（水工结构工程专业论文）混凝土面板堆石坝周边缝的设计研究.pdf

摘要 混凝土面板堆石坝周边缝的设计研究 学科： 导师： 摘要 作者： 套买 答辩日期：2 0 0 2 3 据凝士面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一，它具有安全性好，适应性强，工期较短， 造价低，就地取材，施工力便，导流简单等优点。比较适合我国的国情和水利水电工程条件， 具有较强的生命力。在国内外坝工界是种富有竞争性的坝型。 在混凝土面板堆石坝的设计中，周边缝的止水设计j i - 常重要，它是混凝土面板堆石坝对 变形最敏感的部位，设计是否科学合理，对整个大坝能甭很好地防止渗漏起着关键作用。本 文在吸取和归纳了国内外混凝土面板堆石坝周边缝止水设计和止水材料实践经验的基础上， 根据国内外已建典型工程和在建工程混凝士面板坝难石坝设计的实例，利用有关工程周边缝 模型实验的结果，分析研究了周边缝各种型式止水结构和止水材料的工作原理及其适应情 况。通过工程实例设计，为混凝土丽板堆石坝周边缝结构型式和止水材料的科学设计和阁密 施工提供了一些依据和建议。 关睦词：面板坝周边缝结构型式止水材料 a b s t r a c t d e s i g na n ds 1 u d yo np e r p h e r a lj o 小汀 o fc o n c r e t ef a c e p l a ：r em arai n ed a m t u t o r ： a b s t r a c t c 抽a | e t cf a c e p l a t em o r a i n ed a mi st h eo i l eo f t h em a i nd a mt y p e ，i th a sm a n ym e r i t s ， s u c t i g o o ds e e u n t y , g o o da d a p t a b i l i t y , s h o r tp r o j e c tt i m el i m i t , l o wc o s t , u s i n gl o c a l m a t e f i a bc o n v e m e mc o n s t r u 曲o n , a n ds oo ni ts u i t st h es i t u a n o no fo u fc o m a t r ya n dt h e c o n d i t i o n s o f w a t e rr e s o u r c e s a n d h y d r o e l e c t r i c p o w e r e n g i n e e r i n g , i t h a s m o r es t r o n g v i t a l i t y i nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld a mc i r c l e ，i ti sak i n do f d a mt y p ew h i c hh a sr i c hc o m p e t i t i v e i nd e s i g no f c o n c r e t ef a e e p l a t em o r a i n ed a m , t h ed e s i g no f s t a g n a mw a t c tf o rp e r i p h e r a l j o i n ti sv e r yi m p o r t a n tt od i s t o r t i o n , p 舐p 删j o i n ti st h eb e s th y p e r s e n s i t i v ep a r t1 1t h e c o n c i e t ef a c e p l a t em o r a i n ed a mw h e t h e ri ti ss c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ed e s i g np l a y st h e c r t l c i a lr d et ow h a tw h e t h e rt h ed a mi sa b l et op r e v e n tl e a k a g ee f f e c t i v e l y o nt h eb a s eo f t h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e s l g o fs t a g n a n tw a t e ra n dp r a c t i c ee x 唧e n c oo fs e a i i n g m a t e r i a lf o rp e r i p h e r a lj o i n t , f f d sp a p e ra n a l y s ea n ds t u d yw o r k i n gp n n c i p l ea n da d a p t i n g s i t u a t i o n o f a l lk i n d s o f s e a l m qs t r u c t u r e a n ds e a l i n g m a t e r i a lt h e a n a l y s i sa n d s t u d y u s e t h e e x p e n m e mr e s u l to ft h ec o n c e r n e dp e r i p h e r a lj o i n tm o d e t , a c c o r d i n gt ot h ee x a m p l e so f d e s i g na b o u tc o n c r e t ef a e e p l a t em o r a i n ed a mo fd o m e s t a ea n di n t e r n a t i o n a lt y p i c a lp r o j e c t t h a tb e m gb u i l ta n dh a v eb e e nb u m1 1 l i sp a p e ro f f e rs o m eb a s i sa n ds u g g n s t k mt 0s c i e n t i f i c d e s i g n a n d c a r e f u lc o n s f f u c f i o no f s n c t u r a ls h a p e a n ds e a l i n g m a t e r i a a0 f p e r i p h e r a l j o i n t b y d e s i g no f p r o j e c te x a m p l e k e yw o r d s ：f a e e p l a t ed a m ；p e r i p h e r a l j o i n t ；s t r u c t u r a ls h a p e ；s e a l i n gm a t e r i a l 1 导论 1 1问题的提出及研究的目的和意义 混凝土面板堆石坝是6 0 年代后期在国际上新兴起的新坝型，它是 土石坝的主要坝型之一，坝主体由堆石或砾石组成，起支撑作用，上游 面设置混凝土面板起防渗作用。与粘土心墙堆石坝相比，混凝土面板堆 石坝具有安全性好，适应性强，工期较短，造价低，就地取材，施工方 便，导流简单等优点，适合我国水利水电工程条件和国情，具有较强的 生命力，在国内外坝工界是一种富有竞争性的坝型。 在混凝土面板堆石坝的设计中，周边缝的止水设计非常重要，它是 混凝土面板堆石坝对变形最敏感的部位，设计是否科学合理，对整个大 坝能否很好地防止渗漏起着关键作用。周边缝是混凝土面板与趾板之间 的接缝，由于坐落在能变形的坝体上的刚性混凝土面板与固定的支撑构 件( 混凝土底座) 之间的不连续性，因此若在设计和施工过程中，稍有 疏忽，不够严密科学就会在水库蓄水期问，使堆石体会产生较大的变形， 引起面板变形而导致周边缝产生较大的三向位移，即张开、沉降和切向 位移，尤其是对高坝，作用的水头较高，所产生的三向位移值就更大， 如果设计和施工稍有疏忽，则会产生大渗漏，甚至危及整个大坝的安全。 因此，周边缝的设计在整个混凝土面板设计中是一个至关重要的问题。 我国水资源总量达2 8 0 0 0 亿3 ，居世界第六位，水电资源更是富冠 全球，开发利用潜力巨大，国家扩大内需，加强基础设施建设，实行积 极的财政政策，为水电建设提供新的历史机遇。但在高坝修建中，采用 土石坝的比例还较小，因为在修建高坝过程中确实存一些实际困难，例 如水电富矿地区雨季较长，河流导流流量巨大，峡谷河段缺乏合适的防 渗土料以及断面过大等。而混凝土面板堆石坝恰好在这些方面弥补土石 坝的不足，使得混凝土面板堆石坝在我国得到了迅速的发展和广泛的应 用。据不完全统计，目前我国超过5 0 m 高的混凝土面板堆石坝已建成和 西安理工大学工程硕士学住论文 基本建成的有2 0 座，其中西北口水库大坝最高，坝高9 5 m 。正在建设的 坝高超过5 0 m 的混凝土面板堆石坝有3 0 座，其中天生桥一级水电站大 坝，坝高1 7 8 m ，是当前我国在建最高的混凝土面板堆石坝。此外，正在 设计和进行坝型方案比较的有几十座，如清江水布垭混凝土面板堆石 坝，坝高2 3 3 m ，正在进行施工；乌江洪家渡混凝土面板堆石坝，坝高 1 8 2 3 m ，已完成设计待开工。混凝土面板坝型的建设和发展，已经积累 了丰富的实践经验和成套的科研试验成果，现在混凝土面板堆石坝已成 为富有竞争力的坝型之一，成为水利水电行业重点推广的项目之一。因 此对混凝土面板堆石坝周边缝进行设计研究，对防止较大渗漏，确保大 坝安全，发挥更大的经济和社会效益具有重大的意义。 1 2 国内外研究概述 1 2 1 混凝土面板堆石坝研究概述 a 国际研究概述 用石料筑坝虽然古代已有但一般认为堆石坝是在1 8 7 0 年，美国 加利福尼亚州发展起来的。认为堆石坝的发展进程有三个阶段：即1 8 5 0 1 9 4 0 年以抛填石为特征的早期阶段；1 9 4 01 9 6 5 年从抛填石到碾压堆 石的过渡阶段；1 9 6 5 年以后推广的碾压堆石的现代阶段。 早期阶段( 1 8 5 0 1 9 4 0 ) ) ：这一阶段的堆石坝都是不透水的面板 型，直到1 9 4 0 年左右才出现土质心墙坝型。当时在塞拉山上的水力淘 金矿山需要蓄水备淘金之用，当地适用于筑坝的材料是岩石和树木，而 矿工们又有爆破采石的技术，所以第一座坝就是木面板的抛填堆石坝， 其边坡极陡，达到1 ：0 j 1 ：0 7 5 ，抛填时坡面用人工整理。在1 9 2 0 1 9 4 0 年间建成了许多3 0 m 以上的面板堆石坝，而且越来越高，例如1 9 2 5 年建成的迪克斯河( d i xr i v e r ) 坝，高8 4 m ；1 9 3 1 年建成的盐泉( s a l t s p r i n g ) 坝，高l o o m 等等。1 9 3 9 年j d 格罗威( j d g a l l o w a y ) 在 美国土木工程师协会论文集上发表的文章中，介绍了2 9 座堆石坝，其 中最高的2 座坝就是迪克斯河和盐泉，他们都曾有面板破坏导致大量渗 1 导论 满情况，但运行是安全的，从而得出结论认为抛填式混凝土面板堆石坝 合理的最大高度大致是6 0 m 。同时从这些工程实例可看到下游坝坡从1 ： 0 j 1 ：0 7 5 变到1 ：1 3 ，因为后者是抛填堆石的自然坡度，再陡就 要用人工砌筑。 过渡阶段( 1 9 4 0 1 9 6 5 ) ：由于早期阶段的抛填堆石坝的大量变形， 导致混凝土面板裂缝和大量渗漏，虽然安全并不成问题，但大量渗漏是 不希望发生的，因此在本世纪4 0 5 0 年代有一个停滞时期，没有更多 推广和普及。同时由于反滤层的土质心墙的柔性能较好适应抛填堆石的 大量变形而得到相应的发展，坝高达到1 5 0 m 。1 9 6 0 年美国土木工程协 会的论文集，发表了美困一次堆石坝学术会议的论文和讨论文章。在c m 劳勃茨( c m r o b e r t s ) 的讨论文章中，介绍r1 9 5 8 年完成的库契 ( o u o i c h ) 坝采用碾压式堆石的例子，每层厚0 6 m ，先用l o t 平碾压平， 然后用3 5 t 振动碾振动压实，高3 8 m 的坝体最大沉降不过1 9 c m 。这是最 早采用薄层碾压堆石的工程。在i 太沙奇( k t e r z g h j ) 的讨论文章中， 发表了一些重要意见，他强调抛填堆石没有压实，并产生分离，水枪冲 洗不能达到使细颗粒冲填大孔隙的目的，只能使石料软化，使棱角处易 于破碎。抛填堆石的压缩性远大于碾压堆石。随着坝高的增大，高压缩 性的有害影响随着坝高的二次方而增加。因此修建高坝应优先采用分层 碾压堆石来代替抛填堆石。过渡阶段的最后一座高面板堆石坝，是坝高 为1 5 0 m 的新国库坝( n e we x c h e q u e r ) ，由1 2 m 及3 o m 一层的碾压堆 石和1 8 m 一层的抛填堆石混合修建的，但以抛填堆石为主，因此面板还 是发生破坏，并产生了严重渗漏。 现代阶段( 1 9 6 5 以后) ：1 9 6 5 年完成了抛填堆石到碾压堆石的过 渡，这将标志着堆石坝已进入现代阶段。现代阶段的碾压堆石层厚一般 不超过2 m ，用振动碾压实，作为坝的主要结构，薄层碾压堆石坝体密实 而较少变形，使混凝土面板坝的工作状况大为改善，从而使薄层碾压堆 石坝又重新崛起，曰益成为常用的坝型，并向更高的坝发展。1 9 7 1 年澳 西安理工大学工程硕士学位论文 大利亚建成高1l o m 的塞沙那( c e t h a n a ) 坝，这座坝奠定了现代混凝土 面板堆石坝的技术基础。1 9 8 0 年建成的巴西阿里亚( f o zd oa r e i a ) 坝， 高1 6 0 m ；1 9 8 5 年建成哥伦比亚萨尔瓦兴那( s a v a j i n a ) 坝，高1 4 8 m ； 再经过巴西的塞格雷多( s e g r e d o ) 坝，高1 4 5 m ；辛戈( x i n g o ) 坝，高 1 4 0 m ；到1 9 9 3 年建成的当前世界最高的墨西哥的阿瓜密尔巴 ( a g u a m i l p a ) 坝，高1 8 7 m ，几经改进，设计和旌工方法日趋成熟，运 行性状良好，在世界范围内得到广泛的发展。如马来西亚的巴昆( b a k u m ) 坝，高2 0 5 m ，1 9 9 6 年开工建设：哥伦比哑的苏加莫索( s o g a m o s o ) 坝， 高1 9 0 m ，老挝的南岗三级( n a mn g u m3 ) 坝，高2 2 0 m ，都在1 9 9 6 年下 半年招标。工程的规模也有很大的发展，如巴西的二座坝，水库库容达 到3 0 5 8 亿一，装机容量达1 2 6 0 5 0 0 0 姗，泄洪流量达11 0 0 0 3 3 0 0 0 m 3 s ，阿里亚坝的体积达1 4 0 0 万m 3 ，辛戈坝的导流流量达1 0 5 0 0m 3 s 。 从混凝土面板堆石坝发展的过程看，国外混凝土面板堆石坝的设计 主要是经验性的，以已有工程的经验和工程师的判断为基础。墨西哥结 合阿瓜密尔坝进行了堆石料特性的大型二三轴和平面应变试验，止水结构 和材料的大比尺室内仿真试验，坝的应力变形的有限元分析等工作。巴 西也提出考虑实际应力路径的变形分析方法及周边缝止水新概念等，智 利在覆盖层上建造用混凝土防渗墙处理坝基的面板坝也进行了一些有限 元分析，从而看到了混凝土面板堆石坝进入了从经验和判断向理论分析 和试验研究的过渡趋势。 b 国内的发展研究概述 我国古代就采用石料修堤筑坝，但修建堆石坝还是2 0 世纪5 0 年代 才开始，如5 0 年代修建的四川狮子滩重力墙式抛填堆石坝，6 0 年代修 建的贵州猫跳河一级木面板抛填堆石坝，以及广东南水粘土心墙定向爆 破堆石坝，陕西石砭峪沥青混凝土面板定向爆破堆石坝等工程。 我国最早的抛填式混凝土面板堆石坝是贵州的猫跳河二级百花水电 站大坝，于1 9 6 6 年建成，坝高4 8 7 m ，上游坡为l ：0 6 ，上游面有一 干砌石层，坝踵处有混凝土底座，上接钢筋混凝土分块面板。以后修建 的这种类型的坝，坝高都没有超过j o m ，直到1 9 7 9 年开工的最后一座抛 填式混凝土面板堆石坝，是浙江罗村水库大坝，坝高5 0 m ，1 9 9 0 年完工。 大坝基本上按传统经验进行设计，只是后期受到现代技术的影响，在面 板、止水、趾墙等方面作了局部修改。 以现代技术修建碾压式混凝土面板堆石坝是从1 9 8 5 年开始的，最 早开工建设的是湖北西北口水库大坝，高9 5 m ：而最早建成的是辽宁关 门山水库大坝，高j 8 5 m ，于1 9 8 8 年建成。到1 9 9 6 年全国已完成有2 7 座，在建的有3 9 座，拟建的仅1 0 0 m 以上的高坝就有l o 余座，最大坝 高分别为9 5 m ，1 7 8 m ，1 8 2 ，3 m 。这些混凝土面板堆( 砾) 石坝几乎覆盖 了中国的各个区域，其自然条件差别很大，经验和问题也各不相同，都 能因地制宣，区别对待。可见中国起步虽晚，但发展却很快，已成为世 界上修建混凝土面板坝最多的国家之一。工程规模也可与国外相比拟， 详见表卜1 。 在建设实践过程中，从引进、消化吸收国际先进技术开始，积累了 丰富的经验，并结合国内具体情况进行再开发，在技术上有所创新和发 展，如无轨滑模、低标号碾压砂浆固坡、封缝塑性填料、面板混凝土的 配合比、大吨位振动碾、坝体材料的灵活应用、喷混凝土面板等方面， 都丰富了知识宝库。同时结合工程实践进行了大量科技攻关和重点科研 工作，取得了丰硕成果，并及时转化为生产力，在实际工程中实现。设 计和施工技术已曰趋成熟，分别制定了设计规范和施工规范，指导和规 范面板坝的健康发展。目前混凝土面板堆石坝咀安全性、适应性、经济 性的特点已在坝工界取得了共识，不论是量大面广的中小型工程，还是 大型的水利水电枢纽工程，只要条件合适，都将这种坝型作为主要的比 较方案。 1 2 2 周边缝的发展研究概述 随着混凝土面板堆石坝的发展，坝越来越高，人们对蓄水后面板将 西安理工大学工程硕士学位论文 表卜t国内外面板坝工程规模对比 世界水平 中国水平 指标单位 数值相应工程 天生桥级 坝高 m1 8 7 阿瓜密尔巴 17 8 库容亿m 3 9 5目=1 0 2 泄洪流量m 3 s 3 3 0 0 0 辛戈 2 3 3 0 0 导流流量m 3 s 1 0 5 0 0 辛戈 1 0 8 0 0 装机容量 m w5 0 0 0辛戈 1 2 0 0 坝体积 1 0 6 m 31 4 阿里亚 】7 7 面板面积 1 0 6 21 4 0 高兰 1 5 6 产生更大的位移和改进周边缝止水的细部设计也越来越较关注。在改进 筑坝工艺的同时，也在不断的演变着接缝止水结构的细部设计。在6 0 年代建造的中等高度( 1 0 0 m 以下) 的混凝土面板堆石坝，其周边缝止水 的细部设计大多沿用传统的水工建筑物接缝止水结构及材料。 进入7 0 年代迈进建造高坝( 高于1 0 0 m ) 阶段，对周边缝止水的细 都设计逐渐改进，如1 9 7 0 年建造的11o m 的塞沙那( c e t h a n a ) 混凝土 面板堆石坝，由于改善了堆石级配的碾压工艺，提高了堆石体的压缩模 量，采用了p v c 止水带和止水铜片两道止水结构，由于该坝周边缝变位 不大，仅几毫米，因此获得了满意的止水效果，初期渗漏量仅0 0 3 5 m 3 s 。 继之于1 9 7 4 年建造高1 4 0 m 的安奇卡亚( h n c h i c a y a ) 坝，简化了止水 的细部设计，仅采用了一道止水带，运行时由于河谷狭窄，蓄水迅速， 导致5 天内周边缝的位移达到十几厘米，使止水破坏，渗漏量达到1 8 i l l 3 s ，后来又补做成三道止水结构，使渗漏量稳定在0 1 8m 3 s 。1 9 7 6 1 导论 年建造高1 2 5 m 的格里拉斯( c o l i l a s ) 坝，采用了三道止水，蓄水过 程中曾两次停蓄检修。由于坝头陡峭导致周边缝沉降达1 0 6 m m ，破坏了止 水设施。最后采用了有p v c 片遮盖的、能使玛蹄脂流入接缝的封缝止水 结构，取得了成效。至此人们对周边缝的止水结构有了进一步的认识， 并提出用能吸收周边缝三维大变形的止水结构。到1 9 8 0 年建造1 6 0 m 高 的阿里亚( f o zd oa r e i a ) 坝时，吸取上述各坝的经验，修建= 三道止水， 即在缝底部设铜片止水，中间设p v c 止水，顶部设置用橡胶或塑料薄膜 包盖的玛蹄脂止水。这种止水布嚣方式目的在于当接缝发生位移后，顶 部的玛蹄脂在水压力作用下流淌至缝内，可封闭接缝，防止渗漏，以期 达到任何一道止水出现局部破坏后，接缝的止水效果仍能达到令人满意 的结果。阿里亚坝1 9 8 0 年8 月水库开始蓄水，水位达到7 3 9 5 m ( 最高 水位7 4 4 m ) 时，最大渗漏量为0 2 3 6 m 3 s ，以后逐渐减小，至1 9 8 5 年2 月渗漏量稳定在0 0 7 一s 左右，说明这种止水布置方案的效果良好。 在以后修建的混凝上面板堆石坝中都相继采用r 阿里皿周边缝止水 的布置型式，如萨尔瓦兴那( s a l v a j i 1 a ) 坝、西纳塔( c i r a f a ) 坝、 特劳湖( t e r r o vl a n e ) 坝以及我国的关门山、西北口、潘口等工程。 在我国7 0 年代后建成的混凝土面板堆石坝，经过运行也清楚地看到初 次蓄水时，周边缝出现大量渗漏而采用粉砂粒料处理的效果。到了9 0 年代，这种现象引起了人们研究高水头作用下，可变形的p v c 止水带和 l ：水铜片的强度以及裂缝和渗坑在玛蹄脂覆盖层中出现的可能性，并研 究用无凝聚力的细粒土及粉煤灰对漏水接缝的淤堵过程。如墨西哥的阿 瓜密尔巴( a g u a m i p a ) 坝设计中就采用了这种设计形式。 1 3 研究的主要内容和目的 本文根据国内外己建工程和在建工程混凝土面板坝堆石坝设计的实 例，利用有关工程周边缝模型实验的结果，分析了己建工程各种型式止 水结构的工作原理和其适应情况。在吸取和归纳了国内外混凝土面板堆 石坝周边缝止水设计和止水材料实践经验的基础上，试图建立混凝土面 西安理工大学工程硕士学位论文 板堆石坝周边缝结构型式和止水材料的设计规范体系，为混凝土面板堆 石坝周边缝的科学设计和周密施工提供理论依据。 8 2 混凝面板堆石坝周边缝结构型式的分析研究 2 混凝土面板堆石坝周边缝结构型式的 分析研究 周边缝是混凝土面板与趾板之问的接缝，是混凝土面板堆石坝对变 形最敏感的部位，在施工和蓄水期间，堆石体会产生较大的变形周边 缝也会产生相应的张开、沉降和切向位移。为了保证大坝的安全运行， 对周边缝结构型式的研究是必不可少的。 2 1 传统周边缝的结构型式分析 混凝土面板堆石坝建设已经历了两个阶段，第一个阶段坝体壤石体 是直接摊铺在坝上，不经过碾压，混凝土而板设垂直缝和水平缝。第： 个阶段是从6 0 年代末开始，雄石是用振动碾碾压，混凝土面板仅设垂 直缝，在混凝土面板下设过渡层，混凝土面板与趾板之间设周边缝。 现在世界上已建有7 0 多座设垂直缝和过渡层的面板坝，除少数外， 大部分是成功的。塞沙那( c e t h a n a ) 坝( 坝高h 0 加，】9 7 0 年建) ， 1 趾扳2 面板 锅片止木4 掇腔l t 水5 硬木板6 ，砂浆垫层 图2 一l 辇沙那坝周翅缝型式 西安理工大学工程硕士学位论文 是第一座l o o m 以上的碾压混凝土面板堆石坝，周边缝设计基本e 以双 止水系统为基础，如图2 一l ，这种设计对坝体变形较小的坝是较为合适 的，坝体的渗漏量较少。 安奇卡亚( a n c h i c a y a ) 坝( 坝高1 4 0 m ，1 9 7 0 年建) 采用了一种简 单的周边缝结构型式，只设了一道橡皮止水，如图2 2 ，由于堆石体局 部变形较大，止水被拉坏，引起丁大量的渗漏，只好放空水库进行修复。 i 铰接扳2 趾板3 橡胶止水4 填充木版 图2 _ 2 安奇卡坝周边缝型式 阿里亚( f o zd 0a r e i a ) 坝( 坝高1 6 0 m ，1 9 8 0 年建) ，它的周边 缝的设计吸取了塞沙那坝设两道止水的想法，并且在施工阶段采用了玛 蹄脂填缝材料做为自我愈合系统，以防止由于较大的接缝位移损坏止水 片造成较大渗漏，周边缝设计详见图2 3 。 阿里亚坝是8 0 年代初世界上最高的面板堆石坝，由于选用玄武岩 和玄武角砾岩作堆石体的材料，压实密度较低，堆石体有较大的沉降和 变位，因此1 9 8 0 年8 月开始蓄水时产生较大的渗漏，最大渗漏量为 2 混凝土面板堆石坝周边缝结构型式的分析研究 1 铜片止水 2p v c 止水3 氯丁橡胶 4 1 6 a s 填料5 p v c 盖板 6 趾板7 混凝土面板8 木敝9 沥青砂浆 图2 3 阿里亚坝周边缝型式 0 2 3 6 m 3 s 。经过几年的运行，到1 9 8 5 年月渗漏量稳定在0 0 7m 。s 左 右，渗漏量已经很小，满足r 大坝的安全运行，说明采用这种接缝型式 效果良好。阿里亚坝成功的运行，证明这种周边缝设计是可行的。这种 周边缝的结构型式在以后修建的许多混凝土面板堆石坝中都相继得到了 采用，成为一种传统的周边缝型式。 2 2 周边缝结构型式的争议 虽然巴西的阿里亚坝设置了三道止水，也取得了成功，许多工程也 在应用，但通过一段时间的工程实践，人们认为，在混凝土面板中问设 一道p v c 止水，使施工复杂，与混凝土的结合质量也难以保证。阿里亚 坝的成功主要是缝顶部设肯橡胶或塑料罩包盖的玛蹄脂止水以及放在缝 底部沥青或胶凝材料上的铜片止水的作用，而中部的p v c 止水在大变位， 受高压水的情况下已经破坏，据巴西的平托( p i n f o ) 和摩里( m o r i ) 教授的p v c 止水带的焊接实验，在压力为5 k g c m 2 下，缝张开2 5 衄时， 就发生破坏，在没有位移时，可以抵抗1 3k g c m = 的压力。 1 1 西安理工大学工程硕士学位论文 阿里亚坝之所以渗漏量少，是因为周边缝的变位较小所致，坝缝所 用的玛蹄脂未发生流动。而在周边缝的中部设置的p v c 止水带反而给施 工带来不便，且影响了止水带附近混凝土的浇筑质量，不能达到预期的 目的，甚至形成人为的渗漏通道。所以人们设想一种设置止水带的新概 念，既要要保证由于趾板和面板之间的位移所引起的渗流量尽量减小， 又要考虑旋工简单、方便。在这个概念的指导下，认为周边缝上只需设 置两道止水即可，即使在两岸陡峭的峡谷中建高坝，也不需设置中部的 塑料或橡胶止水。近年来，在巴西所建的塞格雷多( s e g r e d o ) 坝及辛 戈( x i n g o ) 坝，就是在传统周边缝的基础上，取掉r 中间的p v c 止水， 而只作了两道i 水，如图24 为塞格雷多坝周边缝的结构型式。这又 进入了周边缝结构型式的另一个阶段。但是9 0 年代建成的混凝土面板 堆石坝的周边缝设计仍然采用i 道止水的型式，目前，国际上对周边缝 的止水型式存在着这两方面的争议。 、 1 趾板2 混凝土面板 5 p v c 盖板6 粉质砂条带 3 止水铜片4 玛蹄脂 7 填充木版8 水泥砂浆垫层 图24 塞格雷多坝周边缝结构图 2 混凝土面板堆石坝周边缝结构型式的分析研究 2 3 新型的周边缝结构型式分析 周边缝是混凝土面板堆石坝对变形最敏感的部位，对于高坝，特别 是2 0 0 m 以上的高坝，堆石体可能产生较大的变形，周边缝可能出现较 大的张开和错位，使止水结构发生破坏。为了防止这些现象的发生，通 常可以从三个方面来解决： ( 1 ) 采用坚硬、密实的堆石体，防止坝体发生较大的变形； ( 2 ) 增加止水的数目； ( 3 ) 改善止水的型式； 前两方面的研究工作已经很多了。现在主要是从改善止水的结构型 式方面来进行研究，平托教授和摩利教授于1 9 8 8 年提出自由周边缝的 新概念。这个新概念是：允许水流在缝中流过，在水流流动过程中，缝 自动封堵。这个新概念意味着混凝土面板堆石坝建设的第三个阶段的开 始，在这个阶段将建设更高的混凝土面板堆石坝。 这种新的止水型式是把非粘性材料放置在缝的上游面，借助水流的 力量把这种材料带入缝中。这种材料必须有很小的渗透性，当这种材料 充满缝中时，水流的渗漏将是微不足道的。 自由周边缝与目前的通常采用的传统周边缝相比有以下的优点： ( 1 ) 施工简便 止水与面板施工不干扰。自由周边缝不采用价格昂贵的i g a s 填料 及其表面的柔性保护板。平托教授和摩利教授1 9 8 8 年在实验室内，对 张开缝中的玛蹄脂取样，观察到玛蹄脂是有破坏，达不到预期的效果 ( 2 ) 运行可靠 对于高坝，由于周边缝变形较大( 5 1 0 c m ) ，p v c 和止水铜片被拉 坏的可能性较大，造成止水失效。而自由周边缝在大变形时，缝可被无 粘性的材料封堵。 2 4 新型周边缝的试验 研究自由周边缝就是要研究一种缝的封堵材料和缝下面的过渡材 西安理工大学工程硕士学住论文 料。1 9 8 9 年萨第哈和卡萨茵进行了自由周边缝的系统试验。试验装置如 图2 5 。这个装置的水压力可以达到2 0 k g c m 2 ，填充封堵材料和反滤料 的更换很方便。这套装置是由两根钢管组成，钢管内径为3 0 0 m m ，壁厚 1 2 5 m m ，倾斜钢管的作用类似一个水库，提供填充材料和试验要求的水 压力。水平钢管设有1 0 0 c m 长，3 0 c m 宽，8 c m 高的模拟缝。在缝中布设 了j 三个传感器，用于测量水流梯度。缝的f 游设嚣了反滤材料。有些试 验是用斜管中的小管进行，上游的水压力可以直接加到缝的上游面，把 填充材料直接挤入缝中。 试验测量缝中渗漏水量随时问的变化。 在试验中所选用的填充封堵材料是细海砂、粉煤灰、用于混凝土的 细砂和铜矿废砂。这些材料的颗粉曲线如图2 6 所示。过渡材料选取 混凝土的原材料：细砂、中砂、3 4 ”砂砾料和2 ”砂砾料。 为了研究填充封堵机理和反滤设计，前二至三次试验在细砂位置使 用了土工织物。由试验可知，大部分水压力在靠近土工织物时就被消耗 掉了。在后面几次试验中，不使用土工织物，填充和反滤试验同时进行。 从试验可以看到，在试验材料和反滤细的砂接触面有超填充情况，当试 验材料为粉煤灰时，水头损失变化在5 6 9 1 ，对于铜矿废砂为8 0 。 在试验过程中，有两次试验是把缝的入口处的面积减小5 0 而缝 的填充材料保持不变。 从试验可以得到以下结论： ( 1 ) 沿填充材料的水头损失是较小的，水头损失主要集中在填充材 料和下游反滤层的接触面。在接触面处，由于封堵材料的聚集，此处慢 慢的变成了不透水。 ( 2 ) 缝下面的反滤层细砂将会被渗流中悬浮的细小颗粒填充，而变 成不透水。 ( 3 ) 从试验结果看，粉煤灰和铜矿废砂是较好的封堵材料。 ( 4 ) 试验结果表明自由周边缝是可行的。 4 2 混凝土面板堆石坝周边缝结构型式的分析研究 2 5 结论 通过以匕的研究分析，笔者认为周边缝结构设计应从安全、实用、 简化、经济等观点出发。周边缝底部铜片止水是最基本的防渗线，中部 的橡胶止水带和顶部的封缝止水应示具体情况而定。 对于低坝和5 0 m 以下的中坝可以只采用一道底部止水；5 0 m 以上的 中坝和l o o m 以上的高坝适宜设地底、项两道止水；对于高坝或预计变 形较大的坝，可以增加一道中部止水橡胶止水。 苎圭兰兰垄兰三垦堕主兰竺笙苎 井 图二一5 试验没昌示意图 筛? l ( a s t m ) a a 翔爵 ；，枥六一 ：f 0 l o 鞋芏夏 气 睾每 h 碎石 枷砂 7 ff 磁 1 f ( 反撼) ； 2 0 川。| j 一一 3 0 4 0 li 鼍叫 - j o ； 年砂： f 6 0 l ， c强瑟! | 。7 0 铺霉。泣， f s 0 ) 丫 y 天然砂砾石：y ， 9 0 j j j 恸沙 j j 0 ( 0 。i 0 劁：5 试蛤村h 黼分? t 1 6 0 蛐 加 如 加 如 如m 0 3 混凝土面板堆石坝周边缝止水材料的分析研究 3 混凝土面板堆石坝周边缝止水材料的 分析研究 3 1 止水铜片工作原理的分析探讨 止水铜片是用作温度伸缩缝中的止水结构，一般只要求其具有l 2 呻的变形量，而且为垂直于其长度方向轴线的平面变形，其变形量只 决定于其在接缝中间折曲长度。用作混凝土面板堆石坝的面板接缝中的 止水构件则要求承受三维变形，需要探讨研究其承受平行于其长度方向 的轴线的剪切变形性能，铜片与混凝土接触面的抗绕渗性能和铜片与混 凝土的嵌固性能。下面根据天生桥混凝土面板堆石坝周边缝设计时的模 拟试验结果，对止水铜片的这三种性能进行探讨分析研究。 3 1 1 止水铜片剪切变形 止水铜片剪切变形的试验，选用f 型止水铜片，如3 一l 图所示， b * - 一 一一上 1 图3 一l 止水铜片剪切变形试件 西安理工大学工程硕士学位论文 成型试件因设备空间的限制，铜片长度取2 0 c ，试验结果如表3 一l 。 f 止水铜片试验成果表表3 一l 折曲平均破坏 变形率 型号长度位移荷载破坏形式 ( ) ( 1 n l n )( 1 n l l l ) ( k g ) h = 8 0 折曲与混凝土 1 6 76 3 13 88 1 9 b - 1 2 相交处 1 t = 7 8 折曲与混凝土 1 6 76 2 o3 74 2 3 b = 3 0 相交处 h = 7 0 折曲与混凝土 1 6 7 6 6 04 05 9 5 b - 4 7 相交处 h = 7 0折曲与混凝土 1 6 75 6 53 87 8 4 b - 1 2 相交处 从表3 1 中列出的试验成果可以看出，止水铜片的剪切变形量主 要取决于铜片在接缝缝腔中的折曲长度，与埋入混凝土中的铜片的形状 和尺寸关系不大。 3 1 2 止水铜片的抗绕渗性 在止水铜片的抗绕渗性试验中，采用l 咖厚的紫铜片加工成园角， 等长度的埋入两块混凝土中，铜片与水泥沙浆接触界面为铜片光面和在 其上游面粘贴有水泥浆的胶片两种状态，接缝开度用渗透水压和螺杆框 架控制，试验结果如表3 2 。 3 混凝土面板堆石坝周边缝止水材料的分析研究 止水铜片的抗绕渗性试验成果表3 2 l 型时铜埋入 渗水接缝 稳压 铜片界 渗漏 l 片放置长度压强开度时间 面状态 情况 i 状态 ( 9 1 1 1 1 ) ( m p a ) ( m m )( h ) 5 0o 8o8 微渗 卜 铜片 1 0 0 l - 8o4 8 微渗 光面 1 0 00 6o 1 56 滴水 1 0 0 o 7 0 1 06 渗水 光面、 l 。型 下游面 5 00 401 5 微渗 设沥青 垫块 光面 1 0 0o 50a 微渗 f 上游面 1 0 02 oo5 0 无渗 卜 贴亲水 l o o2 0o 0 77 无渗 泥浆胶 条 1 0 02 0o 1 0 。01 0 无渗 注：表中成型时铜片放置状态见图3 2 3 1 3 止水铜片的材料力学性能 铜片目前国产的有两种，即紫铜和黄铜( 铜锌合金) ，止水铜片一 般多采用紫铜。该止水铜片的延展性比较好，低温不变脆，表面生氧化 西安卫y x - 大学工程硕士学位论文 一t 一 ； 斗 ，t 厂- 皇 = = 毕 3 型 2 掣 圈32 成型时铜片放置状态 膜，抗蚀性强。用于混凝土面板堆石坝的止水铜片要求延展性好，一般 通过退火处理后可提高延展性。选用1 m m 厚的紫铜片进行试验。 ( 1 ) 铜片退火试验：对选用的紫铜片均匀加热到3 0 0 3 5 0 0 c ，骤冷 降温的冷水温度为1 5 2 0 0 c 。紫铜片焊接采用铜焊。 试验结果：紫铜片退火前后的应力应变曲线如图3 3 所示，其 相应的数值如表3 3 所示。 试验成果数据表表3 3 屈服强度破坏强度延伸率 材料t 艺 k g m m 2k g m m 2 退火前 2 7 o2 8 89 o 退火后 3 12 1 12 6 o 3 混凝土面板堆石坝周边缝止水材料的分析研究 = 一 譬 茸 024681 0 图3 3 铜片退火前后应力应变关系图 变形( ) 从图和表中的数值可以明显的看出退火后的延伸率提高了很多。 ( 2 ) 止水铜片在混凝土中的嵌固强度试验：根据实际工作中常用的 嵌固方式有下列三种，如图3 4 所示，埋入总面积7 5 x 5 0 m m 2 ，试验结 果如表3 4 。 不同嵌固型式的破坏拉力表3 4 最大破坏拉力 嵌固型 破坏型式 总拉力嵌固强度 a ( k g )( k g m m = ) ( 1 ) 型铜片从混凝土中拔出 6 6 7 5o 1 7 8 ( 2 ) 型铜片从混凝土中拔出 1 2 9 7 5 ( 3 ) 型混凝土被拉坏1 3 3 3 50 3 4 6 抖 增 他 0 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 1 ) t ( 2 ) 图3 4 铜片嵌固型式 t ( 3 ) 上述各种抗渗试验的结果表明止水铜片的抗渗能力取决于铜片与混 凝土界面的接触紧密程度。因此，止水铜片的工作机理就是铜片止水系 统本身的连续性、变形性和止水铜片与混凝土界面的接触紧密程度的综 合功效，防止压力绕渗。 根据上面止水铜片的各种试验和对其工作机理的分析以及对止水铜 片功能的要求，可以看出：布罨在面板中间的止水铜片主要的功能是防 渗止水，尤其是顶部没有填缝材料封闭时，则要求止水铜片系统的连续 性和抗渗性能，必须进行止水铜片如下的细部设计：根据预测或计算的 接缝三维变形的位移确定止水铜片的折曲长度，按接缝最大拉伸位移下 铜片承受的水荷载计算铜片的厚度以及铜片嵌固处的弯曲强度，确定止 水铜片埋入混凝土中的嵌固长度等。当止水铜片布置在接缝底部时，铜 片只是将水荷载传递给面板下面的垫层，铜片本身不承受荷载，可不进 行水荷载作用下的有关计算。 3 2 橡塑止水带工作原理的探讨 ， 3 混凝土面板堆石坝周边缝止水材料的分祈研究 由于紫铜片的延伸性能有限，成型和焊接工艺较复杂，加之其价格 昂贵，货源短缺，6 0 年代开始采用材质变形性能较好的有机高分子材料 橡胶和塑料制造止水带，用于位移较大的接缝中间止水。目前在混 凝土面板堆石坝的设计中采用其作为三维大变形接缝中止水铜片的辅助 止水设施。故对其止水机理的研究有着重要的作用。 3 2 1 橡塑止水带的变形 橡胶和塑料材质都具有较大的柔韧性和波桑比，在外力作用下容易 发生形状变化。当混凝土拌和物与止水带接触时，拌和物自重产生的压 力使止水带断面产生弹性的压缩变形，拌和物硬化后与止水带周围形成 一个轮廓与止水带断面形状完全符合的混凝土模壳，使止水带紧密地嵌 固在混凝土中，而且止水带的回弹变形使其与混凝土接触界面产生一定 的挤压应力，阻止水压力的劈裂作用而达到止水效果，如止水带的断面 形状发生显著的变化，使该挤压力松弛，甚至止水带表面与混凝土表面 脱离，形成压力水绕渗的通道。结合下面的试验来验证这种分析。 a ( 2 ) ( 3 ) 图3 5 止水带拉伸时的断面形状变化 西安理工大学_ t - 程硕士学位论文 将一段长2 0 c m 的6 5 4 型止水带的两个翼板分别埋入两个混凝土块 中，如图3 一j ( 1 ) 所示，两个混凝土块中间留1 2 u 间隙，拉伸两个混凝 土块使其中问缝隙逐渐增大，在拉伸过程中发现止水带变形的初始阶 段，止水带中央拱圈产生几何变形所需的拉力很小，随着拉伸位移的增 大，拱国变形所需的拉力增大，与此同时止水带内应力增大引起止水带 材质发生变形，止水带厚度开始变薄，呈现出颈趋势，变薄的翼板与混 凝土的接触界面脱开，形成缝隙，如图3 5 ( 2 ) 所示。这个脱开的缝隙随 着混凝土块中间距离的增大逐渐向混凝土块内部延伸，延伸速度逐渐减 小，当延伸到止水带的第一条肋筋处则有被阻现象，第一条肋筋的下游 侧面与混凝土脱开而上游侧面与混凝土挤紧，如图3 一j 中的详图a 所 示。在挤压面上产生与止水带拉应力成正比的挤压应力，当此挤压应力 大于渗水压强时则止水带起止水作用，如果止水带内拉应力松弛将导致 挤压应力降低，当挤压应力低于渗水压强时，则渗水压力劈开肋筋侧面 与混凝土的接触面形成渗水通道产生绕渗现象。当继续拉伸混凝土块时 第一条肋筋产生剪切变形向混凝土块外移动，肋筋后面的止水带翼板逐 渐变薄，且与混凝土接触面而产生缝隙如图3 5 ( 3 ) 所示，如此伴随着两 块混凝土间隙的增大止水带翼板与混凝土接触面间形成的脱开缝隙逐渐 发展，直至翼板端形成贯通裂隙，止水带就完全失去了止水作用。 3 2 2 止水带的止水机理 结合天生桥工程混凝土面板坝周边缝的模型试验进行分析。模型的 组成由h 2 8 6 1 型塑胶止带焊接成园桶连接上下两块混凝土块，中间缝 宽1 2 r a m ，以止水带中央拱圈变形部分形成园盒形压力室承受渗水压力， 模型如图3 6 所示。试验结果如表3 一j 。 3 混凝土面板堆石坝周边缝止水材料的分析研究 止托带三维变形下挝礴_ 试! 蟥果 表 善术i 压躯 曩墅止隶蕾衰i 蛀 接睇“i ) 特 夏i 不止方式 压叠时嗣悯t 躬瞄0 疆l 煳 aq t c h )0 h a ) l h t h 00ol - 0 仉5l5鼬压止妇啤蝈弭 2 * + 7 卜+ h oo01 60 3& 嚣矬 i 3+ ，l 州00o1 20 31 踮目嘲 树叫衄悄粗曲融 柚e 鹤 = 盈3 ，o = i & 6 t = 4-