技术的不断改进，由于其具有多方面优势，如工期短、投资少、安全性好、导流工程简单、施工方便等，逐渐成为当下运用范围最广、发展速度最快且具有非常强的竞争力的坝型。目前，已经可以建成300 m级的超高坝。

但伴随该坝型在诸多方面投入应用而来的是相关缺陷的展露。例如，对于高混凝土面板坝，由于坝体变形而引起附近及周边接缝的止水被破坏，将会在高水头作用下发生大量渗流，从而会对大坝的正常运行造成严重的影响，甚至会造成泄漏或者坝体垮塌。

众多行业内人士对此进行了研究，发现造成事故的主要原因是面板缝渗漏，尤其是垂直缝渗漏。因此，应当在工程建设之前对这一问题进行认真分析，合理地进行垂直缝的相关设计。

1 高混凝土面板坝压性垂直缝失效的因素及影响

1.1 高混凝土面板坝压性垂直缝失效的因素

面板坝垂直缝受到挤压破坏而引起失效的原因一般比较复杂，失效原因和工程措施仍在具体研究中，目前仍没有统一的结论，但综合分析多个工程实例后，总结出以下可能的因素:

1)面坝的堆石体压缩模量过低;

2)面板坝压性垂直缝无填充，为硬平缝;

3)面板坝压性垂直缝处面板的抗挤压断面太小，或者铜止水鼻子、V形槽及砂浆垫等占用了面板抗挤压断面，导致应变集中，垂直缝被破坏;

4)面板与垫层料之间偏大的摩擦;

5)面板坝位于窄河谷，产生的挤压应力偏大。

1.2 高混凝土面板坝压性垂直缝失效模式

高混凝土面板坝压性垂直缝失效模式分为垂直缝局部失效和垂直缝通长失效两种。

在几个尺寸下平均的Top-1和Top-5准确率如图12所示，实验结构表明本文提出的可变输入尺寸模型结构比原始模型结构有平均5%的准确率提升。

1.2.1 垂直缝局部失效

高混凝土面板坝压性垂直缝局部失效缝旁垫层区等势线偏密，处于垫层迎水面时偏密，此后逐渐稀疏。到主堆石体的时候，已趋近于零［1］。渗流的影响范围大致在部分失效缝旁的垫层区。高混凝土面板坝压性垂直缝局部失效缝等势线和浸润线示意图见图1。

图1 高混凝土面板坝压性垂直缝局部失效缝等势线和浸润线示意图

1.2.2 垂直缝通长失效

通长失效的缝面积大于局部失效面积的许多倍。此外，缝的各部分会持续的渗流。所以，就导致坝体内部积水的情况。因此，坝体内部显示多条等势线，而且它的浸润线的位置比局部失效缝的浸润线位置要高［2］。

高混凝土面板坝压性垂直缝通长失效缝等势线和浸润线示意图见图2。

1.3 高混凝土面板坝压性垂直缝失效对渗流的影响

失效垂直缝的发生位置、长度以及宽度对渗流具有不同方面的影响。

图2 高混凝土面板坝压性垂直缝通长失效缝等势线和浸润线示意图

1.3.1 失效缝位置的影响

缝的位置越低，压力水头就越大，相应地，会造成渗流的速度变快。所以，缝旁的垫层迎水面等势线出现的更密。即迎水面水力的坡度更大，浸润线会处于较高的水平。

1.3.2 失效缝宽度的影响

缝的宽度对等势线以及浸润线没有太大的影响。同一位置失效缝附近垫层等势线存在比较小的不同。此时，缝越宽，等势线在垫层下游相同量值的区域就越大，从而使得计算的坝体渗流量也越大。

1.3.3 失效缝长度的影响

长缝附近的等势线在垫层下侧同一量值具有较大范围，其浸润线的位置也会较高，相应地，其渗流量也会较大。

2 常用的高混凝土面板坝压性垂直缝设计方法

根据以上对高混凝土面板坝压性垂直缝失效情况及影响的分析可知，科学合理的高混凝土面板坝压性垂直缝设计对面坝的安全及寿命具有重要的意义。

国内相关的施工规范规定，垂直缝一般应采用硬平缝结构，底部应设铜止水，缝面应涂防黏剂。自塞沙纳坝以后，国外的垂直缝设计也开始采用硬平缝设计方法［4］。

以下介绍国内外已建的高混凝土面板坝有关垂直缝设计上较为成功的案例。

2.1 中国三板溪面板坝

对于三板溪面板坝的设计，是选择在受压区面板顶部厚度、面板压性垂直缝设计、堆石压实功能、堆石预沉降时间安排、堆石材料分区等方面进行了一些改进，主要采取了以下措施:

1)增加三期面板中央区厚度，改进受压区垂直缝结构;

2)堆石预沉降半年;

3)提高堆石压缩模量、改进分区。

三板溪面板根据公式0.3+0.0035 H来计算面板厚度，三期面板中央区厚度≤40 cm，压性缝止水鼻子高度降至30 mm，垂直缝 V形槽高度设为30 mm，垂直缝处使用细抗挤压钢筋，压性垂直缝采取硬平缝的构造。

三板溪自建成以来运行正常，于2009年对压性垂直缝采取了改造工作，主要是利用塑性填充料填充到接缝处，这样能够防止施工期面板出现结构性裂缝的现象。

2.2 冰岛高地卡拉努卡面板坝

卡拉努卡面板坝的面板厚度根据公式0.3+0.002 H进行设计，堆石料为玄武岩，在面板的中部使用了单层钢筋，压性垂直缝的设计采取此类方式:设置一块约15 mm厚的沥青纤维板在垂直缝内，并且在中部面板内设置0.65%的钢筋。此外，为面板和挤压边墙间配设一道防黏层。

使用三维数值对卡拉努卡面板坝进行分析发现，在运行期间，当纤维板压缩位移≤8 mm时，若压性缝没有设置15 mm的纤维板，其水平压应力最大将达31 MPa，这样看来，卡拉努卡面板坝的面板肯定要受到破坏。

3 高混凝土面板坝垂直缝设计方法改进

随着坝越来越高，采用传统的高混凝土面板坝垂直缝设计方法将会暴露出各种各样的问题，国内外有些坝已经采用了相应的改进措施:

3.1 提高堆石体施工压缩模量

过低的堆石体压缩模量，将会直接导致高坝面板压缩应变较大，因此在高混凝土面板坝垂直缝设计中应尽量增大堆石体压缩模量，超高坝的堆石设计不应该过于注重控制施工参数，而应以所需的压缩模量密度为准［5］。

3.2 设计适当的接缝材料

目前，面板坝垂直缝设计都是使用硬平缝的方式。据分析，由于这种缝中无吸收变形材料。挤压力会往坝中积聚，而且会从接缝中往表面扩散积聚。伴随着挤压力到达相应水平，接缝处的混凝土会因挤压而损坏。

依据相关的信息进行研究分析，发现混凝土的损坏是因为受到了不均匀的挤压力。所以，可以通过在垂直缝设计时采取一些有效的接缝材料，去除应力分布不均的情况。从而可以有效的防治接缝处混凝土因不均匀受力而遭到损坏。对于使用怎样的接缝材料，相关人员应该根据实际情况进行分析，确定并使用合理有效的接缝材料。

3.3 加厚压性垂直缝处面板

因为垂直缝处面板受到的平均压应力和其面板抗挤压面积成反比。所以，设计的时候，能够为压性垂直缝处的面板进行加厚处理。

操作如下:减小止水片鼻子高度或将止水鼻子包括在填充物范围内、砂浆垫不侵入占面板断面以及取消V形槽等。

3.4 使用垫层料护面

挤压墙具有较高的强度和较大的断面，会使其向下变形或谷向变形，将较大的压应力传给面板。因此，超高坝应采用破黏剂来减小垫层料与面板间的摩擦力。目前垫层料护面主要有以下3种形式:

1)沥青护面;

2)涂碾压砂浆;

3)涂沥青挤压墙。

4 结语

高混凝土面板坝适应性强，应用广泛。在实际设计过程中，面板坝压性垂直缝设计的好坏直接影响到整个工程的质量、安全及寿命，虽然已有不少成功的案例，但也存在许多已经暴露的问题或潜在的问题亟待解决，研究高混凝土面板坝压性垂直缝设计的改进方法具有重要的意义。

［1］迟守旭，庄小军.高混凝土面板坝压性垂直缝设计［J］.山西建筑，2011，37(33):208-209.

［2］张晓强，卢廷浩，周爱兆.面板坝垂直缝失效渗流场有限元模拟［J］.水利科技与经济，2006，12(12):101-102.

［3］郝巨涛.高混凝土面板堆石坝面板水平向挤压破坏研究［J］.水力发电，2011(03):27-31.

［4］张文正，柏树田.混凝土面板堆石坝的坝料特性和分析计算［J］.水利水电技术，1991(01):19-25.

［5］闫生存.混凝土面板堆石坝监测技术及性态分析［J］.湖北水力发电，2001(01):46-48.

Brief Analysis on Pressure Vertical Joint Design of High Concrete Face Rockfill Dam

FENG Jun
(Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China)

High concrete face rockfill dam is widely used in dam construction，but the joints of the face rockfill dam often produce seepage，resulting in severe seepage and dam failure that influence the operation of the dam，in which the design of pressure vertical joints has great significance for reducing seepage and avoiding dam failure.The failure phenomena of pressure vertical joints are introduced and popular design methods are summarized through a number of real examples，some improved measures are analysed for the design.

concrete;face rackfill dam;pressure vertical joint;invalidation;vertical seepage;design improvement

TV641.43

B

1007-7596(2014)05-0038-03

2013-08-16

冯俊(1965-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，从事水工建筑物设计工作。