混凝土面板挤压垂直缝设计
湛正刚 张合作
（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司）
【摘 要】 现阶段工程界对面板垂直分缝主要是基于施工工艺方面的考虑，分缝的条数与缝宽设定尚未考虑面板与坝体纵向变形的协调性，当大坝发生轴向位移时，面板间会产生挤压变形，当该位移值超过一定限值，混凝土面板就会发生挤压破坏。本文通过对洪家渡、董箐面板堆石坝面板分缝方法和措施的实践，认为坝体纵向变形过大且不协调是导致混凝土面板间产生垂直挤压破坏的重要原因，近而提出了以预防混凝土面板垂直挤压破坏为主的挤压垂直缝设计方法，具有工程实践价值。
【关键词】 混凝土面板 纵向变形 挤压破坏 挤压垂直缝
1 概述
现代混凝土面板堆石坝在我国已有30年的发展历史，特别是2000年左右成功建设的天生桥一级（178m）、洪家渡（179.5m）、三板溪（185.5m）和水布垭（233m）等一批200m级高坝，使我国在面板堆石坝的建设中积累了丰富的科研、设计、施工、运行管理及监测等现代筑坝技术经验。但近年来建设的100～200m级的面板堆石坝工程中，部分工程的混凝土面板发生了不同程度挤压破坏现象。对此国内外不少学者从数值计算的角度对面板挤压破坏发生机理进行了研究，指出在自重荷载、水荷载作用下堆石体向河床部位产生变形，堆石与混凝土面板间的相对位移导致中部面板间受到挤压，当积累的应变能达到一定程度，就会发生面板间的垂直挤压破坏。并对此提出了应对措施。
统计可发现这些已建的面板坝坝高一般为200m左右，既有建在狭窄河谷的，也有宽缓河谷的，筑坝材料、面板设计等也各有区别，但其设计原则均是按照现代面板堆石坝的设计要求完成的，总体来说筑坝条件是各有千秋，但其发生挤压破坏的位置是一致的。其主要表现形式为：①沿垂直缝的挤压破坏；②沿水平向（横向）的挤压破坏；③斜向挤压破坏。其中以沿垂直缝的挤压破坏最为普遍，且多发生在河床部位面板的中上部，从顶部一直向低高程延伸。可见，混凝土面板垂直挤压破坏必存在着一定的共性，本文通过对洪家渡、董箐、天生桥一级、三板溪、水布垭等混凝土面板堆石坝的面板施工、运行过程分析，统计其防止混凝土面板垂直挤压破坏的设计原则和措施，查找区别，归纳共性，提出了一种避免或者降低面板产生垂直挤压破坏的挤压垂直缝设计。
2 面板垂直挤压破坏分析和防止措施
2.1 面板垂直挤压破坏分析
已有研究和工程实践表明，面板的挤压破坏主要与坝体变形、河谷形状、坝高、面板厚度、面板分缝和混凝土材料等均有一定的相关性，所以我国在2000年以后建设的面板堆石坝中也针对性的从提高堆石体压实标准、优化坝体断面分区、合理控制坝体填筑分期和面板浇筑时机、加厚顶部面板、加强挤压缝位置的面板配筋、加强面板养护等方面采取了工程措施。相较同期国外建设的几座高面板运行中发现的面板垂直挤压破坏有很大改善，见表1。但是面板的挤压破坏问题在国内外的一些高面板堆石坝中仍未完全消除，如天生桥一级最长面板L3及L4块之间的垂直缝两侧混凝土受到挤压损坏，范围从三期面板顶部高程787.30m向下延伸至该期面板底部高程748.00m，最大宽度约3.5m，破碎带宽0.5～0.9m，破碎带混凝土厚约5cm，局部面板钢筋出露，部分止水与混凝土分离，面板下层混凝土基本完好。紫坪铺面板坝“5·12”震害后23～24号面板间发生挤压破坏，自坝顶延伸至791.00m高程，挤压破坏范围为0.5～1.7m，取芯检查843.00m高程混凝土破坏影响深度32cm，面板中部受力筋折曲变形，比常规面板垂直挤压破坏严重。
表1 国外典型面板坝工程面板垂直挤压破坏统计
从表1统计和已建面板堆石坝的运行统计，面板堆石坝垂直挤压破坏的主要特点如下：
（1）面板挤压破坏一般发生在河床部位，即面板受压区。
（2）单块面板垂直挤压破坏区主要分布在面板顶部，且均发生在蓄水高程接近正常蓄水位附近时。
（3）面板发生垂直挤压破坏主要是压性面板间分缝未设置缝宽，面板间为硬性接触，易发生面板间的垂直挤压破坏。
（4）垂直挤压破坏的一般呈平行于垂直缝两侧分布，且主要是面板混凝土表层发生3～10cm的破坏。
2.2 面板垂直挤压破坏防止措施
我国面板坝工程和国外工程建设实践对比表明，只要对混凝土面板采取有效的防止措施，是可以有效避免或降低面板发生垂直挤压破坏的。
目前工程中防止面板产生垂直挤压破坏的措施主要包括：
（1）扩大上游堆石区范围，控制上、下游堆石沉降差，提高堆石压实标准，以改善面板应力状态。
（2）加厚顶部面板，加强挤压缝周边面板配筋，配置抗挤压钢筋，提高面板抗挤压能力。
（3）减小或取消挤压垂直缝V形槽深度，避免该部位面板厚度的减小，避免面板顶部崩角破坏。
（4）高面板堆石坝宜设置水平结构缝，控制面板挠度，改善面板压应变。
（5）设置面板挤压垂直缝，并在压性缝间嵌填一定厚度的柔性填充材料，吸收一部分面板的纵向位移，释放河床段面板所积聚的应变能量。
（6）选择合适的面板浇筑时机和蓄水过程。
3 面板挤压垂直缝控制措施探讨
国内外对于面板堆石坝垂直挤压破坏的研究由来已久，但目前对其破坏机理的分析尚未完全统一，主要是理论分析研究和工程实践所揭示的现象不完全吻合。如国内2000年前后同期建设的几座面板堆石坝的设计和施工近乎采用了类似的筑坝技术，但对于面板垂直挤压破坏的控制效果不尽相同，见表2。
表2 国内典型面板坝工程面板垂直挤压破坏统计
观察表2可知，洪家渡和董箐面板堆石坝均未发现近期国内外面板坝运行中出现的面板裂缝多及挤压破坏现象，取得了混凝土面板无结构性裂缝的优良效果，而其余工程混凝土面板均发生了一定程度的垂直向或水平向的挤压破坏。笔者认为，这两座面板堆石坝之所以未发生挤压破坏的关键因素是其对面板垂直挤压破坏的本质认识和针对性措施，两座面板坝的挤压垂直缝均是按照坝体的应力应力计算成果沿面板纵向位移方向设置了一定缝宽的挤压垂直缝，并在缝内嵌填了可压缩变形的弹性材料，依靠足够宽度的垂直挤压缝缝宽吸收了面板间产生的应变能，具体分析如下。
3.1 工程实例分析
洪家渡水电站、董箐水电站分别位于乌江干流和北盘江上，其混凝土面板具体设计、计算成果见表3。为监测施工期及运行期面板的变形状态，在洪家渡1080.00m、1105.00m高程，董箐455.00m、492.10m高程埋设了变形观测仪器，洪家渡面板纵向水平位移计所测过程线见图1和图2；董箐面板纵向水平位移计所测过程线见图3。
分析洪家渡面板堆石坝坝体纵向位移图1、图2可知：
（1）两岸填筑堆石体向河床位移，靠近坝肩部位的填筑体位移最大，岸坡向中部方向位移逐渐减小；受不对称河谷形状影响，左岸纵向位移大于右岸纵向位移。
表3 洪家渡、董箐面板堆石坝面板和挤压垂直缝设计分析表
图1 坝体1080.00m高程坝轴向水平位移
1—HZ1；2—HZ2；3—HZ3；4—HR1；5—HR2；6—HR3；7—HR4
（2）2004年1月面板浇筑前纵向水平位移最大值为4.46mm；2005年2月面板浇筑前纵向水平位移最大值为10.8mm和-12.09mm；截至2011年6月1105m高程所测纵向水平位移最大值为12.1mm和-13.85mm。也就是面板浇筑完成后坝体两岸向河床部位的纵向水平位移最大值分别为1.3mm和-1.76mm。
分析董箐面板堆石坝坝体纵向位移图3可知：
图2 坝体1105.00m高程坝轴向水平位移
1—HZ8；2—HZ9；3—HZ10；4—HR11；5—HR12；6—HR13；7—HR14
图3 坝体455.00m高程坝纵水平位移
1—HZ1；2—HZ2；3—HZ3；4—HR1；5—HR2；6—HR3；7—HR4
（1）坝体两岸向河床的水平位移最大值为195.1mm，但是面板浇筑完成后的坝体纵向水平位移相对较小，坝体纵向水平最大位移为131.1mm和-151.9mm；此时坝体纵向水平最大位移为142.2mm和-163.0mm。截至2015年3月20日，以上两个测点的纵向水平最大位移为176.59mm和195.1mm。也就是面板浇筑完成后坝体两岸向河床部位的纵向水平位移最大值分别为34.49mm和-32.1mm。
（2）面板浇筑后在面板顶部设置的表面观测墩所测数据也基本和以上时段坝体内部的纵向变形规律和数值一致。坝体两岸向河床部位的纵向水平位移最大值分别为34.9m和-32.16mm。
3.2 面板挤压垂直缝设计
基于洪家渡和董箐面板堆石坝的面板设计和运行情况，参考国内外面板坝工程面板挤压垂直缝设计的经验，发现面板挤压垂直缝一般采用工程类比法或计算分析确定混凝土面板的压应力区，并按照12～18m的宽度确定受压面板分块；然后通过设置有效的面板挤压垂直缝缝宽来适应坝体的纵向水平位移变形，释放和减缓面板纵向水平变形产生的能量，避免面板间产生相互垂直挤压；同时鉴于面板挤压破坏一般发生在面板表层，所以表层V形槽口的深度不宜太深，对于分缝内部嵌填的材料必须具有一定的弹性和压缩性。
采用以上设计思路对几座典型面板堆石坝设中有关面板分缝和控制措施进行了分析，见表4。
表4 几座典型面板坝工程混凝土面板垂直挤压缝设计
注 巴贡面板坝16～34块面板间的18条垂直缝按压性缝设计，其中16～21及27～34块缝宽均为12mm，缝内充填12mm厚沥青杉木板，木板弹性模量大于11000MPa；第21～27块面板间共6条垂直缝，在121m高程以上，缝的上部宽度均为60mm，缝内填充60mmPulai木板，缝的底部200mm范围宽度仍为12mm，缝内填充12mm厚沥青杉木板。
从表4的统计分析可以看出，洪家渡和董箐面板堆石坝的实测最大纵向水平位移均小于挤压缝总宽度，也就是预设的垂直挤压缝和可压缩的嵌缝材料吸收了可能发生的纵向水平位移，防止了面板间缝面的垂直挤压破坏。而天生桥一级面板堆石坝因为实测坝体纵向最大水平位移远大于实际的挤压缝总宽度，所以面板间发生了垂直挤压破坏，后经2005年选择5条竖向受压缝，切开并放入可压缩材料后用预缩砂浆填充密实，将压性缝修改成膨胀缝（嵌入橡胶板）后，面板运行良好。
工程建设实践证明，洪家渡和董箐面板堆石坝采用预设一定缝宽的垂直挤压缝吸收面板纵向水平位移的设计思路，在防止面板间发生垂直挤压破坏的作用是明显的，天生桥一级面板挤压部位的修复措施和坝高202m的巴贡面板坝的挤压垂直缝设计理念同样验证了在面板受压区预设一定缝宽的垂直缝。
4 结论
本文基于典型工程垂直挤压破坏情况及垂直挤压缝设计型式的统计，通过对洪家渡及董箐面板堆石坝混凝土面板的设计、有限元仿真及监测成果进行分析，提出了从吸收坝体纵向位移变形考虑的面板挤压垂直缝结构，即设置有效的面板挤压垂直缝缝宽，同时对几座典型工程的面板挤压垂直缝缝宽进行了反馈分析，可得到如下结论：
（1）实践证明，通过在面板受压区预设一定缝宽的垂直挤压缝，并嵌填有一定弹性模量且可压缩回弹的填料，有利于防止纵向水平位移累计而产生的面板间垂直挤压破坏。
（2）面板挤压垂直缝的表层的槽口深度取值宜控制其量值，一般不宜大于10cm，有条件时最好不在顶部面板开槽，以确保面板的有效厚度。
（3）随着坝高的增加，面板沿坝轴向位移将更大，更应重视面板间的挤压破坏问题，本文中面板间垂直挤压缝的设计思路是可以借鉴的。
（4）现有面板的仿真计算和仪器监测数据仍有差异，应进一步完善提高面板结构设计理论和方法研究，以制定合理可靠的面板结构和分缝措施，防止面板间的垂直挤压破坏。
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