关于混凝土面板堆石坝几个问题的探讨.pdf
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1、第 4 7卷 第 1 4期 2 0 1 6年 7月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 47 No 1 4 J u l y ,2 0 1 6 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 1 4 0 0 5 6 0 4 关于混凝土面板堆石坝几个问题的探讨 杨 启 贵 , 谭 界 雄 , 周 晓 明 2 , 高 大 水 2 ( 1 长江勘测规划设计研 究院, 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ; 2 国家大坝安全工程技 术研 究中心, 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 : 现代 面板堆石坝 以其独特 的优越性在我 国得 到
2、了广泛应用 , 但 同时其病 害率偏 高, 且病害检查及加 固处 理均存在一定 困难 , 给 面板堆石坝 的发展 带来不利影响。结合 国 内外 面板 坝设计及病 害处理 的丰 富实践 , 对 设计加 固中的几个 问题展开 了探讨 , 提 出如 下建议 : 面板坝坝前辅助 防渗铺 盖可以取 消, 以便开展水下检查及 加 固; 需要设置放 空设施 ; 周边缝 宜取 消中间止水 同时加 强顶部止 水的防渗作 用。 关键词 : 防渗铺 盖;放 空设施 ;止水结构 ;面板堆石坝 中图法分类号 : T V 6 4 1 4 文献标 志码 : A D OI : 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i
3、1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 6 1 4 0 1 3 1 面板坝发展概况 我国 自2 0世纪 8 0年代开始引进现代筑坝技术建 设面板堆石坝, 至今已有 3 0 a 。面板堆石坝在我 国的 起步较晚, 但发展势头非常迅猛。经过引进消化、 自主 创新和不断突破发展 , 积累了大量的工程经验 , 逐步形 成了中国特色的面板堆石坝筑坝技术 。我国混凝土面 板坝筑坝技术在取得 巨大成就的同时, 也存在病害率 偏高、 病害检查及加固处理水平不高等不足 , 给面板堆 石 坝 的发展 带来 不利 影 响。 1 1我国面板堆石坝的发展 混凝土面板堆石坝是 以堆石体为支撑结构 , 并在 其上游表面
4、浇筑混凝土面板作为防渗体 的大坝。随着 我 国水利水 电工程建设的发展、 施工技术的不断改进、 设计理论的逐步完善 、 工程经验的积累总结 , 混凝土面 板堆石坝已成为极具竞争力 的坝型 , 因其具备坝体 断 面小、 施工方便 、 工期短、 导流简单、 造价低等优点 , 近 年来得到了迅速的发展 。 我国现代意义 的面板堆石坝始 于 1 9 8 5年开工建 设的西北 口坝( 坝高 9 5 m) 及 1 9 8 8年率先建成 的关门 山坝 ( 坝高 5 8 5 m) 。据不完全统计 , 我国建成及在建 的面板堆石坝约 3 0 0座 , 占世界面板坝数量的一半 , 其 中坝高超过 7 0 m的混凝
5、土面板堆石坝达 1 4 0余座 , 占 比 4 0 以上 。如今 混 凝 土 面板 堆 石 坝 工 程 几 乎 遍 布 全国各地 , 涉及各种地形 、 地质条件和气候条件, 特别 是在高海拔、 高寒 、 高地震烈度地区也有面板坝建设 。 我 国已建成的最高面板堆石坝坝高是水布垭坝 , 坝高 2 3 3 m, 也是世界上建成坝高最高的面板堆石坝 ; 坝体 填筑规模最大的是坝高 1 7 8 m的天生桥一级面板堆石 坝, 填筑量约 1 8 0 0万 m ; 深度覆盖层上 已建 的最高坝 是九甸峡坝, 坝高 1 3 6 5 m, 趾板下覆盖层厚 2 8 m; 强 地震区最高坝是吉林 台一级坝 , 坝高
6、 1 5 7 m, 抗震设计 烈度为 9度 ; 经受过高地震烈度考验的是紫坪铺坝, 坝 高 1 5 6 m, 汶川地震中影响烈度达 91 0度 ; 位于气温 最低地区的是坝高 7 1 8 m的莲花坝 , 极端最低气温为 一45 2 C E 1 。 1 2 面板坝渗漏病 害率较 高 从已建成的混凝土面板 堆石坝观测资料来看 , 该 坝型大多表现 出了 良好的运行状态 , 但也有部分大坝 存在着一些问题 , 乃至发生过惨痛 的事故。如沟后水 库溃坝 , 是国际坝工史上第一次同类型坝的溃决 ; 天生 桥一级面板坝施工期 出现面板顶部弯曲裂缝 、 垫层料 收稿 日期 : 2 0 1 6 0 41 2
7、基金项 目 : 国家大坝安全 工程技 术研 究中心项 目“ 水利水 电工程水 下无人检测 系统研 究” ( C X 2 0 1 4 Z 0 6 ) 作者简介 : 杨启贵 , 男 , 副院长兼总工程 师 , 国家大坝安全工程技 术研 究 中心副主任 , 教授 级 高级 工程 师 , 全 国工程勘 察设 计 大 师 , 主要 从事水工结构与岩土 工程设计及科研 工作 。Em a i l : y a n g q i g u i c j w s j y c o rn 12 1 58 人 民 长 江 2 01 6正 引水发电设施来实现。 目前规范只是规定高坝、 重要 工程、 地震设计烈度为 8度 、 9
8、度的混凝土面板堆石坝 应设置放 空设施 , 而对于其他一些面板堆石 坝并没有 规定设置防空设施。天生桥一级、 水布垭、 董箐、 东津 等面板堆石坝工程均设 置了放空洞 , 白云、 九甸峡、 双 沟等水库则利用泄洪洞、 引水发 电洞等建筑物放空水 库。随着筑坝理论的发展 , 很多学者认为面板堆石坝 一 般不会有放空水库进行处理 的可能性, 可以不设放 空设施 , 因面板破坏产生的漏水 可以由半透水性垫层 料限漏 , 并且可 以通过投放粉细砂得到 显著 的封堵。 如有意外需要进行处理 , 可 由潜水员或采取其他措施 进行水下检修 , 故很 多面板堆石坝工程未设置专门的 放空设施 , 或即使设 置了
9、放空设施但根本不具备完全 放空水库的功能。如 1 9 9 5年建成的福建万安溪面板 堆石坝 ( 坝高 9 4 r n ) 、 2 0 0 8年建成的三板溪 面板堆石 坝 ( 坝高 1 8 5 5 m) 在施工过程中取消了原设计的放空 洞 , 芹山面板堆石坝 ( 坝高 1 2 2 m) 及街面面板堆石坝 ( 坝高 1 2 6 m) 也未设置放空洞。 通过对我国坝高 1 0 01 5 0 m及坝高 1 5 0 m 以上 的面板堆石坝泄水建筑物放空能力的统计 , 设有放 空洞的面板坝水库放空系数 ( 即最低泄水建筑物进 口 底板至坝顶的垂直距离与最大坝高的比值) 平均值分 别为 0 6 8和 0 6
10、 4 , 最大值分别为芭蕉河一级坝( 坝高 1 1 3 3 m) 的0 9 3和天生桥一级( 坝高 1 7 8 m) 的0 7 4 , 最小值分别为董箐坝 ( 坝高 1 5 0 m) 的0 4 3 和猴 子岩 ( 坝高 2 2 3 5 m) 的 0 4 1 。也就是说坝高 1 0 01 5 0 m 的面板坝通过放空设施放空水库后 , 下部也平均还有 3 0余 m的水头; 坝高 1 5 0 m以上的面板下部也平均还 有 5 0余 m的水头 , 水库 由于水库泥沙淤积及泄洪建 筑物闸门性能等限制 , 是难 以完全放空的。 随着面板堆石坝建设数量的增加 , 越来越多 的坝 出现了不同程度 的破坏问题
11、 , 如面板变形破坏 、 止水结 构破坏 、 面板裂缝等 , 直接影响 了工程的运行安全 , 必 须处理 。湖南 白云水库最大渗漏量达 1 2 4 0 L s , 采用 水上抛投级配料铺盖后 , 渗漏量减小到约 7 0 0 L s 后 便不再减小, 且面板破坏区域位于坝前防渗铺盖下部 , 潜水员水下检修难 以完 成, 必须通过放空水库进行处 理。而白云水库是采用引水发 电洞兼作放 空洞 , 放 空 洞底板高程距原河床还有 4 3 m水头 , 水库无法完全放 空。最后通过提起导流洞封堵 闸门, 爆破永久堵 头和 临时堵头, 通过导流洞放空水库后干地施工完成破损 面板修复。 目前水库渗漏量保持在
12、3 0 L s 左右 , 处理 效果 良好 。株树桥坝面板被破坏 , 最大渗漏量达 2 5 0 0 L s , 通过放空洞将水库放空后进行干地施工处理, 处 理后渗漏量一 直维持在 1 0 L s 左右 , 加 固处理效果 良 好 。茄子山坝趾板基础最大渗漏量达 1 1 7 0 L s , 利 用放空洞放空水库进行加固处理 , 至今运行情况正常。 布西 面 板坝 水 平施 工 缝 破坏 , 最大 渗 漏 量 达3 0 0 0 L s , 通过放空洞降低库水位 , 露出破坏施工缝进行 干 地加固处理 , 效果 良好。紫坪铺面板坝经历 了汶川 大 地震 , 震后各类建筑物和设施均不同程度的受到损害
13、, 但水库基本蓄水功能未受到明显影 响, 为保证抢险工 作的进行 , 开启了放空洞放水, 满足了下游 的供水、 缓 解了上游来水造成库水位上升带来 的压力和风险 , 成 功应对了抢险救灾的紧急处理 ; 同时通过放 空洞大幅 降低库水位 , 为大坝面板及止水系统的修复创造 了施 工条件 , 保证了修复加固工作的顺利实施 。 面板堆石坝出现险情后 , 很 多工程通过水下施工 进行加固处理 , 如 国外 的贝雷坝、 希罗罗坝、 辛戈坝等 均处理得非常成功 , 但也有很多工程是难 以通过水下 加 固处理完成的。如 白云坝面板破坏部位位于坝前铺 盖区以下 , 破坏部位上部覆盖有很厚的铺盖料及盖重 料 ,
14、 通过水下施工难 以完成加 固处理。三板溪坝面板 一 、二期施工缝位置出现破损 , 破损位置在死水位以下 4 0 m深 , 水库不具备放空条件 , 无法进行干地施工 , 只 能进行水下施工处理 。但在进行 了 3次破损面板水下 修复处理后 , 仍未得到彻底有效的处理 , 目前仍在研究 论证下步处理方案。 上述工程实践表明, 面板堆石坝特别是高坝设置 专门的放 空设施是 十分必要 的。当水 库出现病害 问 题 , 水下加固处理难 以实施或处理失败后 , 可 以通过降 低水位或放空水库实现干地加 固施工 , 通常能取得 良 好的加固效果 。但 由于高水头闸门设计制造水平的限 制 , 目前闸门最高设
15、计水头 1 6 0 1 8 0 m, 工作水头 1 2 0 1 4 0 m; 同时由于水库泥沙淤积的影响 , 放空设施的 进 口高程 也不可能过低。而现今 面板坝正朝着 坝高 3 0 0 m级发展 , 也就是该坝体底部有百余米高度是不 具备放空的条件, 一旦 出现 问题 , 加 固处理将 非常 困 难。因此 , 在解决好超高面板堆石坝放空问题前 , 不宜 推进更高坝高面板坝的建设 。 2 3加强周边缝止水结构 止水对于面板堆石坝来说 , 是其 防渗保障的生命 线 , 也是维持大坝安全 的生命线。由于趾板座落在基 岩上 , 面板则随堆石一起发生变形 , 因此周边缝位移量 一 般较大。混凝土面板堆
16、石坝产生较大漏水的原因大 部分是 由于两岸岸坡与大坝填筑体相对变形较大导致 周边缝止水破坏 , 高压水流破坏止水进入坝体 , 进而破 坏 了不密实 、 级配不 良的垫层料 , 最终导致大坝严重渗 漏 。 2 0世纪 7 0年代 以前的面板堆石坝周边缝 止水 比 第 l 4期 杨启贵 , 等 : 关于混凝土 面板 堆石坝技术几个 问题 的探讨 5 9 较简单 , 仅设一道塑料或铜止水 , 如哥伦比亚的安奇卡 亚和格里拉斯等坝。塞沙那坝周边缝设两道止水 , 底 部为铜片止水 , 中部设橡胶止水。巴西 的阿里亚坝周 边缝采用 3道止水 , 顶部为塑性填料 , 中部 P V C止 水 带 , 底部采用
17、铜片止水 , 这种结构型式奠定了周边缝止 水最基本的模式。 面板接缝止水结构主要取决于所承受 的水压力和 接缝位移 , 周边缝按坝高应设置一道或多道止水。其 中, 底部 铜 片止 水一 般 为最 基 本 的 防渗 线 ; 中部 为 P V C或橡胶止水 , 视情况选用 ; 顶部止水系统一 般 由 柔性填料 、 粉细砂、 粉煤 灰等材料构成 , 可 以为其 中的 一 种材料 , 也可以为柔性填料 和无粘性材料 2种止水 材料。坝高 5 0 m 以下 的可 以只采用一 道止水 , 5 0 1 0 0 m高 的宜采用底 、 顶部 2道止水 , 1 0 0 m 以上的宜 采用底 、 顶部 2道止水 ,
18、 或采用底、 中、 顶部 3道止水。 小干沟面板堆石坝原设计在周边缝 内布置 了底 、 中、 顶 3道止水 。开始浇筑趾板混凝土时发现 , 由于趾 板端部设置钢筋较多 , 不仅造成架设橡胶止水 的困难 , 而且在混凝土振捣时 , 因大量气泡不易排除停滞 在止 水带底部 , 使得止水带下混凝 土局部质量不 良。由于 泌水与气泡的存在 , 使止水带与混凝土粘接不好 , 失去 止水效果。因此 , 在施 工中取 消了中部止水。中部橡 塑止水另一弱点是因混凝 土收缩而产生 的绕渗 , 天生 桥水库为此将中部止水改为铜片止水 。株树桥、 白云 水库在检查 时也发现 中部止 水带下的混凝土质 量较 差 ,
19、主要表现在混凝土顺面板向呈层状脱落 , 可能是 由 于中部止水影响了其下部的混凝土浇筑质量。 根据 国内外混凝 土面板堆石坝技术发展趋势 , 近 期修建的混凝土面板堆石坝 , 除超高坝外 , 大多倾 向于 取消中部止水 。对于底部止水 , 由于其位于面板下部 无法完全揭露出来 , 也缺乏有效手段进行无损检测 , 当 面板 出现渗漏时 , 底部止水也只能结合面板的修复进 行局部更换或修复处理 , 而无法进行全面的检 查和修 复 , 这就要求强化顶部止水的防渗 能力 。顶部 止水是 否发生破坏能够得到及时检查 , 发现破坏后也 能得到 全面加固修复处理 , 因此应将顶部止水作 为周边缝 的 关键防
20、渗止水结构。 面板坝顶部止水多选用柔性止水材料 。为加强其 防渗能力 , 应在顶部止水 中增加能适应大变形 的封闭 金属止水带, 将顶部止水作为周边缝的关键防渗结构, 包括周边缝缝 口的组合橡胶棒 , 组合橡胶棒上部设置 封闭的多弧形金属止水带 , 金属 止水带顶部设置塑性 填料和表面防渗保护盖片 , 两侧用角钢锚固。该 止水 结构具有两道封闭止水层 , 能适应周边缝大变形 , 有效 防止渗漏 , 增强止水结构可靠性。上述止水结构 的表 面防渗保护盖片与混凝土密封连接形成第一道封闭止 水 ; 顶部止水 的塑性填料下部设多弧形金属止水带 , 并 与缝槽两侧混凝土密封粘结 , 其功能是在顶部止水
21、中 形成第二道封闭止水 , 并可兜住塑性填料 , 防止塑性填 料流失 ; 金属止水带下为组合橡胶棒 , 可为金属止水带 提供支撑 , 同时若周边缝张开较大, 橡胶棒可下落嵌入 周边缝 , 起到一定止水作用。 3 结 论 ( 1 )面板 堆石坝坝前辅助 防渗铺盖并 不是必需 的, 坝前辅助防渗铺盖不利于面板 的水下检查及水下 加 固维修处理 , 建议面板坝一般不设坝前辅助 防渗铺 盖 。 ( 2 )放空设施有利于在面板 坝出现 问题后 , 在不 宜或难于采用水下施工进行面板 修复处理 的情况下, 及时放空水库进行干地施工加 固处理 , 因此面板堆石 坝宜设置专门的放空设施。由于高水头闸门设计制造
22、 水平的限制等 , 在解决好超高面板堆石坝放空问题前 , 不宜推进更大坝高面板坝的建设。 ( 3 )止水特别是周边缝止水是面板堆石坝的防渗 生命线 , 目前周边缝通常采用 3道止水 , 顶部为柔性填 料 , 中部 P V C或塑料止水带 , 底部采用铜片止水。由 于施工 困难 , 中部止水与混凝土粘接处易形成薄弱面 , 失去止水效果 , 建议取消中部止水 , 但应加强顶部止水 作用 , 将顶部止水作为周边缝的关键防渗止水结构 。 参考文献 : 1 杨泽艳 , 周建平。 蒋国澄 , 等 中国混凝 土面板堆石 坝的发展 J 水力发 电, 2 O l 1 , 3 7 ( 2 ) : 1 8 2 3
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