混凝土面板堆石坝开裂变形机理及防治措施研究

摘要：对混凝土面板开裂变形特性进行了分析，尤其对混凝土面板开裂变形影响因素和开裂变形机理进行了详细分析讨论，最后对混凝土面板结构性裂缝综合防治措施进行了简单概述，以期为其它混凝土面板堆石坝面板设计提供一点设计借鉴意义。

关键词：混凝土面板堆石坝，开裂变形，防治措施

混凝土面板堆石坝(CFRD)是以堆石体为主要力学支撑结构，以堆石体上游侧表面设置相应钢筋混凝土面板作为大坝主要挡水防渗结构的一种堆石坝体。混凝土面板堆石坝具有断面较小、安全性能较高、施工较方便、综合技术经济性能指标较高等优点，在国内外水利工程中得到广泛推广应用，并在实际运行过程中发挥出非常巨大的社会经济效益。混凝土面板堆石坝在上游水库水压力、地震力、以及其它荷载等破坏力作用下，主要依靠整个坝体堆石的重量和内部结构单元间相互抗剪强度来维持整个大坝坝体的稳定。由于我国水利工程建设步伐的不断加快，为满足水利工程实际建设需要，加深对混凝土堆石坝坝料试验、变形分析、以及防渗加固结构性能方面的研究就显得非常有工程实际意义[1]。

1 混凝土面板堆石坝变形特性分析

从大量文献资料和实际设计、施工等经验可知，混凝土面板发生变形的主要因素包括混凝土面板应力应变、面板挠曲变形、周边施工结构缝和垂直缝位移、以及由于各种原因造成混凝土面板出现相关设计规范不允许的混凝土面板开裂等。

1.1 混凝土面板开裂变形影响因素分析

在进行混凝土面板堆石坝混凝土面板开裂机理分析时，不仅要考虑大坝在运行过程中混凝土面板内部破坏力与抵抗力间相互较量因素，同时还应考虑大坝修建时间、设计方案、地质条件、环境条件、以及其它一些边界条件等诸多因素，如大坝内部堆石体在重力作用下的徐变引起的混凝土面板应力松驰、外部环境温度湿度等引起的面板自身抗拉强度变化等都会引起混凝土面板发生开裂变形。混凝土面板堆石坝在施工期间，其面板发生的变形挠度大多由于混凝土面板自身重力作用引起，其变形量值通常较小；在运行期间，其面板发生变形挠度主要由于上游侧水压力和堆石体内部变形引起。由经验可知，对于混凝土面板堆石坝而言，一般上游侧水库水压力越大、坝高越高、堆石体密实度越差，混凝土面板发生的挠曲变形度就会越大。在面板周边施工结构缝和垂直缝位置，面板上游侧水荷载作用会引起混凝土面板相对于趾板发生位移变形，从而使整个面板离开原有设计约束条件，向外边、接缝张开处产生较大的剪切开裂变形[2]。

1.2 混凝土面板变形机理分析

1.2.1 混凝土面板沿顺坡向变形机理分析

从大量数值计算分析和大坝原型变形观测数据结果可知，混凝土面板在施工期发生的变形趋势主要为：混凝土面板中下部由于受到上部施工堆石材料不断增加引起的反向水压力，导致整个面板有向上游鼓出的趋势，即混凝土面板上部整体有向坝体内侧偏移趋势；混凝土面板在水库蓄水后运行期发生的变形趋势主要为：混凝土面板在上游侧水压力和水流的不断作用下，会向下游发生变形，其底部面板会有向原坝坡推回的趋势，同时面板的中上部则有向下游侧偏移趋势[3]。

1.2.2 混凝土面板沿坝轴向变形机理分析

从混凝土面板沿坝轴向发生的变形和应力特性来看，在大坝岸坡自然地质地形的外部约束力作用下，大坝内部堆石体和混凝土面板沿坝轴向的变形趋势主要为：大坝岸坡外部作用力会从大坝两岸坡指向河床中央，这就会对河床中部的混凝土面板造成积压作用。当坝体和混凝土面板承受的积压作用力超过设计极限值时，就会导致中部面板变形过大，即当积压应力超出面板混凝土材料的抗压强度时，就会导致混凝土面板发生压裂变形破损事故。

2 混凝土面板结构性裂缝综合防治措施

2.1 合理进行混凝土面板配筋设计

钢筋在混凝土面板中的位置、配筋率、以及是否在混凝土面板边缘设置抗压碎加强筋等不同设计方案均会影响整个混凝土面板的综合性能水平。从大量优秀设计方案总结来看，在结合工程实际情况进行混凝土面板配筋优化设计时，推荐将混凝土面板纵向配筋率为0.3%；要设计合理的横向配筋方案，其配筋率优选0.2%；钢筋在整个混凝土面板中部布置，不宜置于混凝土面板上部或下部；在特殊工程中，应考虑双层布筋方案。

2.2 改进大坝主堆石和下游堆石分区

对于一座混凝土面板堆石高坝而言，在施工过程中如果采用同一种岩性和强度石料进行不同区堆石施工时，可以将整个堆石体看出是一个统一分区，可采用统一的碾压和填筑技术标准和参数；如果依堆石坝料条件进行主、次堆石区划分时，则宜按坝轴线倾向下游侧进行分界，且分界坡度宜采用1:0.5，并满足次堆石区的压缩模量及空隙率参数标准在设计时应高于主堆石区，这样可以有效平衡大坝主堆石和下游堆石区间相互的沉降变形量，从而提高整个堆石坝综合性能水平。

3 结束语

混凝土面板是混凝土面板堆石坝的主要防渗结构，对大坝的安全稳定运行起到至关重要的作用。因此，在混凝土面板堆石坝设计过程中，不仅要结合工程实际情况充分考虑混凝土面板堆石坝开裂变形的主要影响因素和特性机理。同时除了考虑采取上述两条混凝土面板结构性裂缝综合防治措施外，还应考虑采取混凝土面板合理分块分缝优化设计、减小混凝土面板外部约束设计、加载优化设计等技术措施，从而形成完善合理的混凝土面板堆石坝结构性裂缝预防设计方案，从结构性、技术性、经济性等方面彻底防治混凝土面板堆石坝发生结构性裂缝，尽量保证混凝土面板堆石坝中混凝土面板变形与堆石体变形间保持一致协调性，有效提高大坝施工和蓄水运行期综合安全稳定性能水平。

参考文献

[1] 徐泽平. 混凝土面板堆石坝应力变形特性研究[M].郑州：黄河水利出版社,2005.

[2] 张世泉.唐河水库面板堆石坝止水设计[J].吉林水利,2011,344(01):10-12.

作者简介：

杜林（1982－），男（汉族），河北邯郸人，本科，助理工程师，主要从事水电站设计工作。