浅析混凝土面板堆石坝面板破坏
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作者: 陈钢 刘兰英
【摘 要】近些年来，面板堆石坝因其具有良好的抗滑稳定性、良好的渗透稳定性、经济、适应性强等优点而广泛应用于水利水电枢纽工程中。混凝土堆石坝面板破坏成为大坝安全运行的最大威胁。本文探讨混凝土面板堆石坝面破坏机理，并提出相关防治措施。
【关键词】面板堆石坝；面板破坏；防治措施
0.引言
混凝土面板堆石坝(CFRD:Concrete Faced Rockfill Dam)是以堆石体为支承结构、并在其上游表面设置混凝土面板作为防渗结构的一种堆石坝。面板裂缝以成为堆石坝安全运行的最大威胁，其主要有表面性裂缝和结构性裂缝两种。温度裂缝和干缩裂缝多为表面性裂缝，又称为非结构性裂缝；贯穿性裂缝为结构性裂缝。
1.面板挤压破坏的影响因素分析
混凝土面板堆石堆石的变形是导致面板挤压破坏的最主要因素。对于一个具体的工程而言，面板的挤压破坏往往是多种因素的综合作用所致。从面板堆石坝的运行特性和混凝土面板的应力状态看，面板挤压破坏的影响因素主要包括以下几个方面：
1.1坝体变形
坝体堆石在水库蓄水以后所产生的变形是影响混凝土面板受力的最重要因素。而影响坝体变形的主要因素包括堆石材料的性质、堆石的压实密度、以及堆石体的填筑施工顺序等。相对而言，硬岩堆石的变形较小，软岩堆石的变形较大。压实密度较高的堆石体变形较小，而压实密度较低的堆石体变形较大。从我国目前的几座高混凝土面板堆石坝的工程实践看，坝体堆石均采用了中等硬度（饱和抗压强度大于30 MPa）以上的堆石材料，堆石的填筑密度也较早期的百米级坝高面板堆石坝有了较大的提高，堆石的孔隙率一般都小于20%。从填筑施工的顺序看，在满足施工导流渡汛要求的前提下，尽可能地缩小上、下游填筑面的高差，使上、下游填筑面平行上升，将有效地改善坝体的变形性状。另外，对于高坝而言，尽可能地减小主堆石区和次堆石区材料特性的差异，使填筑的坝体变形均匀，这也将有效地改善面板的应力状况，但要与充分利用各类材料和减少环境应力矛盾。
1.2河谷形状
从大坝的应力、变形分析角度看，不同的地形条件对于坝体和面板的应力和变形有着较为明显的影响。河谷的宽窄、岸坡的陡缓、两岸坡的对称性、以及坝肩是否存在台地等均可直接影响着坝体、面板的应力变形分布。就面板沿坝轴线方向的位移而言，坝肩面板向河谷中心方向的位移主要是受到堆石变形的牵带作用。相对而言，在河谷狭窄、宽高比较小的地形条件下，河床中部面板所受到的挤压应力较大。另外，从河谷的形状看，V形河谷较U形河谷更容易导致河床中部面板挤压应力的积累。从上述发生面板挤压破坏的几座面板堆石坝工程看，除天生桥一级面板堆石坝外，大部分的工程的坝址地形均为狭窄河谷（宽高比小于4）。天生桥一级面板堆石坝虽然河谷较宽，但从坝址的地形性状看，其河谷形式仍属于V形河谷。对于狭窄河谷，面板挤压应力的积累相对较快，所以，上述几座国外的面板堆石坝在蓄水初期即出现了面板的挤压破坏。而天生桥一级面板堆石坝由于河谷宽阔，堆石体后期变形及面板挤压应力的积累需假以时日，因此，挤压破坏发生在水库蓄水运行后的第5年。
1.3坝高
从目前统计资料看，出现面板挤压破坏的工程均为坝高大于150 m的高面板堆石坝。坝高对于面板挤压破坏的影响主要表现在随着坝高的增加，坝体的整体变形量加大，同时，由于高应力的作用，堆石的流变变形也会随之增加。另外，较高的库水位，也会导致面板应力的进一步增大。
1.4面板厚度
目前，混凝土面板堆石坝面板厚度的设计均遵从库克提出的与水头相关的变厚度公式，即：t=0.3+0.003H（其中，t为面板厚度，H为水头，m）。从面板发生挤压破坏的部位看，所有的破坏均发生在面板顶部。而从面板厚度计算公式所确定的面板厚度在顶部最薄，因此，面板承压面积的减少也可能是影响面板发生挤压破坏的因素之一。
1.5面板纵缝设计
早期的面板堆石坝面板纵缝之间曾采用木条等填充材料，但从哥伦比亚的安其卡亚面板堆石坝因面板间柔性填充而导致面板周边缝的拉开后，大部分的面板堆石坝工程均取消了面板压性缝的缝间填充，面板与面板之间为硬性接触。这导致了面板沿坝轴线方向的位移受到一定的限制，从而使河床中部面板因面板沿坝轴向位移所积聚的应变能无法释放。当坝高较低、坝体位移较小时，这种应变能的积累将只会导致面板应力的增加，而当坝高较高、堆石体位移较大时，就将导致面板的挤压破坏。因此，对于高面板堆石坝，在上部面板的的压性缝间适当设置一定厚度的柔性填充材料，以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，将对避免面板的挤压破坏起到较好的作用。
1.6混凝土受力状态
蓄水期河床段面板的中部沿坝轴呈双向受压状态（沿坝轴向方向和沿坝坡方向），面板顶部在坝坡方向为受拉状态，而沿坝轴线方向为受压状态。河床段面板顶部受力状态为拉压组合，即为空间异号受力状态，因此，从材料力学的观点来看，这个位置也是较容易发生破坏的部位。
1.7面板配筋
目前，面板堆石坝的面板配筋多采用双向0.35%～0.4%的配筋率，配筋率有所降低，而且，水平配筋率还略低于竖向。由于高坝河床段面板可能承受相对较大的水平向压应力，因此，面板的配筋也会对面板的抗压能力有所影响。在河床段面板的受压区，适当考虑采用一些抗挤压配筋，将会对提高面板的抗挤压能力有所帮助。
1.8面板运行的环境
面板堆石坝建成运行后，底部的面板常年处于水下，其运行环境相对较为稳定，而水位变动区和水位线以上部分的面板则易受到周围环境的影响，如水温、气温、阳光、冰冻等。在河床部位面板已经积累较高挤压应力的情况下，外界环境因素作用所导致的附加应力将使得面板的受力状况更加恶化。
2.措施
目前国内外高面板堆石坝工程中所出现的河床段面板挤压破坏现象应引起工程技术人员的高度重视。从上述的分析中可以发现，造成这种挤压破坏的最根本原因是堆石的变形。由此可见，对于高面板堆石坝而言，坝体的变形控制至关重要。这也是决定面板堆石坝是否能够向更高的高度发展的重要因素。
从以往的高面板堆石坝建设经验看，通过采取一定的工程措施，高面板堆石坝的变形应该可以得到有效地控制，而面板的挤压破坏也并非不可避免。具体而言，在工程的设计与施工中，可以采取以下工程措施：
（1）改善堆石的材料特性，提高堆石的压实状况。对于高面板堆石坝工程，应尽量采用中硬岩材料筑坝，并尽可能地提高堆石的岩石密度，降低其孔隙率（主堆石宜控制在20%以下）。
（2）进一步优化坝体的断面分区。分区优化的原则应使主堆石区自身相对较为稳定，并能够为面板提供可靠的支撑。因此，主、次堆石的分区线应倾向下游侧，且坡度不宜大于1∶0.5。
（3）合理控制坝体的填筑施工步骤和面板浇筑时机。应尽量保持上下游填筑的均衡上升，可能的话，最好能使下游区的填筑高度适当高于上游区。面板浇筑之前，应预留一定的堆石沉降时间，并同时以堆石的沉降变形观测控制面板浇筑时机。
（4）适当采用缝间柔性填料。在计算分析预测的面板沿坝轴线方向水平位移零线附近的垂直缝间填充柔性材料。
（5）严格控制面板混凝土浇筑质量。
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