缩减三维变形的防挤压破坏面板坝设计

(1.四川大学水利水电学院，四川 成都 6100656；2.四川大学物理科学与技术学院，四川 成都 610065)

近些年，混凝土面板堆石坝以其对坝址区地形地质条件适应性强、经济优越、安全可靠的优点，得到快速发展，但随着建设高度增加或地形地质条件的复杂与差异等原因，运行大坝中常出现面板脱空、面板垂直结构缝挤压破坏、止水结构破坏等状况，损伤大坝防渗体系[1]，甚至影响坝体渗透安全，突显出工程安全风险，影响工程的正常运行。

据不完全统计，世界范围内已建200m级面板堆石坝共计13座，面板坝破坏程度高达38.5%，其中阿瓜密尔帕、三板溪、天生桥等面板堆石坝均出现不同程度的病害。国内100m级面板堆石坝中，渗漏量超过1000L/s的共计10座，占总座数的12.5%[2]。

本文通过总结分析实际面板坝工程中的破坏现象及特征，研究并设计了一种调控坝体变形的分区构造及其施工方式、微壳体面板结构和垂直缝构造设计的新理念，来改善面板在挤压状态下的受力条件，以期系统性解决面板的挤压破坏问题。

1 面板挤压破坏机理

面板纵缝的转动接触挤压效应是导致面板挤压破坏的直接原因[3-6]，其主要作用机理包括以下两个方面。

a.以散粒体堆积碾压而成的堆石坝坝壳的各断面沉降变形量与该断面高度成比例，大坝沿坝轴线方向的高度变化呈U形或V形，故大坝的整体沉降变形表现为聚心的三维效应，即沉降变形过程中存在两岸向河床中心的水平效应分量[7]。坝壳(含过渡层、垫层)的聚心变形，使垫层在面板底部产生侧向摩擦力，带动面板从两侧向河床中心位移。当中上部(传统的挤压区)面板板块间的位移量值不能协调一致时，产生挤压效应。

b.大坝蓄水后，面板在水荷载的作用下，产生三维的内陷变形，面板呈现为凹陷的空间微曲面。此过程中各板块间的缝面产生内陷偏转，即从原本相对平行的缝面，偏转到下宽上窄的梯形相对，此时挤压区的挤压状态，从原本的平行均匀接触挤压逐渐变成了非均匀乃至线接触挤压，此种挤压作用使面板纵缝的上表面处产生强烈的应力集中，一旦压应力超过钢筋混凝土的抗压强度，面板挤压破坏。

总结面板堆石坝工程经验，业界现有技术多通过提高压实标准、分期筑坝、优化止水结构及断面分区等措施来防止面板挤压破坏[8]。针对工程实际，提高压实标准，会增加工程成本，该坝型的经济性无法体现，且易造成堆石颗粒破碎，渗透系数降低，堆石体自身的排水性能降低，面板坝的安全运行无法保障；分期筑坝虽能减少坝体沉降，但施工期过长，且间断处也可能存在非连续引起的协调问题[9]；合理的断面分区及止水结构并不能从根本上解决面板挤压破坏问题。当前诸多技术均没有针对上述机理提出系统性解决方案，如何经济、高效、系统地解决面板坝的挤压破坏问题，是业界密切关注的话题之一。

2 缩减三维变形的防挤压破坏面板坝

相对于混凝土坝，面板堆石坝具有面板材料近似连续均匀、堆石主体材料离散的特点，堆石体各分区的颗粒级配、密实度均对堆石体与面板的变形协调有较大影响。为解决面板坝的挤压破坏问题，本文提出一种缩减三维变形的防挤压破坏面板坝，通过结构构造设计和施工方法创新，缩减面板坝坝壳的三维变形不良效应，从根本上缩减乃至消除面板顺坝轴线方向的位移，设计微凸壳体面板、挤压区的弧形缝、非挤压区的梯形缝，来保障一旦发生挤压接触时缝面的面接触状态，确保不发生挤压破坏。

2.1 结构构造设计及施工方法

结构构造设计和施工方法主要包括纵向分区结构和非线性超填施工措施。

图1 面板坝纵向分区及非线性超填立视图

纵向分区构造是沿坝轴线方向将坝壳对称分为五个左右的分区，见图1，其左右两侧分区、中心两侧分区、中心分区内的填筑干密度按级差由中心分区向两侧分区依次递减，例如中心分区内的干密度为最大值的100%、中心两侧分区的干密度为97.5%、左右两侧分区的干密度为95%。填筑层通仓内不同的干密度，可通过控制各分区内的碾压遍数来实现。级差递减比例值也可以根据不同工程具体来分析确定。通过如此的分区构造，改变各断面的单位沉降率，减缓水平效应分量对面板的作用，削减坝体沉降的三维聚心变形。

非线性超填施工措施，是指分层碾压施工时，每一层仓面均沿坝轴线方向对称弧形非线性超填，即仓面沿坝轴线方向不是水平的而是大致对称拱曲的，中间高、两侧低，一直逐层填筑到坝顶均保持此非线性对称弧形超填施工。因工程实际情况不同，超填曲线需通过具体分析来确定。如此施工，由于堆石体中部在纵向分区构造基础上已相对密实，由内而外沉降变形均会有所减缓[10]，可进一步削减或抑制三维聚心变形。

此创新性的结构设计及施工措施，理论上可缓解堆石坝体流变对坝体变形的影响，缩减坝壳的聚心变形，从根本上缩减因面板顺坝轴线方向的移动而造成挤压的不良反应。

2.2 微凸曲面面板

为避免传统平板面板蓄水凹陷致面板间受力状态恶化，本文设计提出向上游微凸起的壳体结构面板，即从坝壳的堆石体上游面到过渡区、垫层以及面板的大坝上游侧部分，均为凸向上游的空间微壳体形状，见图2。该微壳体凸向上游的尺度，可通过数值模拟计算出传统平板面板坝蓄水后内凹陷量值，然后沿传统面板坝的平板面镜像到上游侧外凸来确定。空间微曲面形的面板板条间纵向垂直结构缝的缝宽大于传统平板面板缝宽，以消化蓄水后微凸面板受水压内陷时的变形量；该缝的缝宽，可通过在传统缝宽的基础上，叠加微凸面板坝沿坝轴线方向实际长度与传统面板长度之差在各个缝上的分量来确定。

图2 微凸曲面面板坝剖面图

这种设计确保工程蓄水面板受载后，上凸微曲面板逐渐向平斜板趋势变形。最理想的情况是曲面板变形稳定在斜平面板状态，即便未达到最理想状态，最终稳定在微凸或微凹状态，面板缝间受力状态也会一改传统设计的恶化过程，维持在良性状态。

2.3 垂直缝构造设计

传统面板坝挤压破坏位于上中部，见图3，为避免挤压区受载内陷偏转时接触状态恶化，在面板的传统挤压区内各板条间的纵向垂直结构缝的接缝均设置为弧形缝，其余区域内纵向垂直结构缝的接缝为梯形缝。面板挤压区边界，通过分高程计算面板的坝轴向位移来确定，即从面板顶部开始，以对称两侧的最大位移量处为左右边界，逐步向下，直到最大位移量值小于等于设计面板缝宽值时，为底界。

图3 弧形缝、梯形缝所在区域示意

弧形缝由两个平行的同圆心弧面构成，底部设置铜片止水，中间为柔性填料，顶部为柔性填料外包盖皮[11-12]。挤压区采用弧形缝，在微凸曲面板受水荷载向平板趋势过渡过程中，缝面大致绕弧形圆心转动，有效确保缝面自始至终维持充分的面接触，即便传递压力，其压应力也不会极度增高，从而保护面板不被挤压破坏，见图4。

梯形缝相对的两缝面为非平行状态，上宽下窄。底部设置铜片止水，中间为PVC或橡胶止水加柔性填料，顶部为柔性填料外包盖皮[11-12]。梯形缝适用于作为挤压区以外的板间垂直缝。随着面板受载内陷、偏转，梯形缝向平行缝状态发展，一方面梯形缝消化了微凸曲面表面积的减小，另一方面作为非压缩区垂直缝，其内陷偏转时板间接触状态也是向良性方向变化，见图5。

图4 弧形缝详图

图5 梯形缝详图

3 结 论

目前中国在面板堆石坝的建设、运行方面均已具备较为丰富的经验，但面板堆石坝的变形协调问题并没有从根本上得到解决。缩减三维变形的防挤压破坏的面板堆石坝，可以系统性削减甚至根除面板侧向位移和挤压破坏的原动力。辅之以保障性的面板微凸曲和缝面构造的创新，进一步改善了面板间的接触与受力状态，从而有望根除“挤压破坏”这一困扰面板堆石坝发展的难题。

对应于传统坝壳的统一密实度通仓碾压，该面板坝采用局部缩减碾压遍数的措施，分区优化密实度，可节约一定成本，用以平衡曲线超填、微凸壳体面板的成本增量，相较传统设计，综合成本变化不大，但可以大大提高大坝的面板安全性，克服顽疾，增强面板坝的整体优越性，促进行业发展，为水利水电企业安全、效益做出贡献。到目前为止，本文所述的新型面板堆石坝尚处于方案设计阶段，有待于进一步开展深入的理论分析和试验研究，为面板堆石坝的建设提供高效、经济、可行的技术方案。