面板堆石壩面板撓度實測性態分析與研究

杜雪珍，張 猛，朱錦杰

（1.國家能源局大壩安全監察中心，浙江杭州，311122；

2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

混凝土面板是面板堆石壩壩體防滲的主體結構，是壩體與庫水、大氣的分隔層。面板的厚度一般是漸變的，面板在堆石體沉降變形及固結的影響下會產生撓度變形或脫空，當變形過大時會導致面板彎曲破壞甚至斷裂。因此，為適應壩體變形，混凝土面板要有足夠的柔性，并能承受一定的局部不均勻變形，有足夠的強度和抗裂能力。

通過研究已建面板堆石壩的面板撓度運行性態，了解面板撓度量值的合理變化范圍、變化規律及分布特點，可為運行期面板的安全運行提供有益指導。

2 監測方法

面板撓度一般通過埋設在面板內的固定式測斜儀（即電平器）、或活動式測斜儀或光纖光柵陀螺儀進行監測，但由于施工干擾和儀器性能不佳等因素影響，目前國內很多面板堆石壩撓度監測結果不甚理想。對于監測結果不理想、監測設施已損壞較多或無相應監測設施的情況，可根據埋設在墊層料附近的沉降儀和水平位移計，或面板上的表面位移測點的測值，用矢量迭加法推求面板撓度。

3 量值范圍

統計國內已投運的、壩高100 m以上的10座面板堆石壩的面板撓度觀測方法、實測值、設計計算值、垂直壓縮模量、最大沉降、面板撓度與面板斜長之比，結果見表1。由表1可見：面板撓度為191~1 193 mm，除水布埡（1 193 mm）、天生橋一級（725 mm）外，其余均在500 mm以內，且大部分工程的撓度實測值接近或小于設計計算值；垂直壓縮模量為50.9~135.2 MPa，H2/Erc為238~622；撓度與面板最大斜長之比為0.09%~0.3%。

表1 典型工程面板撓度變形匯總表Table 1 Statistics of deflection of face slabs of typicaldams

4 影響因素

面板撓度主要與壩高（H）、沉降量、壓縮模量（Erc）有一定相關性，但也受其他因素影響。

面板撓度與壩高相關圖見圖1。由圖1可見：面板撓度與壩高呈正比，壩高越高，面板撓度越大。

圖1 實測最大面板撓度與壩高相關圖Fig.1 Relationship between maximum measured deflection and dam height

面板撓度與H2/Erc相關圖見圖2。由圖2可見：面板撓度與H2/Erc關系較為密切，H2/Erc較大的工程，其面板撓度也相對較大，這與工程界常規認識一致，即面板撓度與壩高（H）的平方呈正比，與堆石的壓縮模量（Erc）呈反比。本次采納的工程實測擬合面板撓度的估算公式為δ=1.43H2/Erc，這與《混凝土面板壩工程》（蔣國澄等著）中提到面板撓度δ估算公式δ=（1.1～1.6）H2/Erc相符。

圖2 實測最大撓度與H2/Erc相關圖Fig.2 Relationship between maximum measured deflection and H 2/Erc

面板撓度與大壩沉降量相關圖見圖3。由圖3可見：面板撓度與大壩沉降量關系較為密切，沉降量較大的工程，其面板撓度也相對較大。本次采納的工程實測擬合面板撓度的估算公式為δ=0.28Smax?！痘炷撩姘宥咽瘔巍罚ú芸嗣鞯戎┲刑岬降淖畲髶隙圈目梢杂脡误w施工期的最大沉降Smax表示，即可采用推薦公式δ=0.25Smax計算，兩個估算公式較為接近，差值約10%。

圖3 實測最大撓度與最大沉降相關圖Fig.3 Relationship between maximum measured deflection and maximum settlement

5 變化規律及分布規律

堆石體受外部荷載和自身重量等影響，產生沉降、上下游方向和左右岸方向的變形，面板作為一個剛性體，隨堆石體的變形而產生撓度變形。面板撓度隨時間變化規律表現為：施工期及蓄水初期，壩體沉降等變形較大，面板撓度也較大，且大壩越高，撓度越大；運行期大壩變形主要受庫水位影響，庫水位上升，作用于面板的水壓猛增，使面板產生較大的向下游變形，庫水位下降，面板會產生一定的向上游方向的回彈變形，位于面板上部的測點變形較明顯，呈現一定的波動性。運行期撓度變化量較施工期及蓄水初期要小。如貴州某大壩面板撓度采用電平器觀測，典型測點過程線見圖4。由圖4可見，變形主要發生在1998年汛期和1999年汛期蓄水過程，在水壓作用下，位于一期、二期面板測點向上游變形后回彈較三期面板測點小。

圖4 貴州某大壩面板撓度過程線Fig.4 Deflection of the face slab of a dam in Guizhou province

面板撓度空間分布規律表現為：河床中間部位的撓曲變形相對較大，兩岸相對較小，其分布曲線一般呈拋物線形或馬鞍形，這與面板施工分期、預留沉降時間等有關。一般面板堆石壩在水壓力的作用向下游位移，位移最大值一般出現在壩高的2/3附近，但面板最大撓度出現的部位并不固定，面板中部或頂部都有可能，位于頂部的一般與大壩運行期的堆石體固結有較大關系。

如浙江某水庫大壩面板撓曲變形利用埋設在面板下墊層料內的水平垂直位移計或埋設在面板上的表面位移測點測值，用矢量迭加法估算。大壩面板分兩期澆筑，面板撓度分布見圖5。由圖5可見：面板撓度受壩體填筑體變形影響，在運行初期增量較大，之后逐年遞減，面板最大撓度發生在1/3壩高處。

圖5 浙江某水庫大壩面板撓度分布Fig.5 Distribution of deflection of the face slab of a dam in Zhe-jiang province

面板撓度分布呈拋物線形，下部（一期面板）變形較大，上部（二期面板）較小，變形總體較協調。

貴州某大壩面板撓度分布見圖6。由圖6可見，面板撓度分布曲線呈馬鞍形，在面板4/7壩高處（近二期的中部）存在向下游極大值、5/6（近三期中部）壩高處存在向上游極大值。由于該大壩屬高壩，堆石體本身自重作用產生沉降和固結，大壩沿上下游方向產生水平位移，在三期面板中部往上游位移較大，這與大壩中部總體變形模量較低有關。但上游面在水壓作用下向下游位移，兩者綜合作用致使水下部分（一期、二期面板）向下游位移，向下游最大值出現在壩高的4/7，較接近一般堆石壩的2/3處，符合堆石壩位移的分布規律。水下部分面板的兩側位移，通常一期、二期面板變幅均不大，各條曲線粘在一起，三期面板測點變幅較大，呈較分散狀況，并有向上游變化的趨勢。

圖6 貴州某工程典型撓度分布曲線Fig.6 Typicaldistribution of deflection of the face slab of a dam in Guizhou province

6 面板缺陷

從本次統計的工程面板現場檢查情況看，面板堆石壩由于壩體不均勻沉降、上游水位變動、波浪淘刷、凍脹干裂、混凝土老化及地震等因素的影響，面板混凝土常見缺陷為裂縫、破損等輕微缺陷，沒有發現彎曲、斷裂等嚴重破損缺陷。

面板裂縫主要由溫度變化和干縮引起，一般不會導致壩體防滲結構的破壞，但會因加速溶蝕、凍融、鋼筋銹蝕等導致面板耐久性降低。面板破損包括擠壓破損、脫空、隆起、塌陷等缺陷。如貴州某大壩在多次檢查中，均發現大壩面板垂直縫兩側混凝土發生不同程度的局部擠壓破損現象，面板垂直縫擠壓破損較嚴重的主要是L3/L4、L8/L9等接縫，雖經多次修補，但效果一般，在堆石體變形未穩定前仍有可能再次發生擠壓破壞。三期面板混凝土部分裂縫長度有所增長，且有新裂縫產生，上述缺陷尚不至于影響大壩運行安全，面板破損情況見圖7。

圖7 典型工程面板破損照片Fig.7 Damage of the face slab of a dam

7 結語

面板在堆石體沉降變形及固結的影響下會產生撓度變形，面板最大撓度一般為191~1 193 mm，撓度與面板斜長之比為0.09%~0.3%。撓度變形與大壩最大沉降關系密切，與壩高的平方呈正比，與堆石的壓縮模量成反比。面板撓度分布曲線一般呈拋物線或馬鞍形。面板發生彎曲破壞的可能性較小，其變形受壩體變形影響較大，因此控制好壩體變形是控制面板撓度變形的關鍵。