官地水電站溢流壩段橫縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 俠，袁 瓊，杜 軍， 謝紅英

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.四川水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；3.準(zhǔn)達(dá)巖土有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

碾壓混凝土重力壩橫縫沿壩軸線方向布設(shè)永久沉降變形縫，將壩體分成若干個(gè)獨(dú)立的壩段，可保證各壩段伸縮及沉降變形不相互約束，適應(yīng)地基不均勻變形和滿足混凝土澆筑能力及溫度控制要求等。橫縫的間距(即壩段寬度)一般為15～20m左右，主要取決于壩址地形地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)布置、溫度變化和施工能力等。永久性橫縫常做成豎直平面，不設(shè)鍵槽，縫內(nèi)不灌漿，以使各壩段獨(dú)立工作，根據(jù)地基及溫度變化情況，一般在壩段間預(yù)留1～2cm的縫，縫內(nèi)充填瀝青木板或土工編織布。

本文以官地水電站溢流壩段為工程背景，采用溫度變形定量分析結(jié)合工程類比等方式對(duì)溢流壩段之間的壩體分縫結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了探討。

2 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃五級(jí)開發(fā)方式的第三個(gè)梯級(jí)電站。上游與錦屏二級(jí)電站尾水銜接，下游接二灘電站。電站主要任務(wù)是發(fā)電，水庫正常蓄水位1 330.00m，死水位1 328.00m，總庫容7.6億m3，水庫回水長58km，裝機(jī)容量2 400MW。

官地大壩河床中10～15號(hào)共6個(gè)壩段為溢流壩段，共長131m，12號(hào)、13號(hào)壩段長度為21.5m，其余4個(gè)壩段長度均為長22m，溢流表孔為開敞式，閘墩順河流向長為51.8m，其中上游側(cè)外伸6m。溢流堰頂高程1 311.00m，壩頂高程1 334.00m，最低建基面1 166.00m，最大壩高168m，溢流壩最大底寬153.2m。

3 橫縫采用常規(guī)分縫形式存在的問題

官地溢流壩段如果按照?qǐng)D1、圖2采用常規(guī)的橫縫結(jié)構(gòu)形式，將存在以下問題：

(1)溢流壩段設(shè)置了表孔，橫縫位于溢流表孔流道中部，泄洪時(shí)由于流速很高(可達(dá)30～40m/s)，所以溢流壩面表面1m厚度采用抗沖耐磨混凝土C9050，如果在該區(qū)域內(nèi)橫縫也采用2cm的瀝青木板，由于木板過流面上混凝土的強(qiáng)度及變形差別，而且木板耐久性差，在高速水流通過時(shí)容易引起分縫處木材的淘蝕，從而形成淘蝕的切入點(diǎn)。

(2)隨著縫間填充材料的逐漸淘蝕，脈動(dòng)壓力可以通過縫間空隙浸入混凝土層面的薄弱區(qū)域，進(jìn)一步造成混凝土氣蝕或順層掀翻破壞。

根據(jù)以上分析，為防止高速脈動(dòng)水流作用下順永久沉降縫沖蝕破壞，有必要在滿足施工、沉降變形、溫控等前提下，對(duì)現(xiàn)在工程常用的分縫結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。

4 溢流壩段橫縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

4.1 工程類比分析

圖1 分縫部位大樣

圖2 詳 圖

根據(jù)對(duì)已建工程三峽、光照、龍灘工程的了解，溢流壩段永久橫縫一般還是采用1～2cm縫寬，內(nèi)填瀝青木板或土工編織布。對(duì)于靠近溢流表面區(qū)域，縫寬及縫面填料做了如下改進(jìn)：

(1)光照水電站過溢流面止水外分縫未嵌填材料、縫面涂刷瀝青，涂刷瀝青未作厚度要求；

(2)三峽水電站溢流面止水外分縫未嵌填分縫材料。

(3)龍灘水電站溢流面止水外分縫采用嵌填5mm不銹鋼板。

4.2 壩段表面區(qū)域溫度變形量分析

4.2.1 壩段表面區(qū)域膨脹量分析

根據(jù)DL5108-1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，表層混凝土應(yīng)力易分為：月平均氣溫年變化溫度應(yīng)力、氣溫驟降溫度應(yīng)力、水化熱溫度應(yīng)力。

溫度變形量分析中，忽略基礎(chǔ)約束及混凝土應(yīng)力松弛影響，直接計(jì)算表面混凝土基礎(chǔ)溫差引起的最大收縮變形量、年最大溫差引起的最大伸縮量。

基礎(chǔ)溫差引起的最大收縮采用年溫度變化從低溫到高溫引起的膨脹量，分析合理的縫寬要求：

ΔL=α·ΔT·L

式中α——混凝土熱膨脹系數(shù)；

μ——混凝土泊松比；

L——澆筑塊的長邊長度；

ΔT——澆筑塊的溫度變形長度。

ΔT=多年平均最高溫度T1-多年平均最低溫度T2；

多年平均最高溫度T1=23°；

多年平均最低溫度T2=11°；

澆筑塊的長邊長度取為153.2m；

α=0.000 08；

分別把上述參數(shù)帶入公式計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 壩段表面區(qū)域膨脹量計(jì)算結(jié)果

4.2.2 壩段表面區(qū)域收縮量分析

溢流壩結(jié)構(gòu)經(jīng)混凝土澆注、振搗、養(yǎng)護(hù)而成?；炷猎谟不^程中逐漸失水而干縮。由實(shí)驗(yàn)室測得的非養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土干縮變形系數(shù)估算的混凝土最大干縮變形量：

ΔS=KL

式中k——混凝土的干縮率；

L——壩段長度。

根據(jù)官地水電站抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)，抗沖耐磨混凝土的自生體積變形均為收縮，90d齡期干縮率最低為350×10-4。

從而算得混凝土干縮變形為：ΔS=7.7mm，而實(shí)際現(xiàn)場較好養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，實(shí)際干縮量可能小于該估算值。

4.3 混凝土沉降變形分析

圖3 分縫部位大樣

圖4 詳 圖

混凝土重力壩由于設(shè)置了橫縫，壩段穩(wěn)定主要依靠單壩段自身穩(wěn)定維持，壩段之間應(yīng)滿足自由沉降變形條件。一旦某壩段沉降受相鄰壩段約束，則壩基面接觸應(yīng)力可能會(huì)削弱進(jìn)而減小基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。官地溢流壩段高度相差很小，基礎(chǔ)為玄武巖堅(jiān)硬地基，壩段不均勻變形差很小，橫縫絕大部分區(qū)域采用常規(guī)縫寬1～2cm，僅在靠近表面1.0m左右范圍基本取消縫寬，不會(huì)約束整個(gè)壩段沉降變形。

4.4 小 結(jié)

從混凝土溫度變形和干縮變形計(jì)算結(jié)果可以看出：溢流壩段即使在極端氣溫下澆注，其溫度變形僅有4.20mm，而干縮變形達(dá)到7.7mm，所以依靠自身干縮變形可以補(bǔ)充膨脹變形空間，即不會(huì)出現(xiàn)壩段之間擠壓隆起現(xiàn)象，壩體表面小范圍區(qū)域減小橫縫寬度。不會(huì)對(duì)壩段沉降變形構(gòu)成約束影響。

5 結(jié) 論

根據(jù)官地水電站抗沖磨混凝土試驗(yàn)，混凝土溫度90d齡期線脹系數(shù)為7.11～7.30×10-6/°C，按最高溫升30°考慮，則混凝土膨脹5mm左右?？紤]到混凝土自身體積變形引起的收縮可部分補(bǔ)充膨脹變形空間，再結(jié)合其它工程經(jīng)驗(yàn)，溢流面抗沖混凝土表面縫寬減小到2～3mm是比較合適的，將溢流壩段分縫之間銅片止水外側(cè)的縫面處理為直接涂刷瀝青，瀝青涂刷厚度為1mm，表層銅片止水內(nèi)側(cè)的縫面結(jié)構(gòu)仍維持2cm縫寬，采用如圖3、圖4的橫縫結(jié)構(gòu)形式，可極大地改善溢流面抗沖、抗氣蝕條件。