论文部分内容阅读
摘 要：文章以九甸峡混凝土面板堆石坝为例，对趾板与防渗墙的两种连接方式、刚性连接与柔性连接进行对比分析，从而得出采用柔性连接形式有利于防渗结构的布设。另外分析了不同趾板、连接板长度组合方案对防渗墙应力变形的影响，得出较优的设计方案。
关键词：面板堆石坝；防渗墙；趾板；连接板
中图分类号：TV547 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0053-02
目前，国内已建和在建的面板堆石坝已逾百座，但直接修建在覆盖层上的高面板堆石坝则为数不多，主要原因是对深覆盖层上坝体防渗结构和基础防渗墙连接形式的研究还不够深入，特别是在柔性链接方案下趾板和连接板的长度对坝体防渗结构和基础防渗墙的应力变形的影响的研究较少。本文借助有限元数值分析手段对九甸峡水电站面板坝的趾板与防渗墙的连接方式进行比选及技术论证，并研究不同趾板与链接板长度对防渗结构的影响，为深覆盖层上的混凝土面板堆石坝防渗结构的设计提供理论依据。
1 覆盖层基础上面板堆石坝基础处理方式
混凝土面板堆石坝与传统土石坝相比，具有安全性好、适应性广、投资省、工期短、施工方便等优点，是目前具有较强竞争力的一种坝型。近些年来我国在深厚覆盖层地区也修建了不少面板堆石坝，因此对其覆盖层基础的防渗处理是建设混凝土面板堆石坝的关键技术，在设计施工时需特别注意。
根据九甸峡面板堆石坝坝址地质资料分析，基础覆盖层厚度达40 m，若仅开挖趾板及其下游一定范围内的覆盖层都会对施工造成很大难度，大大延误施工工期坝基覆盖层厚度达40 m，若将其全部挖除，工作量太大，故综合考虑采用直接将趾板坐落在覆盖层上，并于混凝土防渗墙相连接的方案，作为成坝体防渗体系。
2 防渗墙与趾板连接型式的选择
根据在覆盖层上已建的混凝土面板堆石坝工程资料分析，目前所采用的防渗墙与趾板连接型式主要有柔性连接和刚性连接两种形式。这两种连接方案在工程中均有使用，并各具优缺点。
2.1 柔性连接方案
该方案连接型式为趾板置于覆盖层上，上游通过连接板与防渗墙连接，下游通过周边缝与面板相连，趾板两端均能适应变形。由于防渗墙和连接板、连接板和趾板及河床两岸基岩之间的接缝位移较大，在该部位的接缝位置设置了柔性变形缝，缝底设铜止水片，缝内填塑性嵌缝材料，缝顶（墙、连接板和趾板上）填粉质粘土或粉煤灰，连接板和趾板下铺一层反滤料。这样有嵌缝材料和铜止水片、粉质粘土（粉煤灰）和反滤料两道可靠的止水防线，可以确保接缝的长期止水效果。
2.2 刚性连接方案
为避免趾板两端产生较大的不均沉陷，该方案一般采用两道防渗墙分别置于趾板的上下游端，两道防渗墙底部均嵌入基岩，防渗墙与趾板之间采用刚性连接。为加强面板趾板的变形适应性，在面板和趾板的接缝位置设置了柔性变形缝，缝底设铜止水片，缝内填塑性嵌缝材料，缝顶（面板、趾板上）填粉质粘土或粉煤灰。
坝基混凝土防渗墙与趾板连接型式的选择要综合考虑各连接型式对坝体、面板、趾板和防渗墙各部位的应力变形的影响。根据该工程实际情况，柔性连接情况下趾板前后竖向变形相差较大，对趾板和面板的受力不利，但刚性连接情况下防渗墙向下游的水平位移较大，而且防渗墙的应力较大。考虑到覆盖层厚度较大，对大坝基础防渗效果要求较高，故为了保证混凝土防渗墙的安全运行，对坝体混凝土防渗墙和趾板采用柔性连接方案。
3 趾板设计
根据以上分析，初步确定坝体防渗结构设计中对趾板和防渗墙采用柔性连接方案，趾板在河床坝段水平布置，其上游段设置两道防渗墙，混凝土防渗墙厚均为0.8 m，两道防渗墙间距为2.0 m，采用0.8 m厚连接板相连；趾板与防渗墙之间采用连接板连接，趾板与连接板厚度均为0.8 m，并在连接板与防渗墙和趾板相接触处设置柔性止水材料，以适应变形；趾板下游侧设置长10.0 m的内趾板，以满足趾板防渗要求。
为了比较趾板和连接板不同长度比例对防渗系统的变形及应力状态的影响，本文设计四种趾板和连接板的长度方案，对趾板、连接板和防渗墙的应力变形进行分析，各方案设计尺寸，见表1。
4 计算分析
通过分析各方案在竣工期和蓄水期结构的应力变形规律，可以得出以下结果。
4.1 变形计算结果
根据方案一和方案二计算结果可以看出，无连接板时，防渗墙与趾板之间的相对错动明显较大，顶部开裂宽度为4.86 cm；设置了连接板后，防渗墙与连接板间开裂宽度明显减小，最大开裂宽度仅为2.34 cm，并且方案1的防渗墙和连接板相对错动较小。
根据方案一和方案三、四计算结果表明对于不同长度的趾板和连接板，趾板和连接板越长，防渗墙的变位越小，但总体上对防渗墙的变位影响不大。
水库蓄水后，4种方案防渗墙与连接板之间接缝呈张开状态，而连接板与趾板之间的接缝呈压紧闭合状态，各条接缝之间的相对变位除了水平张开外，在竖向和水平向均存在错动位移。
4.2 应力计算结果
分析计算结果，各方案计算结果相差不大：混凝土防渗墙在竣工期和蓄水期整体均处于受压状态，最大压应力≤10 MPa，在允许设计范围之内，不会对防渗墙产生拉裂和挤压破坏等影响；两个防渗墙之间的连接板底部受拉，最大拉应力均为1.0 MPa，顶部受压，压应力为4.0 MPa左右，均不会对连接板产生破坏影响。
设置连接板后趾板的应力状态与设趾板前稍有区别：两种方案下趾板底部均受拉，顶部受压，数值都不大，均在合理范围之内；但设置连接板后，连接板上下游侧与趾板和防渗墙接触部位出现较大的压应力，其数值处在允许范围之内，不会压碎趾板与连接板接触部位。
综合分析不同趾板、连接板长度组合的应力变形计算结果，在没有连接板的情况下，趾板与防渗墙接缝处开裂度较大，容易导致止水结构的破坏。随着连接板的增长，连接板对变形起到缓冲作用，可以有效减小防渗墙与连接板接缝的拉应力和相应的开裂宽度，对于此处止水结构有保护作用。
另外，分析各方案趾板与连接板的不同布置情况下的计算结果，各方案对混凝土防渗墙和坝体的应力变形影响很小，只对防渗墙顶部接触处有较明显的作用。
因此，从应力变形角度分析，方案四的布置最好，对防渗墙、连接板和趾板的受力和变形影响最小，接缝止水处变形量最小；方案二即没有连接板的布置情况下，防渗墙和趾板接缝变形大，止水结构易受破坏，对结构整体防渗效果不利。但考虑到方案四趾板和连接板长度较大，施工开挖量会明显增加，且其尺寸越大，施工越不便，造价也会增加，因此综合考虑采取方案一作为实际采用的合理连接形式。
5 结 语
本工程研究了将趾板直接修建在覆盖层上的混凝土面板堆石坝筑坝关键技术问题，提出了技术先进，经济合理的坝基覆盖层防渗处理措施，通过对不同计算方案的比较分析，总结连接板与趾板长度对深覆盖层上混凝土面板堆石坝防渗体系应力变形特性的影响，为在覆盖层上修建混凝土面板堆石坝时防渗结构的设计提供理论参考。
参考文献：
[1] 刘娟，马耀.深厚覆盖层上高面板坝防渗体系设计研究[J].水力发电，2008，（8）.
[2] 沈婷，李国英，李云，等.覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究[J].岩石力学与工程学报，2005，（14）.
[3] 温续余，徐泽平，邵宇，等.深覆盖层上面板堆石坝的防渗结构形式及其应力变形特性[J].水利学报，2007，（2）.
关键词：面板堆石坝；防渗墙；趾板；连接板
中图分类号：TV547 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0053-02
目前，国内已建和在建的面板堆石坝已逾百座，但直接修建在覆盖层上的高面板堆石坝则为数不多，主要原因是对深覆盖层上坝体防渗结构和基础防渗墙连接形式的研究还不够深入，特别是在柔性链接方案下趾板和连接板的长度对坝体防渗结构和基础防渗墙的应力变形的影响的研究较少。本文借助有限元数值分析手段对九甸峡水电站面板坝的趾板与防渗墙的连接方式进行比选及技术论证，并研究不同趾板与链接板长度对防渗结构的影响，为深覆盖层上的混凝土面板堆石坝防渗结构的设计提供理论依据。
1 覆盖层基础上面板堆石坝基础处理方式
混凝土面板堆石坝与传统土石坝相比，具有安全性好、适应性广、投资省、工期短、施工方便等优点，是目前具有较强竞争力的一种坝型。近些年来我国在深厚覆盖层地区也修建了不少面板堆石坝，因此对其覆盖层基础的防渗处理是建设混凝土面板堆石坝的关键技术，在设计施工时需特别注意。
根据九甸峡面板堆石坝坝址地质资料分析，基础覆盖层厚度达40 m，若仅开挖趾板及其下游一定范围内的覆盖层都会对施工造成很大难度，大大延误施工工期坝基覆盖层厚度达40 m，若将其全部挖除，工作量太大，故综合考虑采用直接将趾板坐落在覆盖层上，并于混凝土防渗墙相连接的方案，作为成坝体防渗体系。
2 防渗墙与趾板连接型式的选择
根据在覆盖层上已建的混凝土面板堆石坝工程资料分析，目前所采用的防渗墙与趾板连接型式主要有柔性连接和刚性连接两种形式。这两种连接方案在工程中均有使用，并各具优缺点。
2.1 柔性连接方案
该方案连接型式为趾板置于覆盖层上，上游通过连接板与防渗墙连接，下游通过周边缝与面板相连，趾板两端均能适应变形。由于防渗墙和连接板、连接板和趾板及河床两岸基岩之间的接缝位移较大，在该部位的接缝位置设置了柔性变形缝，缝底设铜止水片，缝内填塑性嵌缝材料，缝顶（墙、连接板和趾板上）填粉质粘土或粉煤灰，连接板和趾板下铺一层反滤料。这样有嵌缝材料和铜止水片、粉质粘土（粉煤灰）和反滤料两道可靠的止水防线，可以确保接缝的长期止水效果。
2.2 刚性连接方案
为避免趾板两端产生较大的不均沉陷，该方案一般采用两道防渗墙分别置于趾板的上下游端，两道防渗墙底部均嵌入基岩，防渗墙与趾板之间采用刚性连接。为加强面板趾板的变形适应性，在面板和趾板的接缝位置设置了柔性变形缝，缝底设铜止水片，缝内填塑性嵌缝材料，缝顶（面板、趾板上）填粉质粘土或粉煤灰。
坝基混凝土防渗墙与趾板连接型式的选择要综合考虑各连接型式对坝体、面板、趾板和防渗墙各部位的应力变形的影响。根据该工程实际情况，柔性连接情况下趾板前后竖向变形相差较大，对趾板和面板的受力不利，但刚性连接情况下防渗墙向下游的水平位移较大，而且防渗墙的应力较大。考虑到覆盖层厚度较大，对大坝基础防渗效果要求较高，故为了保证混凝土防渗墙的安全运行，对坝体混凝土防渗墙和趾板采用柔性连接方案。
3 趾板设计
根据以上分析，初步确定坝体防渗结构设计中对趾板和防渗墙采用柔性连接方案，趾板在河床坝段水平布置，其上游段设置两道防渗墙，混凝土防渗墙厚均为0.8 m，两道防渗墙间距为2.0 m，采用0.8 m厚连接板相连；趾板与防渗墙之间采用连接板连接，趾板与连接板厚度均为0.8 m，并在连接板与防渗墙和趾板相接触处设置柔性止水材料，以适应变形；趾板下游侧设置长10.0 m的内趾板，以满足趾板防渗要求。
为了比较趾板和连接板不同长度比例对防渗系统的变形及应力状态的影响，本文设计四种趾板和连接板的长度方案，对趾板、连接板和防渗墙的应力变形进行分析，各方案设计尺寸，见表1。
4 计算分析
通过分析各方案在竣工期和蓄水期结构的应力变形规律，可以得出以下结果。
4.1 变形计算结果
根据方案一和方案二计算结果可以看出，无连接板时，防渗墙与趾板之间的相对错动明显较大，顶部开裂宽度为4.86 cm；设置了连接板后，防渗墙与连接板间开裂宽度明显减小，最大开裂宽度仅为2.34 cm，并且方案1的防渗墙和连接板相对错动较小。
根据方案一和方案三、四计算结果表明对于不同长度的趾板和连接板，趾板和连接板越长，防渗墙的变位越小，但总体上对防渗墙的变位影响不大。
水库蓄水后，4种方案防渗墙与连接板之间接缝呈张开状态，而连接板与趾板之间的接缝呈压紧闭合状态，各条接缝之间的相对变位除了水平张开外，在竖向和水平向均存在错动位移。
4.2 应力计算结果
分析计算结果，各方案计算结果相差不大：混凝土防渗墙在竣工期和蓄水期整体均处于受压状态，最大压应力≤10 MPa，在允许设计范围之内，不会对防渗墙产生拉裂和挤压破坏等影响；两个防渗墙之间的连接板底部受拉，最大拉应力均为1.0 MPa，顶部受压，压应力为4.0 MPa左右，均不会对连接板产生破坏影响。
设置连接板后趾板的应力状态与设趾板前稍有区别：两种方案下趾板底部均受拉，顶部受压，数值都不大，均在合理范围之内；但设置连接板后，连接板上下游侧与趾板和防渗墙接触部位出现较大的压应力，其数值处在允许范围之内，不会压碎趾板与连接板接触部位。
综合分析不同趾板、连接板长度组合的应力变形计算结果，在没有连接板的情况下，趾板与防渗墙接缝处开裂度较大，容易导致止水结构的破坏。随着连接板的增长，连接板对变形起到缓冲作用，可以有效减小防渗墙与连接板接缝的拉应力和相应的开裂宽度，对于此处止水结构有保护作用。
另外，分析各方案趾板与连接板的不同布置情况下的计算结果，各方案对混凝土防渗墙和坝体的应力变形影响很小，只对防渗墙顶部接触处有较明显的作用。
因此，从应力变形角度分析，方案四的布置最好，对防渗墙、连接板和趾板的受力和变形影响最小，接缝止水处变形量最小；方案二即没有连接板的布置情况下，防渗墙和趾板接缝变形大，止水结构易受破坏，对结构整体防渗效果不利。但考虑到方案四趾板和连接板长度较大，施工开挖量会明显增加，且其尺寸越大，施工越不便，造价也会增加，因此综合考虑采取方案一作为实际采用的合理连接形式。
5 结 语
本工程研究了将趾板直接修建在覆盖层上的混凝土面板堆石坝筑坝关键技术问题，提出了技术先进，经济合理的坝基覆盖层防渗处理措施，通过对不同计算方案的比较分析，总结连接板与趾板长度对深覆盖层上混凝土面板堆石坝防渗体系应力变形特性的影响，为在覆盖层上修建混凝土面板堆石坝时防渗结构的设计提供理论参考。
参考文献：
[1] 刘娟，马耀.深厚覆盖层上高面板坝防渗体系设计研究[J].水力发电，2008，（8）.
[2] 沈婷，李国英，李云，等.覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究[J].岩石力学与工程学报，2005，（14）.
[3] 温续余，徐泽平，邵宇，等.深覆盖层上面板堆石坝的防渗结构形式及其应力变形特性[J].水利学报，2007，（2）.