浅谈高面板堆石坝混凝土面板与防渗设计总结

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　　摘要：高面板堆石坝是水利水电建设中的重要工程，其中面板作为水坝的挡水结构，在水坝的建设中起到了很重要的作用，但是就目前而言全世界对于高面板堆石坝的建设及防渗设计并没有很成熟的技术，本文通过对黑河龙首二级水电站工程设计经验的总结，对面板堆石坝面板的设计和防渗提出了自己的想法，以便在以后的堆石坝混凝土面板建设中提供参考。
　　关键字：高面板堆石坝；混凝土面板；防渗技术；黑河龙首二级水电工程
　　
　　 我国从1985年开始用现代技术修建混凝土面板堆石坝，已经历了20年的快速发展。通过引进、实践、研究、再开发，其安全性、经济性和适应性等良好的优越性已在坝工界取得共识，在坝型比较中常处于有利地位，在水利水电建设中得到广泛应用。
　　 在施工技术与经济效益方面混凝土面板堆石坝与其他的土石坝相比具有明显优势，同时在水利水电建设中也受到了高度重视，据统计我国已建的和在建的面板堆石坝有200座左右，其中有一些代表性的石坝。本文以黑河龙首二级水电站工程为例谈谈面板堆石坝的设计经验（以下简称龙首工程）。甘肃龙首二级水电站位于甘肃省黑河流域的上游，坝高146.5米，坝顶长190.64 米，坝址处河道呈Ω型，河谷窄深，坝基石方开挖43.5万平方米，坝体石方填筑280万平方米，面板混凝土1.2万平方米。
　　1基岩设计
　　 为了提高岩体的整体性及加强其抗渗能力，底座基础岩体一般要进行固结灌浆。而底座一下地质体的防渗屏障主要是运用灌浆帷幕来实现。依据底座的受力条件底座的建基面可大幅度的提高，挖去覆盖面，在经过固结灌浆后的强化岩体上直接建坝体是可行的，但其前提是岩体必须具有可灌性，对于不可灌浆的的强风化区域，可进行开挖回填混凝土处理，其主要是为了防止沿粘土充填缝隙和断层破碎带的集中渗漏[1]。
　　2趾板设计
　　 趾板是混凝土面板和坝基的中间体，具有防渗功能。是固定在岩土上的钢筋混凝土薄板，与大坝面板相连[2]。其宽度取决于岩石的质量。由于龙首工程河谷狭窄，在坝基的设计中将趾板缩短到了合适的固定宽度。为了减少趾板岩石的开挖量，对于水力坡降不足的部分用堆石体下内趾板予以补偿。龙首工程按照水头的二十分之一设计趾板宽度，底部趾板宽10米，中部宽7米，顶部宽5米。
　　3混凝土面板设计
　　 混凝土面板用于挡水，在施工建设中一般都是分期施工，以前混凝土面板的设计一般根据经验公式设计，公式如下：T=0.30+0.006H，公式中，T为面板厚度，H为压力水头。当堆石坝碾压技术出现以后，厚度公式有了变化：T=0.30+kH,k为经验技术，其在0.001到0.0036之间取值，具体的取值取决于具体的实际工程。国际上对于不高于120米的大坝，k值一般取为0.0002，对于更高的水坝，k值有所调整，面板水力坡降范围为200到220。其中龙首工程k的取值为0.003[3]。
　　 混凝土面板钢筋的作用是防止大坝因为温差变化而产生裂缝，通常根据经验面板配筋率一般取为3%~5%。龙首工程采用双向单层配筋，水平配筋率为0.35%，竖向配筋率为0.4%。在水平施工缝上下10米以内布置双层钢筋，在周边缝20米以内布置加强钢筋。
　　4坝体堆石设计
　　 坝体堆石的沉陷程度决定了面板变形的程度，因此要精心设计坝体堆石级配，合理采用碾压机器及其压实遍数，使坝体具有尽可能高的容量和变形模量，使得受力后变形尽可能的小，上游堆石体的质量对面板的变形影响很大，因此必须严格挑选石料，其他部分按需要分别采用各种合适的材料。
　　5周边缝设计
　　 周边缝是面板与趾板间的接缝，其防渗和止水的设置要求要格外注意，当大坝蓄满水后，周边缝附近属于拉应力区，止水设计应按照张性缝设计，除了止水外，其底部设计还应该有反渗功能的垫层料，表面覆盖无粘性土，目的是使大坝 的防渗具有自愈功能。龙首工程周边缝宽12mm,高程一下设3道止水，顶部止水设计为橡胶棒，棒上有波形止水带，中部和底部为铜片止水，高程以下取消中部止水，只有顶底两道止水。
　　6垂直缝设计
　　 设置垂直缝的目的就是为了改善面板的受力情况，尽量消除面板应力集中的可能，防止面板受力过大发生开裂或者破坏。垂直缝需要设置止水，一把面板底部设置为”w”形铜片止水，止水底部与挤压墙上的砂浆垫有橡胶垫隔开，防止两者粘结。在施工过程中砂浆垫和铜止水的之间密封性保持良好。由于大坝受力不同，垂直缝分为张性缝和压缩缝，两者设计上存在一些细微的差别，张性缝需填充柔性材料，顶部填充GB材料，而压缩缝只需填上硬木将两块面板隔开即可。龙首工程右岸的两块面板宽度为11米和8.1米，其余均为15米，左右岸分别为15和16条张性缝。
　　 近年来，出现了很多高面板堆石坝因面板受力过大被极坏或者开裂导致水坝渗水的事故，其主要原因就是面板的压缩应力过大导致面板变形遭到破坏。龙首工程吸取上述经验教训，重新进行设计，降低了所填木板的压缩模量，使得混凝土面板的压缩空间变大，降低了压缩应力，同时也考虑到填充料也应具有一定的强度，填木强度设计为9Mpa以防止过大变形对止水造成破坏。
　　7水平缝设计
　　 面板分期施工时也设置水平缝，但只是临时的水平缝，不设置止水，但有钢筋穿过。近年来关于在高面板堆石坝面板设计中是否设置水平缝的讨论越来越激烈，有专家提出墨西哥的阿瓜米尔坝在建设时增加了一条垂直钢筋不穿过缝面的水平缝可能是有利的，但是当大坝出现渗漏时基本上都是沿着垂直缝挤压破坏的，因此，以后的面板堆石坝设计中几乎都没有设计永久水平缝。但是并不能忽视沿坝坡方向的应力集中，特别是当水坝蓄满水后，其破坏力很大。在水坝建筑史上，对高堆石坝混凝土面板设计水平缝目前还没有出现过，也没有真实资料可查。如何确定水平缝的高度，水平缝与垂直缝交叉区域面板的变化规律如何，这些难题非常复杂，现有的科技手段可以很好的解决这些问题，但对于堆石体与面板之间应力传递，面板内部应力和面板应力相互作用的模拟和分析，往往由于需要一些限制和假定很难做到精确和可靠。因此设置永久水平缝的方案有待专家学者进一步的研究[4]。
　　8其他防渗措施
　　 除了以上介绍的防渗措施外，目前广为采取的还有铺筑无粘性土方法，其是在面板开裂后起到一定的补偿作用，在坝顶向水库中倾倒无粘性土，沙土充满裂缝可以减少水库的渗透量，龙首工程采用了此方法，并且发挥了良好的作用。
　　9总结
　　 混凝土面板堆石坝是学者专家经过多年的探索才逐步发展起来的，继承了以前的先进经验，本文对龙首工程的面板与防渗设计做了简要介绍，简述了高面板堆石坝在设计中得新发展。垂直缝较以前相比有了很大的发展，特别是对混凝土面板中心区域的压缩缝，很好的解决了混凝土沿垂直缝方向挤压破坏的隐患。永久水平缝的设计仍是一个很复杂的研究课题，虽然水平缝能够缓解面板沿坝坡方向的应压力，但是无法从根本上避免应压力过大造成的面板开裂甚至破坏，目前也没有什么好的办法来解决这个问题。
　　
　　 参考文献
　　[1]中国水利水电科学研究院，深厚覆盖层工程特性及其处理技术研究成果报告，2003 p 121-128.
　　[2]冯业林,李云.趾板置于覆盖层的那兰水电站面板砂砾石坝设计研究[J].2006，(11)：45- 47.
　　[3] 顾永明.面板堆石坝脱空问题分析方法研究[J].河海大学硕士论文.2006， 72-74.
　　[4] 蒋国澄,赵增凯.中国的高混凝土面板堆石坝[J].混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集，北京.2000， 1-17.

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