高面板堆石壩面板擠壓破壞問題研究

摘 要：面板擠壓破壞問題嚴(yán)重影響了相關(guān)水利工程的正常使用，增加高面板堆石壩的維護(hù)成本。通過對(duì)堆石壩面板擠壓破壞的機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，壩體的不均勻變形、部分面板的脫空以及堆石壓實(shí)的不合理都會(huì)導(dǎo)致擠壓破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。為了防止堆石壩面板擠壓破壞問題的出現(xiàn)，需要將面板與堆石壩作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定科學(xué)合理的變形控制措施，完善施工技術(shù)，避免結(jié)構(gòu)缺陷的出現(xiàn)。本文就高面板堆石壩面板擠壓破壞的問題進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩；面板擠壓破壞；變形控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.085

施工技術(shù)的進(jìn)步是面板堆石壩壩高得以提升的基礎(chǔ)，為了適應(yīng)社會(huì)需求的發(fā)展近些年來國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)并建造了一系列高面板堆石壩。這些壩高超過150m的面板堆石壩壓力承受和變形特性與之前的百米以內(nèi)大壩都存在差異，壩高增加導(dǎo)致的面板壓力增大和應(yīng)力水平的增加容易導(dǎo)致壩體的異常變形，進(jìn)而出現(xiàn)擠壓破壞的問題，威脅壩體防滲體系的安全。

1 面板堆石壩應(yīng)力變形分析

混凝土面板以薄板結(jié)構(gòu)直接與堆石壩壩體相連，因而堆石壩壩體的變形會(huì)對(duì)混凝土面板的應(yīng)力變形性態(tài)產(chǎn)生直接的影響。面板堆石壩正式投入使用之后，應(yīng)力狀態(tài)將更為復(fù)雜，這主要是因?yàn)槭┕て趯?duì)面板承受的外界荷載力較小，而蓄水期外界壓力增大，堆石壩壩體堆石會(huì)發(fā)生不同程度的變形性態(tài)改變，其中又以大壩上游的變化最為明顯，壩體的變形進(jìn)而會(huì)對(duì)面板的應(yīng)力狀態(tài)和變形性態(tài)產(chǎn)生影響。

壩體堆石在施工期的位移主要是受到自重作用的影響，其中水平位移和豎向沉降是其主要的變形方式，壩體中部的堆石沉降較為顯著。堆石壩壩體上部和壩體底部的位移方向相反，受到堆石水平和垂直位移的共同作用，壩體上部對(duì)實(shí)體向壩內(nèi)位移，而壩體底部則是向外側(cè)位移。進(jìn)入蓄水期之后受到水壓的影響，壩體位移的趨勢(shì)將繼續(xù)加強(qiáng)，壩體頂部和底部不同方向的位移將加劇壩體變形的趨勢(shì)。

傳統(tǒng)高度較低的面板堆石壩由于堆石比較弱的材料特性，堆石壩壩體沉降變形影響最大的區(qū)域一般會(huì)在壩體的下游段，而高面板堆石壩由于高度增加將導(dǎo)致壩體上部向下游側(cè)水平位移的增大，下游堆石壩壩體將出現(xiàn)后仰的變形趨勢(shì)。

2 面板擠壓破壞的影響因素及解決措施

2.1 面板接縫設(shè)計(jì)

最早是以木條作為堆石壩面板接縫的填充材料，而這種柔性填充物在使用中容易導(dǎo)致面板周圍縫隙的增大，影響堆石壩的正常使用。為了避免這種因填充物不恰當(dāng)導(dǎo)致的使用安全問題，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)面板堆石壩建設(shè)中面板壓性縫之間是沒有填充物的，面板與面板之間直接進(jìn)行接觸。但是硬性接觸使得面板無法順利沿壩軸線方向進(jìn)行位移，面板應(yīng)力無法處理。傳統(tǒng)高度較低的堆石壩產(chǎn)生的位移作用力較小，面板沿壩軸位移所積累的應(yīng)變能也只會(huì)導(dǎo)致面板應(yīng)力的增加而不會(huì)產(chǎn)生過大的危害，但是高面板堆石壩面板位移作用較大，面板承受過大的應(yīng)力將直接導(dǎo)致擠壓破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。針對(duì)以此需要在高面板堆石壩的壓性縫中設(shè)置適當(dāng)?shù)奶畛洳牧希话銇硪詨误w上部面板的填充為主。柔性填充材料可以吸收一定的位移作用力，從而將面板沿軸位移積累的應(yīng)變能進(jìn)行釋放，預(yù)防擠壓破壞問題的出現(xiàn)。

2.2 壩體變形

進(jìn)入蓄水期之后壩體變形更為明顯，混凝土面板受到壩體變形的影響自身的受力結(jié)構(gòu)、受力大小等都將發(fā)生變化。壩體變形是導(dǎo)致面板擠壓破壞問題出現(xiàn)最為主要的原因，其中堆石的填筑方式、材料自身的性質(zhì)以及壓實(shí)情況都會(huì)影響壩體的變形系數(shù)。根據(jù)目前我國(guó)的工程經(jīng)驗(yàn)來看，大多采取中等硬度的堆石材料，為了盡可能降低變形值堆石空隙度也較之傳統(tǒng)的大壩有多降低，堆石填筑密度隨之提高。填筑工序?qū)τ趬误w變形的影響也十分明顯，因而必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制。同時(shí)為了滿足施工導(dǎo)流度汛的要求，需要對(duì)堆石壩進(jìn)行上下游建筑面平行上升的填筑策略，從而減小壩體不同部分的填筑面高度差值，改善高面板堆石壩壩體的變形性態(tài)。不均勻變形會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，因而需要對(duì)壩體變形進(jìn)行合理的控制，在主堆石區(qū)和次堆石區(qū)采取特性相當(dāng)?shù)牟牧?，減小不同區(qū)域的材料差異和變形趨勢(shì)差異。

2.3 河谷形狀

河谷形狀會(huì)直接影響堆石壩的應(yīng)力特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)其變形趨勢(shì)產(chǎn)生影響。其中河谷底部的岸坡的坡度大小、岸坡的對(duì)稱性、壩肩臺(tái)地的存在與否以及河谷的寬度都會(huì)影響堆石壩面板和壩體的受力結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布。當(dāng)河谷的寬度及高度都比較小時(shí)，面板在河床中部的區(qū)域會(huì)受到更大的應(yīng)力，如果不采取恰當(dāng)?shù)拇胧O有可能導(dǎo)致擠壓破壞問題的出現(xiàn)。除此之外V形河谷中部河床面板的擠壓應(yīng)力也更大。就目前發(fā)生擠壓破壞現(xiàn)象的高面板堆石壩來看，河床往往都較為狹窄，擠壓應(yīng)力積累較快。針對(duì)于此設(shè)計(jì)人員需要充分考慮不同地形的面板受力情況，對(duì)于河床不同部位的面板采取不同的材料，或者是采取其他的防止應(yīng)力過快積累的措施，降低擠壓破壞現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。

2.4 壩高與面板厚度

高混凝土面板堆石壩面板更容易出現(xiàn)擠壓破壞問題，可見壩高會(huì)對(duì)面板擠壓破壞問題產(chǎn)生重要的影響。壩高對(duì)面板擠壓破壞的作用方式體現(xiàn)在壩體高度的增加會(huì)導(dǎo)致大壩整體變形量和應(yīng)力的增加，進(jìn)而會(huì)增加壩體堆石的流變變形，面板將承受更大的應(yīng)力?；炷撩姘宓暮穸炔⒉皇蔷坏?，壩體頂部的面板厚度最薄，在該部分也最容易發(fā)生擠壓破壞現(xiàn)象，針對(duì)于此需要對(duì)混凝土面板的厚度設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，盡可能增加面板的承壓面積，避免面板厚度設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的擠壓破壞問題。

3 結(jié)束語(yǔ)

高面板堆石壩面板擠壓破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)對(duì)大壩的防滲體系造成嚴(yán)重的危害，因而在進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造之時(shí)必須對(duì)此給予足夠的重視。為了避免壩體變形過大可以從材料選擇、鋼筋布設(shè)等方面采取有效的抗擠壓破壞措施，同時(shí)還可以利用粉細(xì)砂或者是粉煤灰代替黏土鋪蓋，提高高面板堆石壩系統(tǒng)整體的淤填自愈能力。

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作者簡(jiǎn)介：呂超洋，男，四川宜賓人，本科，研究方向：水利水電工程。