面板堆石坝面板接缝实测变形性态研究

张 猛，杜雪珍

(1.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；2.国家能源局 大坝安全监察中心，杭州 311122)

1 概 述

面板堆石坝面板分缝的目的是为了适应坝体的变形，接缝的结构及止水一般根据地形条件、地质条件和坝体条件(包括坝高和填筑堆石体可能产生的变形)确定，接缝包括垂直缝和周边缝。面板堆石坝在各个方向变形的综合作用下，使堆石体上游面和面板产生法向挠曲变形，在河床中间部位的挠曲变形相对较大，呈向下游凹镜式挠曲面，使面板沿垫层从两侧向河谷移动，靠近两岸的垂直缝拉张，河谷部位垂直缝压紧；同时使周边缝两侧的底座与面板产生相对错动。当堆石体变形过大时，将导致堆石体与面板之间变形不协调，面板出现脱空或开裂现象；面板变形过大时，易发生断裂或挤压破损；周边缝变形过大时，易造成止水系统破坏和严重渗漏，甚至危及大坝安全。

为监测面板接缝安全，规范规定在面板垂直缝和周边缝处布置接缝变形监测项目，其中垂直缝处一般设置单向测缝计，周边缝处设三向测缝计。研究已建混凝土面板堆石坝面板接缝的实测变形性态，了解面板接缝变形量值合理变化范围、影响因素及变化规律，可对运行期面板接缝的安全监测提供有益指导。

2 面板垂直缝开合度

2.1 量值范围

统计国内22座已投入运行的面板堆石坝垂直缝最大开度、坝高关系，见图1。由图1可见，面板垂直缝开度大多在20 mm以内，仅水布垭(29 mm)、洪家渡(38 mm)、天生桥一级(43 mm)3座高面板堆石坝垂直缝开度超过20 mm。

图1 国内部分面板堆石坝垂直缝最大开度情况对比图

2.2 量值影响因素

面板垂直缝开度取决于堆石体向河谷中央变形时坝体与面板之间的摩擦力，因此坝越高、河谷越窄、岸坡越陡、最大沉降/坝高比越大，面板垂直缝开度就越大。

2.3 变化规律及分布规律

面板垂直缝开度大小与气温和库水位有一定的相关性，温度升高则缝宽减小，温度降低则缝宽增大；面板受水压后，一般中部垂直缝闭合，两岸的张开，水位越高，靠近两岸的张性缝缝宽增大，靠近河床的张性缝缝宽略有减小。其分布规律为靠近两岸张性缝开度较大，靠近河床的张性缝开度较小。回归分析成果表明，温度位移分量普遍大于水压位移分量。

3 面板周边缝变形

趾板固定在基岩上，面板则跟随堆石发生位移，因此面板接缝中的薄弱环节是周边缝。周边缝存在三向变形，即面板平面方向的张开变位(开合度)、垂直面板平面的法向变位(沉降)、平行周边缝的剪切变位(剪切量)，面板周边缝变形大小是衡量面板堆石坝安全运行的一项重要指标，它的大小关系到面板堆石坝防渗止水效果。

3.1 量值范围

统计国内23座面板堆石坝周边缝最大变形量(最大沉降、最大剪切、最大开度)、坝高关系，见图2-图4。

图2 国内部分面板堆石坝面板周边缝最大沉降量对比图

图3 国内部分面板堆石坝面板周边缝最大剪切量对比图

图4 国内部分面板堆石坝面板周边缝最大开度对比图

由图2-图4可见：

1)有17座大坝周边缝最大沉降量在50 mm以内，占总量的77%；仅三板溪(50 mm)、滩坑(55 mm)、马鹿塘二期(67 mm)、公伯峡(76 mm)、小山(56 mm)等5座大坝面板周边缝最大沉降量超过50 mm。

运行经验和试验证明，接缝过大的切向位移是引起铜止水片破裂的主要原因[1]，应引起重视。有18座周边缝最大剪切量在30 mm以内，占总量的83%；仅三板溪(59 mm)、洪家渡(37 mm)、马鹿塘二期(43 mm)、引子渡(36 mm)、小山(36 mm)等5座大坝面板周边缝最大剪切量超过30 mm。

有20座周边缝最大张开量在40 mm以内，仅三板溪(72 mm)、公伯峡(55 mm)、小山(55 mm)等3座大坝面板周边缝最大张开量超过40 mm。

就同一工程而言，3种变位中大多数以沉降值最大。

2)马鹿塘二期大坝面板周边缝最大沉降量(67 mm)、最大剪切量(43 mm)偏大，其量值均发生在坝纵0+032.00监测断面600.50 m高程的周边缝处。在进行面板周边缝修复过程中，通过现场查看，该处面板和趾板间确实出现了较大的裂缝。

公伯峡大坝周边缝最大沉降量(76 mm)、最大张开量(55 mm)偏大，经分析发现，公伯峡大坝右岸周边缝变形普遍较大，张开量、沉降量大多超过设计标准(该坝周边缝开合度、沉降设计值分别为20、40 mm)[2]，且尚未完全稳定。现场检查发现，右岸周边缝3号面板高程1966.82～1967.72 m范围混凝土破损，并有渗漏通道。这主要是因为右岸周边缝变形是混凝土面板与右岸高趾墙之间的相对变形，而右岸高趾墙目前变形尚未趋于稳定，导致右岸周边缝变形量较大。

三板溪大坝周边缝最大剪切量(59 mm)、最大张开量(72 mm)偏大，最大剪切量和张开量均发生在左MB8处的J3-09测点，该坝周边缝设计能适应切向6 cm、张开6 cm、沉降10 cm的变形，除张开变形略超过设计值外，沉降和剪切变形均未超过设计值。J3-09仪器目前已损坏，从仪器失效前测值可初步判断，周边缝变形尚在允许范围内，且已经稳定了一段时间。从目前运行正常的两组仪器J3-04、J3-12仪器可知，大坝完工4年后面板周边缝变形基本保持平稳，表明周边缝变形在后期受库水位和温度变化影响并不明显，运行性态较为稳定。而变形量最大的J3-09埋设高程要低于坝前黏土铺盖顶高程[3]，如果此处出现止水局部破损，受黏土防渗和垫层料的自愈作用，防渗性能仍有保证。

小山周边缝最大张开量(55 mm)偏大，该量值发生在8号面板周边缝处，主要是在2000年时测值发生突变引起，可能与仪器性能有关，之后测值较稳定。

3.2 量值影响因素

面板周边缝变形主要取决于坝体变形，一般来说坝越高、坝体变形(最大沉降/坝高比)越大，周边缝变形越大；周边缝变形尤其是剪切位移也与河谷形状、岸坡坡度及其变化密切相关，一般来说，岸坡陡峻则周边缝变形较大；沉降位移还对趾板体型、周边缝处堆石厚度及压实程度等因素敏感。此外，周边缝变形还与坝体施工质量有关。

3.3 变化规律

周边缝变形与温度有一定的相关性，大多数与库水位相关关系不明显。周边缝变形主要发生在施工期和蓄水初期，之后坝体变形逐渐趋于稳定，周边缝变形也趋于稳定。

4 结 论

经过对国内已投入运行的20多座面板堆石坝面板接缝实测变形性态进行研究，结论如下：

1)面板垂直缝开合度。面板垂直缝正常运行，张开量一般在20 mm以内，仅水布垭(29 mm)、洪家渡(38 mm)、天生桥一级(43 mm)3座高面板堆石坝垂直缝张开量超过20 mm，可将张开量不超过20 mm作为面板垂直缝开度合理范围的经验参考值。面板垂直缝开合度取决于堆石体向河谷中央变形时坝体与面板之间的摩擦力，因此坝越高、河谷越窄、岸坡越陡、最大沉降/坝高比越大，面板垂直缝开度就越大。

2)面板周边缝变形。面板周边缝正常运行，实测最大沉降量、最大切向位移、最大张开量一般在50、30、40 mm以内，可将其作为面板周边缝三向变形合理范围的经验参考值。面板周边缝变形主要取决于坝体变形，一般来说坝越高、坝体变形(坝体最大沉降/坝高)越大，周边缝变形越大，另外也与河谷形状、岸坡坡度、趾板体型、堆石厚度及压实度、坝体施工质量等有关。周边缝变形过大易造成止水系统破坏和严重渗漏，马鹿塘二期、公伯峡、三板溪3座大坝均出现过因周边缝变形过大导致止水局部破坏的情况。运行经验和试验证明，接缝过大的切向位移是引起铜止水片破裂的主要原因，应引起重视。