1、1浅议水库混凝土面板堆石坝止水及计算原理摘要:本文通过对水库混凝土面板堆石坝止水、工程面板失效情况的计算分析、施工中应注意的问题,论述了坝体止水系统失效的模拟方法,并研究了周边缝以及面板垂直缝止水破损失效对坝体的影响规律。 关键词:水库混凝土；面板堆石坝；计算原理；施工；止水 中图分类号：P343 文献标识码： A 文章编号： 一、引言 混凝土面板堆石坝的防渗体系主要由混凝土面板、趾板、防渗墙及灌浆帷幕等基础防渗设施组成。混凝土趾板的作用是将基础防渗设施及坝体混凝土面板相连接,形成完整的防渗体系。混凝土趾板与面板之间设周边缝,趾板与面板都是分期浇筑的,块与块间也有各种接缝,接缝的止水也是防渗体
2、系中的重要环节。混凝土面板堆石坝的止水系统主要包括周边缝止水、面板划分条块的面板缝(垂直缝)止水、分期浇筑面板的水平缝止水以及面板与防浪墙底板间的水平缝止水等。这些不同类型的接缝止水是面板坝防渗体系中重要而又薄弱的环节,接缝张开、止水失效往往是面板坝大量渗漏,甚至导致面板坝出现险情的重要原因。 二、计算原理 考虑稳定渗流情况,采用基于变分不等式理论的固定网格迭代方法截止负压法求解。采用 Galerkin 逼近方法,可导出有限元矩阵方程如下: KP=F （1) 2式中K总体渗透矩阵; P结点压力列向量; F结点流量列向量。 它把各个单元的结点贡献累加到总体渗透矩阵和结点荷载列向量中去。式(1)是
3、非线性的,可用截止负压法求解。为了勾画出一个光滑而精确的自由面,允许在自由面以上的非饱和区中存在一定的负水压力,而饱和区中的压力保持为正,这样,单元中的零压面就是自由面。这些负压值应满足两个条件:应足够大,以保证自由面穿过单元时的插值精度;应有一定的幅值,即截止负压,保证当网格尺寸趋于零时,其值也趋于零。 三、止水失效影响分析 3.1 计算模型与方案 某混凝土面板砂砾石坝,趾板建于深厚覆盖层上,覆盖层以上坝高110m,坝顶高程 1654m,坝顶长度 337.6m。面板每 12m 分垂直缝,计算时截取 2 块 6m 宽的面板夹一条 2cm 宽的面板缝以及坝体和坝基建立有限元模型。X 轴为顺河流方
4、向,由上游指向下游;Y 轴为坝轴线方向,由右岸指向左岸;Z 方向为垂直向上,与高程一致。为了尽可能准确地模拟面板缝,并尽量减小计算规模,共取了 10 个控制断面,沿坝轴线方向分别为： Y=0.0,3.0,5.5,5.9,6.0,6.02,6.12,6.5,9.0,12.02(m)。加密细分后形成有限单元网格,生成的有限元结点总数为 29990,单元总数为25839。析止水系统破损失效对大坝渗流性态的影响,研究坝体止水系统破损失效对坝体内的浸润面、渗透坡降、渗透流量等的影响规律,拟定 19种工况进行计算分析,其中包括 2cm 宽周边缝破损失效时缝宽分别被拉为32cm、5cm、10cm 和 20c
5、m;面板缝下部、中部和上部分别失效;每种类型失效时又分为 50%止水破损失效(缝后水头为缝前水头的 50%)、75%止水破损失效(缝后水头为缝前水头的 75%)、100%止水破损失效(缝后水头等于缝前水头)等。 3.2 计算参数 坝基岩体渗透系数如表 1 所示。 表 1 坝基岩体渗透系数表 3.3 计算结果与分析 3.3.1 浸润面的变化 (1)当周边缝止水破损失效时,各断面浸润线位置变化不大;但当面板缝止水破损失效时,在断面 Y=3.0m(Y=6.01m)浸润线稍高。 (2)对于不同的破损程度,即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破损失效,比较其与止水系统完好时的浸润线位
6、置,可见,随着破损程度的不断提高,坝体浸润线也依次升高。一般在坝轴线前的浸润线位置变化较大,在坝轴线后的浸润线变化较小。 (3)周边缝止水完全破损失效共模拟四种类型,即 2cm 宽的周边缝失效后缝宽分别被拉为 2cm、5cm、10cm 和 20cm,失效长度均为 6m。由工况比较可知,随着接缝宽度的不断增大,坝体浸润线也逐次升高,但总体来说,变化不大。 (4)面板缝止水破损失效共模拟三种类型,分为上部止水破损失效、4中部止水破损失效、下部止水破损失效,其失效长度相当。由工况比较分析可知,面板缝中部止水破损失效时坝体浸润线位置较高，上部止水破损失效时坝体浸润线位置较低;下部止水破损失效时浸润线位
7、置介于前两者之间。也就是说,在本模型所采用的计算参数条件下,中部止水破损失效影响较大,其次为下部止水破损失效,最后为上部止水破损失效。 3.3.2 渗透流量的变化 (1)当周边缝止水破损失效时,对于不同的破损程度即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破损失效,比较其与止水系统完好时的渗透流量,可见,随着破损程度的不断提高,通过坝体和坝基的流量也依次增大。 (2)面板缝止水破损失效时,对于不同的破损程度即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破损失效,比较其与止水系统完好时的渗透流量,可见,随着破损程度的不断提高,通过坝体和坝基的流量也依次变大,但变化幅度不大。
8、在相同程度的破损失效工况中面板缝中部止水破损失效通过坝体和坝基的流量较大,其次为面板缝下部止水破损失效,面板缝上部止水破损失效通过坝体和坝基的流量较小。 (3)因周边缝止水破损失效只模拟了 6m 长的止水破损失效,而面板缝止水破损失效模拟了约 48m 长的止水破损失效,故面板缝失效时的渗透流量比周边缝失效的渗透流量明显大,周边缝和面板缝止水均破损失效的流量比周边缝止水失效的流量大得多,比面板缝止水失效的流量稍大。因此,在周边缝长度与面板缝相近的情况下,周边缝止水失效的影响不如面板缝止水失效影响大。 5(4)当周边缝止水完全破损失效,随着失效后缝宽分别被拉为2cm、5cm、10cm 和 20cm
9、,流量逐渐增大,分别增大 14.4%、14.4%、14.6%和 15%,但变化幅度不大。 3.3.3 渗透坡降的变化 (1)周边缝止水破损失效时,对于不同的破损程度即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破损失效,比较其与止水系统完好时坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降,可见,随着破损程度的不断提高,坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降也依次变大,但变化幅度很小;并且均位于距下游坝趾 50m 处。 (2)面板缝止水破损失效时,对于不同的破损程度即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破损失效,比较其与止水系统完好时坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降,可见,随着破损程度的不断提
10、高,坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降也依次变大,但变化幅度不大。在相同程度的破损失效工况中面板缝中部止水破损失效坡降较大,其次为面板缝下部止水破损失效,面板缝上部止水破损失效坡降较小。面板缝中部止水破损失效坝体内的最大渗透坡降位于点 A 附近,面板缝上部止水破损失效和面板缝下部止水破损失效坝体内的最大渗透坡降均位于距下游坝趾 50m 处。有三个工况坝体内最大渗透坡降偏大,是因为三个工况均为面板缝中部止水破损失效,该部位位于止水系统完好时的坝体浸润线的上部附近,故失效后此处坡降较大。 (3)周边缝和面板缝止水均破损失效时,对于不同的破损程度即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破
11、损失效,比较其与止水系统6完好时坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降,可见,随着破损程度的不断增大,坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降也依次变大,但变化幅度不大;并且均位于点 C 前。 (4)周边缝止水完全破损失效共模拟四种类型,即 2cm 宽的周边缝失效后缝宽分别被拉为 2cm、5cm、10cm 和 20cm,失效长度均为 6m。由工况比较可知,尽管接缝宽度不断增大,坝体内的最大渗透坡降和出逸坡降变化甚微。 四、施工中接缝止水应注意的问题 由于科学技术的不断进步，施工设备越来越先进，面板堆石坝优点是就地取材，在我国该坝型越来越多，而且都是属于高坝（100 米以上） ，混凝土面板堆石坝（钢筋混凝土面板碾
12、压堆石坝）是 60 年代以后发展起来的，目前世界上最高的钢筋混凝土面板堆石坝是中国 2011 年竣工的233m 高的水布垭水利枢纽，100 米高度以上的面板堆石坝全国更很多。随着技术的发展面板坝的高度逐渐增加，接缝止水的难度也相应增加，为了保证工程的安全，在高坝中三道止水的应用也越来越广泛。 4.1 面板块与块之间竖向永久缝的施工 竖向永久缝的主要作用是将面板分成块，使施工过程中面板混凝土的浇筑量能满足要求，保证大坝面板施工的质量。从实践中来看，施工过程中面板块与块之间的分缝（倒三角）从根本上不能满足要求，更不向设计所设计的那样美观。 很多人在施工过程中根本不注意这样的小问题，分缝的倒三角主要
13、存在以下的问题：（1）整条缝不在一条直线上，面板之间的分缝是满足7设计要求，但是在施工中该倒角模具固定较为困难，受到滑模干扰时产生了变形或变位，从而导致倒角不在同一条直线上；（2）倒角的深浅、宽窄不一致，施工时因倒角模具的固定较为困难，很多工程在施工中根本不采取相应的措施保证模具的固定，而是用人工进行留缝。面板混凝土浇筑完成达到一定的凝期后，必须立即进行接缝处理，保证在主汛期来临之前完成大坝上游的盖重施工。 4.2 塑性填料的施工 塑性填料是以丁基橡胶等高分子材料为主要原料生产的一种塑性密封材料，在水压力作用下，能由嵌缝位置挤入接缝中，发挥填缝止水作用。 目前在施工中所用的塑性填料匀为片状，在
14、接缝止水实施时，首先对倒三角槽清净后安装完成 PVC 橡胶棒，然后填塑性填料，在接缝止水施工时，对于塑性填料的回填是非常重要的，要根据设计尺寸的要求填塑性材料，由于塑性填料不与设计尺寸一样，必须重复回填捶实，周而复始的填料，直到满足设计尺寸要求为止，这样在很大程度在增加了施工的难度，延长了施工时间，增加了工程投资，同时在施工时的质量也难以得到保证。 鉴于面板堆石坝接缝止水以上各种因素的影响，在施工中要特别注意施工过程中的每一个环节，必须按照设计图纸、施工规程规范进行施工。目前混凝土面板堆石坝的兴起，建议根据坝高确定接缝止水塑性填料的尺寸取值范围和形状，直接由生产厂商在出厂时确定其形状大小，或者
15、生产如混凝土挤压边墙机一样的机械在现场进行加工，从而保证塑8性填料的密实性，使施工质量得到保证，当接缝发生微小的变化时塑性填料能整体嵌入接缝中，使塑性填料发挥最大的止水作用，面板坝的安全运行得到最大的保证。 五、结论 (1)对于不同的破损程度即 50%止水破损失效、75%止水破损失效、100%止水破损失效,比较其与止水系统完好时的浸润线位置,可见,随着破损程度的不断提高,坝体浸润线也依次升高,流量也依次增大。 (2)无论是周边缝止水破损失效还是面板缝止水破损失效,对坝体内浸润面的影响主要体现在坝体上游部分,即坝轴线以上的浸润面位置变化较大,而对坝体内下游部分浸润面的影响不明显。 (3)除面板缝中部止水失效时坝体内最大渗透坡降偏大外,其余止水失效对坡降影响均不大。 (4)对于本模型所用的计算参数及水力条件,当面板缝止水失效时,面板缝中部止水失效对坝体内的浸润面、渗透坡降、渗透流量等的影响较大,经分析,是因为止水失效部位位于浸润线上面,相当于自由出流。 （5）在实施过程中各种材料的质量必须满足接缝止水的要求，要注意施工时的各项工序，保证接缝止水的美观，塑性填料的密实性好。
