小井沟混凝土面板堆石坝裂缝预防控制措施分析.pdf

第4 7卷 第 2 4期 2 0 1 6年 1 2月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 4 7 No 24 De e， 2 01 6 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 2 4 0 0 7 6一 o 4 小井沟混凝土面板堆石坝裂缝预防控制措施分析 张 安 ( 水利部水 利水电规划设计 总院 ， 北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘 要 ： 混凝 土面板堆 石坝裂缝模 拟预测技术 尚不成 熟， 仅依 靠数值模 拟手段进 行 面板 裂缝预 防难 以奏 效。以 小井沟水利工程钢筋混凝 土面板堆 石坝为例 ， 在介 绍项 目基本情 况的基础 上 ， 结合坝体监 测 资料 和面板数 值 模 拟结果 ， 分设 计、 施工、 初期 蓄水等三个阶段探讨 了面板 裂缝预 防控制措 施 ， 并提 出 了对工程 裂缝 的监测 和 管理措施。相关控制措施和建议 可供 类似 工程设计参考。 关键词 ： 混凝土面板 ； 堆石 坝 ； 裂缝 ；水利工程 中图法分类号 ： T V 6 4 1 1 文献标志码 ： A D0I ： 1 0 1 6 2 3 2 j e n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 6 2 4 0 1 7 面板堆石坝在经济性、 施工便利性等方 面具有 明 显优势 ， 随着技术的进步和经验的累积 ， 越来越多地被 应用于拦河工程中， 特别是高 山峡谷地区的水利水电 工程 。面板堆 石 坝临水 侧 的混 凝土 面板 裂缝 是影 响 大 坝安全的重要 因素 ， 面板裂缝控制贯穿工程设计 、 建设 施工 、 初期蓄水和建成运行 的全过程 ， 如何有效地预防 控制面板裂缝是工程界广受关注的问题 。国内外在面 板裂缝控制方面开展 了大量研究 ， 包括实体监测、 数值 模 拟 、 裂 缝成 因 、 控制 措施 、 渗 漏处 理 等 ， 目前 已基 本 清楚 面板 裂缝 的主 要 影 响 因素 ， 提 出并 实 际 应 用 了 多 种预 防控 制措 施 。影 响 面板 裂 缝 的控 制 因素 较 多 ， 包括河谷形态、 坝基地质状况、 坝体形态、 筑坝材料力 学性能和渗漏参数 、 施 工工艺 、 工程蓄泄水计 划安排 等 ， 在工程实践 中如何考虑这些影响因素并选用适 当 的预防控制措施 ， 是工程设计、 施工和运行中需要进一 步研究解决的技术问题 。本文在介绍小井沟水利工程 及其混凝土面板堆石坝基本情况 的基础上 ， 结合 实 体监测资料和数值模拟成果 ， 对小井沟面板堆石坝工 程 的面板 裂缝 预 防 和控 制 措 施 进 行 初 步探 讨 ， 为 面 板 堆石坝面板裂缝预防控制技术的发展完善提供经验积 累 和技术 参 考 。 1 工程概况 小井沟水利工程是一项 以城市供水 、 农业灌溉为 主要功能 ， 兼顾农村人畜饮水 等综合利用的大( 二) 型 水 利工 程 ， 工 程 包 括 小 井 沟 水 库 和 输 水 工 程 两 部 分 。 主要建筑物有钢筋混凝土面板堆石主坝 、 溢洪道、 泄洪 放空隧洞、 放水隧洞 ， 另布置 7座 副坝 ， 库外有排洪渠 等工程 。工程设计总工期为 4 3个月。 主坝体结构布置为 ： 混凝土面板堆石坝布置于狭 窄河谷段 ， 坝顶长 2 3 2 0 4 m， 坝顶高程 4 3 1 6 0 m， 最大 坝高 8 7 6 0 m， 坝顶宽度为 8 0 m。上游坝坡为1 - 1 4 ； 下游坝坡为 1 ： 1 5 ， 设两级马道 ， 马道宽度4 m( 高程为 4 0 1 6 0 m和 3 7 1 6 0 m) ； 在下游坝坡高程 3 5 8 8 0 m以 下设 压脚 区 ， 顶宽 2 0 m， 坡 比 1 ： 2 。 混 凝土 面 板厚度 以 T；0 3+0 0 0 3 H控制 进行 设 计 ， 实际面板厚度为 0 3 0 6 m。两岸受拉区混凝土 面板每块宽 6 m， 坝体 中部受压 区每块宽 1 2 m， 总计 2 6块 。混凝土趾板为平趾板 ， 宽度为 6 m和 8 m， 厚度 为 0 8 m。 堆石坝体材料分区如下 ： 面板上游为铺 盖区和盖 重 区， 顶部 高程 3 8 5 0 0 m， 顶部水平厚度 分别为 1 m 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 91 0 作者 简介 ： 张安 ， 男， 高级 工程师 ， 主要从 事水利工程设计咨询及 审查 工作 。Em a i l ： z h a n g a n g i w p o r g e n 第 2 4期 张 安 ： 小 井沟混凝土 面板 堆石坝裂缝预 防控制措施分析 7 7 和 4 m， 两区上游坡 比分别为 1 ： i 4 ， 1 ： I 9 ； 其 中铺盖 区紧靠面板铺填 1 0 m等厚的粉煤灰 ， 加强 防渗 自愈 能力。面板下游依次为垫层 区( 水平宽度 3 m) 、 过渡 区( 水平宽度 3 m) 、 “ L ” 型排水带( 垂直排水带水平厚 度 5 IT I 、 水平排水带厚 5 i n ) 堆石 区、 下游护坡及压脚 区 。 下 闸蓄水 前 ， 混凝 土 面板 裂缝 问题 较 为突 出 ， 共 发 现 1 9 9条微 细 短 裂 缝 。所 有 裂 缝 走 向基 本 为 水 平 向 ， 其 中 I 类 缝共 1 8条 ， 总长 1 2 9 6 m， 占裂 缝 总长 度 6 7 7 ； I I 类缝 共 1 5 5条 ， 总长 1 4 8 5 m， 占裂缝 总 长度 7 7 5 3 ； 类缝 共 2 6条 ， 总长 3 0 0 9 m， 占裂缝总长 度 1 5 7 1 。裂缝宽度为 0 0 6 0 9 4 mm， 一般小于 0 5 m m； 裂缝深度为 0 0 1 8 0 4 1 8 m。 2 设计控制措施 2 1 面板应 力变形数值模拟分 析 随着技术的进步和裂缝控制处置实践与监测资料 的积累 ， 面板堆石坝裂缝的数值模拟精度不断提高 ， 目 前 已成为工程设计 的重要辅助手段 。通过对坝体整体 二维有限元建模分析计算 ( 未考虑流变 ) 和三维有限 元建模分析计算( 考虑流变) ， 得到坝体应力应变计算 特征值见表 1 。三维有限元静力分析计算 中， 考虑坝 料流变情况下正常运行期 的面板应力应变计算特征值 见 表 2 。 表 1坝 体 应 力 应 变 计 算 特 征 值 竖向 位 移 模型 c m 水 平向 位 移 c m 最大 第 一 最 大 第 三 指 向 上游 指向 下 游 主 应 力 k P a 主 应力 k P a 竣工 期 蓄 水 期 竣 工期 蓄 水期 竣 工期 蓄 水 期 竣工 期 蓄 水 期 竣 工 期 蓄 水 期 坝 轴 向 位 移 cm 顺 坡 向 应 力 kPa 坝 轴 向 应 力 ，kPa !生 告 戛 计算 结果 表 明： 正 常运 行期 坝体 最大沉 降量 为 9 6 2 c m， 是坝高 的 1 1 ； 面板最大挠度为 2 9 9 c m， 相 比同类工程偏 高， 但 尚在正常范围之 内。面板最大 顺坡 向压应力为 7 0 8 MP a ， 未 出现拉应力 ； 面板 轴向 最大压应力为 2 2 8 MP a ， 拉应力为 0 6 1 MP a ， 均低于 面板的抗压和抗拉强度 ， 静力状态下面板 的应力状态 满足要求。面板竖缝张拉 1 7 m m； 面板周边缝沉 陷 1 4 m m， 剪切 2 6 mm， 张拉 1 0 m m， 面 板周边 缝 三 向变形 以 及垂直缝的最大张开量均在设计的止水结构和止水材 料 允许 范 围 内。 2 2 坝体 设计上的控制措施 ( I )坝顶预留沉降超高。为满足竣工后坝体沉降 要求 ， 坝顶应预 留竣工后沉降超高。根据有限元计算 分析结果 ， 坝体沉降最大值为 8 3 2 c m， 目前大坝实际 观测坝体沉 降最大值为 5 1 8 c m， 趋 于收敛 ， 尚未稳 定 。有限元 计算结 果表 明， 蓄水后 坝顶沉 降量为 1 3 c m。该工程坝顶设计预留竣工后沉 降超高 8 0 c m， 偏 于安 全 。 ( 2 )面板设计。混凝土 防渗面板采用 0 30 6 m变厚面板 ， 面板混凝土强度等级为 c 。 2 5 ， 抗渗等级 WI 2， 抗冻等级 F 1 0 0 。为减少面板开裂 ， 在混凝土 中 外掺 0 9 k g m 的聚丙烯纤维。面板布筋采用单层双 向 l 40 2 2 1 5 0钢筋 ， 钢筋 布置在面板混凝 土 中 部 。每向含筋率均为 0 4 ， 在周边缝 、 垂直缝侧面设 置 0 1 4 1 5 0抗挤压钢筋。坝体两侧每 6 m设置一条 张性缝 ( 左右各 7条 ) ， 坝体中部每 1 2 m设置一条压 性 缝 ( 共 i 1条 ) 。 ( 3 )接缝止水设计。接缝止水分为周边缝、 面板 垂直缝 ( 压性缝 、 张性缝) 、 防浪墙伸缩缝 、 防浪墙底缝 等类型。面板及趾板 间的周边缝全长 3 8 5 1 m， 设置 2 道止水 ， 底部采用 F型铜片止水 ， 表面以 0 8 0 P V C棒嵌 人 V槽 内， 再用三元乙丙 复合橡胶板包裹 S R填料覆 盖在上面 ， 最后再用不锈钢保护罩安装在最外层。面 板 垂 直缝 分压 性缝及 张 性缝 ， 全长 1 8 7 2 5 m。河床 部 位面板设置 l 1条压性缝 ， 两岸受拉部位共设置 1 4条 张性缝 ， 均设置两道止水 ， 底部为“ w” 型铜 片止水 ， 表 层 以 0 2 0 P V C棒嵌入 V槽 内， 外盖三元乙丙橡胶增强 型 S R防渗盖片， 并用不锈钢保护 ， 侧面涂沥青乳液 ， 采用 HK弹性封边剂。 ( 4 )垫层坡面保护措施及反向排水设计。垫层坡 面度汛措施及防雨水 冲刷保护采用挤压边墙技术， 挤 压边墙高度 0 4 m， 顶部宽度 0 1 m， 底部宽度 0 7 m， 上 游 坡度 1 ： 1 3 9 3 ， 下 游坡度 为 I ： 0 1 。挤 压边 墙混 凝 土 弹性模 量 2 0 0 05 0 0 0 MP a ， 2 8 d抗 压 强 度 不 大 于 5 MP a ， 干密度 大于 2 1 g c m ， 渗透 系数 1 0 1 0 c m s 。为有效排除施工期坝基积水 ， 解决坝体 内反渗 水压问题 ， 确保上游面垫层料 、 挤压边墙不被破坏 ， 在 河床趾板段设置 3个反 向排水管 ( D1 0 0无缝钢管 ) ， 在上游铺盖施工前 ， 管 内以膨胀砂浆封堵 ， 外端部钢板 焊封， 并在管 口外浇筑 C 2 5混凝土墩( 5 0 c m X 5 0 c m 5 0 c m) 封闭 。 第 2 4期 张 安 ： 小井沟混凝土面板堆石坝裂缝预 防控 制措 施分 析 7 9 小于 1 5 c n l ， 并采取必要的锚固措施 。 4 工程 安全监测 小井沟面板堆石坝的监 测设计项 目齐全 ， 针对性 较强， 主坝布置了变形、 渗流、 应力及温度监测项 目， 总 体上符合监测规范要求。主坝变形、 渗流、 应力应变及 环境量测点数量分别为 1 4 2 ， 4 6 ， 6 6个和 1 6个 ， 主坝测 点数量约 占测点 总数的 5 0 。上述测 点布置总体上 能满 足 工程 安全 监测 的需 要 。 各监测项 目的观测时间可分为 3种情况 ： 混凝 土面板内埋设 的钢筋计、 应变计、 测缝计及渗压计等按 规范要求 的时间进行观测 ； 主坝 内埋设 的水管式沉 降仪及水平位移计观测 时间滞后较多 ， 直 至堆石坝填 筑上升约 2 0 m后才开始观测 ； 右岸边坡、 面板周边 缝 、 上下游水位测点至今 尚未开始观测。 由于主坝内部沉 降及 水平位移 起测 时间滞后较 多 ， 且观测房处的变形未能很好地修正 ， 因此 目前坝体 垂 直 和水 平位 移 的观 测结 果 比实 际变 形偏 小 较多 。 5 蓄水期控制措施 ( 1 )设计合理的分级蓄水方案。水位蓄至死水位 4 0 9 O 0 I n后 ， 可运用取水洞或泄洪放空洞使库水位保 持一段时间 ， 对大坝变形、 渗流及面板应力应变等安全 监测结果进行分析评价 ， 再 根据评 价结论继续抬升库 水 位 。 ( 2 )完善蓄水方案 ， 加强监测。进一 步完善和细 化下闸蓄水方案 ， 并制定蓄水监测工作计划、 监测规章 制 度 及巡 视检 查 规程 ， 提 出 主 要 监测 量 的设 计 技 术 警 戒值。加强监测资料的分析评价 ， 并进行预测 、 预报及 预警 ， 发现问题及时处理。 6 结 语 本文对小井沟面板堆石坝的面板裂缝预防和控制 措施进行 了初步探讨 ， 在分析面板裂缝实体监测数 据 和数值模拟分析成果 的基础上 ， 提出了设计 、 施工 、 初 期蓄水等阶段面板裂缝 的预 防控制措施 。分析表 明： 仅仅依靠数值模拟成果进行面板裂缝的控制预防往往 难以奏效 ， 裂缝产生发展机理有待进一步探索 ； 对于面 板裂缝控制 ， 除设计、 施工、 蓄水等需要充分考虑面板 裂缝控制要求外 ， 监测和管理也是面板裂缝控制的重 要措施 ； 蓄水期应加强坝体渗流及大坝外部变形监测 ， 除加密监测频次外 ， 还应对大坝上游面板 、 周边缝、 下 游坝脚等重点部位组织定时巡察 ； 加强监测资料分析 ， 对监测数据进行定量评价 ， 并进行预测 、 预报及预警 ， 发现问题应及时上报 ， 研究处理。 致 谢 本文撰 写的过 程 中得 到项 目设 计单位的 大力 支持 ， 部 分数据 采 用了项 目初步设计阶段 和蓄水安全鉴 定的成果 。 在 此对相 关设计人 员和设 计 单位一并表示感谢 。 参考 文献 ： f 1 1 徐泽平 堆石压 实标准及结构分区对混凝土面板堆石 坝应力变形 影响的研 究 综述 J 中 国水 利 水 电科 学研 究院 学报 ， 2 0 0 9， 7 ( 2 ) ： 1 1 21 1 9 张伟 温泉水 电站大坝面板混凝土裂缝成因及 处理措施 J 水利 水 电技术 ， 2 0 1 3， 4 4 ( 1 O )： 9 39 5 谭界雄 ， 高大水 ， 王秘学 。 等 白云水 电站 混凝土 面板 堆石坝 渗漏 处理技术 J 人 民长江， 2 0 1 6 ， 4 7 ( 2 ) ： 6 2 6 6 王子健 ， 刘斯宏 ， 李玲君 ， 等 公 伯峡 面板 堆石坝 面板裂缝成 因数 值分析 J 水利学报 ， 2 0 1 4， 4 5 ( 3 ) ： 3 4 3 3 5 0 戴 乐军 。 杨文龙 ， 余仲军 德泽水库混凝 土面板堆石坝趾板 混凝土 裂缝处理 J 人 民长江， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 4) ： 4 6 4 8 党发 宁， 杨超 ， 薛海斌 ， 等 河谷 形状对 面板堆石坝 变形特性 的影 响研 究 J 水利学报 ， 2 0 1 4， 4 5 ( 4 ) ： 4 3 5 4 4 2 余 小孔 ， 王正 中， 刘铨 鸿 面板 堆石 坝面板 力学模 型及应 力 分析 J 人民长江， 2 0 1 0， 4 1 ( 1 7 ) ： 7 4 7 8 张安 四川省 自贡 市小井沟 水利工程蓄 水安全鉴 定报 告 R 北 京 ： 水利部水利水电规划设计总院。 2 0 1 5 ( 编辑 ： 郑 毅) S l a b c r a c k p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l me a s u r e s f o r X i a o j i n g g o u C F R D ZHANG An ( C h i n a R e n e w a b l e E n e r g y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， B e n g 1 0 0 1 2 0 ) Abs t r a c t：Th e s i mu l at i o n a n d f o r e c a s t t e c h no l o g y o f s l a b c r a c k o f CFRD i s s t i l l u n de r d e v e l o p me n t ，t he c r a c k p r e v e n t i o n me a s u r e s s o l e l y d e p e n d i n g o n n u m e r i c a l s i mu l a t i o n d o n 1 w o r k e f f e c t i v e l y T a k i n g X i a o j i n g g o u C F R D a s a n e x a m p l e ，w e fi r s t p r e s e n t t h e b a s i c c o n d i t i o n o f p r o j e c t ，a n d a c c o r d i n g t o t h e d a m mo n i t o r i n g d a t a a n d s l a b n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t ，w e d i s c u s s t h e s l ab c r a c k pr e v e nt i o n a n d c o nt r o l me a s u r e s i n t e r ms o f t h r e e s t a g e s o f de s i g n，c o n s t r u c t i o n a n d i n i t i a l i mp o u n dme n t ，a n d a l s o s o me mo n i t o r i ng a n d ma n a g e men t me a s u r e s f o r t h e c r a c k s a r e s ug g e s t e d Ke y wor d s： CFRD；r o ckfil l i ng d a m ；c r a c k；h y dr a u l i c e n g i n e e r i n g