面板堆石坝周边缝中“W”型铜止水允许变形研究

马 超，杨依民

(水发规划设计有限公司，山东 济南 250014)

1 概述

面板堆石坝的防渗体系主要包括：面板、趾板、趾板地基的固结灌浆与帷幕灌浆、周边缝、板间缝、防浪墙以及防浪墙与面板间的水平缝等。在混凝土面板堆石坝的防渗体系中，周边缝将面板与趾板及经过灌浆处理的基岩连成整体，是面板堆石坝防渗体系中最重要也是最薄弱的部位，是混凝土面板堆石坝防渗体系中对变形最敏感的部位[1- 3]。

为提高周边缝的安全指数，国内外学者对铜止水的允许变形特性进行了较为深入的研究。以往针对铜止水的研究，模型试验主要针对给定某一特定剪切位移下，铜止水适应剪切变形能力的考察[4- 7]。在实际情况下，周边缝不仅承受剪切位移，而且还需要承受张开及沉降位移，并且张开及沉降位移对周边缝变形的影响不可忽略。本文针对周边缝变形分析的不足，选择常见的“W”型铜止水，通过模型试验在单向位移、双向位移以及三向位移下，得到了铜止水所能承受的允许变形，揭示了铜止水在变形过程中的基本规律。

2 “W”型铜止水及其特性

面板堆石坝周边缝常采用紫铜片止水，其优点是具有良好的耐腐蚀性及延展性，能承受较高的水头，防渗可靠，易于加工成型，适应变形的应力较强。紫铜片在经过退火处理后，弹性模量降低，适应变形的能力得到提升。退火处理后的紫铜片屈服强度大为降低，延伸率有很大的提高。一般来讲，铜止水的铜带选材应选用软铜，与硬铜相比，软铜具有较大的延伸率，适应变形的能力较好，成型加工时也不容易损坏[8- 9]。

为能够承受周边缝各方向的变形，常将铜止水做成“W”型，其结构样图如图1所示。铜片鼻子尺寸的确定是铜片设计中一项很重要的内容，它是铜片适应接缝变形能力的关键因素。一般来讲，铜片鼻子长度应在接缝宽度的基础上大于接缝的设计张开位移值与沉陷位移值之和，并应满足设计剪切位移的要求[10]。铜止水常见的鼻子尺寸H/B(高/宽)有50/20和75/30两种，以50/20最为常见。本研究同时采用50/20和75/30两种“W”型铜止水，翼板长度均为120mm，立腿高度为40mm。

在面板堆石坝中，“W”型铜止水的翼板及立腿浇筑在混凝土中，周边缝三向位移对止水结构受力影响不同，张开位移和沉降位移主要引起拉应力，剪切位移引起的应力状态比较复杂，一般为复合应力状态[11]。描述铜止水变形量时，通常以铜止水鼻子的折曲长度作为参照，图1所示的“W”型铜止水的结构的折曲长度为：

(1)

式中，Ln—折曲长度，mm；H—鼻高，mm；B—鼻宽,mm。

图2 位移加载装置

图1 “W”型铜止水结构样图

3 材料基本参数

本实验中止水铜带采用安徽省河海铜止水有限责任公司，并经厂家加工为止水结构。止水材料基本参数见表1，该铜止水带的化学成分和物理力学性能符合DL/T5215—2005《水工建筑物止水带技术规范》[12]和GB/T2059—2017《铜及铜合金带材》[13]的规定。

表1 材料力

4 试验装置及试验方法

4.1 试验装置

加载平台为自行组装建造，主要由动力装置、梯形导轨以及加载支架组成，按照X、Y、Z三个方向搭建，每个方向均通过动力装置单独加载，如图2所示。该加载装置，可以实现单一方向的加载，也可以实现三个方向的同时加载。

结构中位移加载速度由动力装置中的电动马达的转速决定，只需要依据PC机显示端记录时间与施加力大小的关系，考虑位移加载速度，即可将力-时间关系转化为力-位移的关系。

4.2 试验结果及分析

在试验中，位移荷载包括张开位移、沉降位移以及剪切位移，其中，O表示垂直于周边缝的张开量；S表示面板相对于趾板的沉降量，方向为面板的法线方向；T表示平行于周边缝方向面板相对于趾板的剪动错动量[14- 15]。

在试验中两块混凝土试块分别模拟趾板和面板，固定趾板试块，在面板试块上施加三个方向的位移。依照正交分析法，在施加(a，b)位移(a表示沉降位移，b表示张开位移)的情况下分别进行了16组试样的剪切试验，得到了25组有效数据。剪切试验结果见表2—3。

为了更好地表征“W”型铜止水的变形，定义变形量D，表示考虑缝间距B的周边缝的总变形量。变形量的计算方法如下：

(2)

式中，S—沉降位移量，mm；O—张开位移量，mm；B—缝间距的原始宽度，mm。

为消除铜止水鼻子尺寸的影响，更好地探究剪切失效位移T与总变形量D之间的关系，对T和D进行无量纲化处理，即将T和D分别除以折曲长度Ln，研究T/Ln与D/Ln之间的关系,拟合结果如图3所示。

由拟合结果看出，剪切失效位移与变形量具有明显的负相关关系。经回归分析，变形量与剪切失效位移之间关系均可用下式线型表示，即

表2 W型(75/30)铜止水剪切试验结果

表3 W型(50/20)铜止水剪切试验结果

(3)

根据式(3)，在面板堆石坝的监测中，通过观测数据分析，可用于评价面板堆石坝周边缝的运行状态。

图3 T/Ln与D/Ln拟合曲线

5 变形特点分析

为探究施加张开位移和沉降位移对“W”型铜止水的剪切屈曲失稳特性的影响，分别提取75/30型和50/20型铜止水在(0，0)、(30，30)及(60，60)三种位移组合下的荷载-剪切位移曲线，绘制荷载—剪切位移关系如图4所示。

试验中铜止水中鼻子两侧紧贴混凝土，在剪切位移较小时，铜止水鼻子即与两侧混凝土接触，在混凝土侧向约束下，荷载明显增加，铜止水鼻子部分逐渐向内卷曲，随剪切位移的增加，卷曲越严重；由于剪切位移的不断增加，铜止水产生第一次屈曲失稳，荷载下降，铜止水变形达到第一次平衡，随着位移增加，荷载逐渐增加，铜止水逐渐产生第二次屈曲失稳，此时荷载产生下降段，铜止水变形趋于稳定，随着剪切位移的增加，荷载增加，铜止水撕裂破坏，荷载迅速下降。

随着施加位移由(0，0)逐渐增大到(90，90)，铜止水越来越早地出现屈曲失稳现象，第二次屈曲失稳越来越不明显。铜止水变形稳定后，荷载随位移增大迅速增加，直至铜止水撕裂破坏。

对于尺寸为50/20的铜止水而言，当采用(60，60)的进行剪切试验时，铜止水鼻子已基本展平，无屈曲失稳阶段，随着位移逐渐增大直至铜止水剪切破坏。

6 影响因素分析

6.1 沉降位移对剪切失效位移的影响

图5为铜止水沉降位移与失效位移关系。如图5(a)所示，在张开位移分别为0、30mm时，沉降位移为0mm时的失效位移分别为62.1、58.65mm，张开位移为90mm时的失效位移分别为37.95、34.5mm，分别较张开位移为0mm时减小38.9%、41.2%，相差不大。

这表明，对于鼻子为某一形式的铜止水，在较小张开位移下，由沉降变化引起的失效位移的减小相差不大；剪切失效位移对沉降位移不敏感。

6.2 张开位移对剪切失效位移的影响

图6为在不同沉降位移情况下，张开位移与失效位移关系。对于鼻子尺寸为某一形式的铜止水，沉降—失效位移曲线多呈向下的抛物线，铜止水失效位移对张开位移较为敏感，随着张开位移的增加，对应失效位移的减小速率呈增大趋势。主要有两方面原因：①在实际加载过程中，铜止水鼻子端部所产生的变形量考虑了鼻子本身宽度，而对于沉降位移，鼻子宽度对变形量的影响较小。②在剪切过程中，铜止水在达到其自身抗拉强度之前，需要克服铜止水与混凝土的粘结力，张开位移使铜止水鼻子部位趋于拉直，有利于铜止水克服粘结力产生剪切变形。

图4 铜止水荷载—剪切位移关系曲线

图5 铜止水沉降—剪切失效位移关系

图6 铜止水张开—剪切失效位移关系

6.3 结构尺寸对剪切失效位移的影响

表4为铜止水剪切试验对比结果，明显看出，不同结构尺寸铜止水剪切失效位移存在明显差值。结构尺寸为75/30的铜止水比尺寸为50/20的铜止水高18.97mm以上，超过尺寸为50/20的铜止水比例一般位于44%～83%之间。

试验表明，铜止水鼻子部位折曲长度对剪切变形能力的影响明显，铜止水鼻子折曲长度越长，铜止水适应沉降位移、张开位移、剪切位移的能力越强。

表4 试验结果对比

7 结论

本文采用自制的加载平台，通过模型试验的方法对“W”型铜止水在张开、沉降、剪切三向位移作用下的变形特性进行了研究，得出主要结论如下：

(1)在模型试验中，对于尺寸为75/30的铜止水，随着张开、沉降位移的增加，铜止水表现为由两次屈曲失稳到一次屈曲失稳到直接进入失效阶段的特点；对于尺寸为50/20的铜止水，铜止水只有一次屈曲失稳阶段，并随张开、沉降位移的增大逐渐不明显，最后直接进入失效阶段。

(2)根据试验结果，建立了T/Ln与D/Ln的函数关系，可以用来评价面板堆石坝周边缝中铜止水的运行状态。

(3)通过沉降、张开位移及结构尺寸对剪切失效位移的影响因素分析，得出剪切失效位移对沉降位移不敏感；相较于沉降位移，剪切失效位移对张开位移更敏感；铜止水鼻子折曲长度越长，铜止水适应沉降位移、张开位移、剪切位移的能力越强。