一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法

摘要

本发明公开了一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法，本发明通过控制建设形成期沉降量SJ和运行期沉降量SY实现控制坝体全寿命周期沉降量S的目的；建设形成期沉降量SJ按照全寿命周期沉降量S的0.8～0.9倍控制；运行期沉降量SY包括面板结构适应的纵向变形SZ，在构筑面板坝时，在相邻挤压面板之间设置宽度为8～20mm的分缝；面板结构适应的纵向变形SZ取最大坝高H的0.05%～0.15%控制；坝体全寿命周期沉降量S根据填筑坝体的材料确定。本发明提出的方法从坝体变形和面板适应性方面提出了完整的一套控制技术，控制目标、措施和指标明确，适应于设计、施工和现场管理等各个环节，同时可以作为大坝全寿命周期的一个评价依据。

权利要求

1.一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法，其特征在于：该方法通过控制建设形成期沉降量SJ和运行期沉降量SY实现控制坝体全寿命周期沉降量S的目的；建设形成期沉降量SJ按照全寿命周期沉降量S的0.8～0.9倍控制；运行期沉降量SY包括面板结构适应的纵向变形SZ，在构筑面板坝时，在相邻挤压面板之间设置宽度为8～20mm的分缝；面板结构适应的纵向变形SZ取最大坝高H的0.05%～0.15%控制；坝体全寿命周期沉降量S根据填筑坝体的材料确定，当填筑坝体的母岩为饱和抗压强度＜30MPa的软岩时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.8%～1.3%；当填筑坝体的母岩为饱和抗压强度≥30MPa的硬岩时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.7%～1.2%；当填筑坝体采用砂砾石筑坝时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.4%～0.7%。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述建设形成期沉降量SJ的控制包括坝体材料级配等级的控制和施工工艺的控制；坝体材料的最大粒径控制在60～80cm之间，并通过实验室和现场碾压试验满足设计要求后方可实施；施工工艺的控制应在第一个汛期前填筑断面上下游高差不大于50米，后续填筑采用全断面分层平行上升的方式；每层的摊铺厚度为0.6～1米，每层应碾压6～10遍，碾压过程中洒水量为每层摊铺材料体积的15%～20%；碾压设备采用28吨以上大功率振动碾或冲碾进行碾压，碾压后就检查坝体的孔隙率n＝18～

19.5%。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：所述坝体的面板下部铺设有垫层，垫层的沉降速率在5～10mm/月之间，填筑坝体时应高出设计高度5～15mm留有沉降空间，坝体预沉降时间为3～6个月；或通过蓄水对坝体进行预加载。

说明书

一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

[0002] 面板堆石坝因其良好的经济性、适应性和安全性以及和环境的协调性在水利水电工程中被广泛采用，是坝工专家青睐的坝型之一。随着该坝型建设高度的增加，很多工程在后期的运行中因为坝体变形导致了面板破损，进而产生很大的渗漏量、影响了工程的安全性和经济性，如国外的阿瓜米尔帕、坎波斯诺沃斯、辛戈面板堆石坝等，国内的天生桥一级、株树桥等面板堆石坝。为此，国内外学者和专家针对坝体变形这类问题从提高堆石体孔隙率、控制上下游分区的变形模量差、控制坝体填筑分期间的高差、严格面板浇筑时机选择等方面对坝体变形进行了针对性控制，但从采用了这些控制技术建设后的水布垭、三板溪等高面板堆石坝运行来看，这些工程在运行期还是因为坝体变形产生了面板的破损。为解决面板的挤压破损问题，我国专利(ZL201410763722.2)提出了一种混凝土面板堆石坝中预防面板间相互挤压的分缝方法是指在混凝土面板受压区部位分缝时预留相应的缝宽，技术方案是采用预留缝间的宽度来适性大坝的纵向位移，使所有缝间宽度之和大于大坝纵向位移，这样面板缝间不会发生挤压，从而达到预防面板间挤压破坏的发生。

[0003] 但是，目前对于面板堆石坝坝体变形控制的成套技术还不够系统，尚不能解决因为坝体变形导致的面板破损问题，特别是很多工程在设计和施工中往往重视坝体总体沉降变形的控制，但是忽视了坝体在建设期和运行期不同阶段变形控制，所以导致运行期的坝体变形大。同时也有很多工程片面的关心坝体变形的控制，却忽视了面板作为一种薄壁结构对坝体变形的适应性调整。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，提供一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法，以解决高面板堆石坝中的变形引起的面板破损的问题，从而克服现有技术的不足。

[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0006] 本发明的一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法为，该方法通过控制建设形成期沉降量SJ和运行期沉降量SY实现控制坝体全寿命周期沉降量S的目的；建设形成期沉降量SJ按照全寿命周期沉降量S的0.8～0.9倍控制；运行期沉降量SY包括面板结构适应的纵向变形SZ，在构筑面板坝时，在相邻挤压面板之间设置宽度为8～20mm的分缝；面板结构适应的纵向变形SZ取最大坝高H的0.05％～0.15％控制；坝体全寿命周期沉降量S根据填筑坝体的材料确定，当填筑坝体的母岩为饱和抗压强度＜30MPa的软岩时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.8％～1.3％；当填筑坝体的母岩为饱和抗压强度≥30MPa的硬岩时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.7％～1.2％；当填筑坝体采用砂砾石筑坝时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.4％～0.7％。

[0007] 前述方法中，所述建设形成期沉降量SJ的控制包括坝体材料级配等级的控制和施工工艺的控制；坝体材料的最大粒径控制在60～80cm之间，并通过实验室和现场碾压试验满足设计要求后方可实施；施工工艺的控制应在第一个汛期前填筑断面上下游高差不大于50米，后续填筑采用全断面分层平行上升的方式；每层的摊铺厚度为0.6～1米，每层应碾压
6～10遍，碾压过程中洒水量为每层摊铺材料体积的15％～20％；碾压设备采用28吨以上大功率振动碾或冲碾进行碾压，碾压后就检查坝体的孔隙率n＝18～19.5％。

[0008] 前述方法中，所述坝体的面板下部铺设有垫层，垫层的沉降速率在5～10mm/月之间，填筑坝体时应高出设计高度5～15mm留有沉降空间，坝体预沉降时间为3～6个月；或通过蓄水对坝体进行预加载。

[0009] 本发明与现有技术相比，本发明提出的方法从坝体变形和面板适应性方面提出了完整的一套控制技术，控制目标、措施和指标明确，适应于设计、施工和现场管理等各个环节，同时可以作为大坝全寿命周期的一个评价依据。本发明可以更加合理的控制坝体变形和面板结构设计，避免了施工期因为考虑不周全而临时增加控制措施引起的工期、投资增加，甚至影响工程度汛安全和下闸蓄水等节点，从而降低工程的经济性。而在运行期则是有效降低了因坝体变形控制不当和面板结构设计不合理引起的面板破损、坝体渗漏量增加的风险，避免出现了某些工程在运行期降低库水位，进行面板修补情况的发生，对工程的后期的安全评价和发电、防洪效益有明显的改善。

附图说明

[0010] 图1是填筑体全寿命周期过程和沉降变形关系图；

[0011] 图2是面板堆石坝坝体和面板变形控制与适应的方法流程图。

具体实施方式

[0012] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

[0013] 本发明的一种面板坝的坝体和面板的变形控制与适应方法为，该方法通过控制建设形成期沉降量SJ和运行期沉降量SY实现控制坝体全寿命周期沉降量S的目的；建设形成期沉降量SJ按照全寿命周期沉降量S的0.8～0.9倍控制；运行期沉降量SY包括面板结构适应的纵向变形SZ，在构筑面板坝时，在相邻挤压面板之间设置宽度为8～20mm的分缝；面板结构适应的纵向变形SZ取最大坝高H的0.05％～0.15％控制；坝体全寿命周期沉降量S根据填筑坝体的材料确定，当填筑坝体的母岩为饱和抗压强度＜30MPa的软岩时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.8％～1.3％；当填筑坝体的母岩为饱和抗压强度≥30MPa的硬岩时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.7％～1.2％；当填筑坝体采用砂砾石筑坝时，全寿命周期沉降量S控制在坝高H的0.4％～0.7％。

[0014] 所述建设形成期沉降量SJ的控制包括坝体材料级配等级的控制和施工工艺的控制；坝体材料的最大粒径控制在60～80cm之间，并通过实验室和现场碾压试验满足设计要求后方可实施；施工工艺的控制应在第一个汛期前填筑断面上下游高差不大于50米，后续填筑采用全断面分层平行上升的方式；每层的摊铺厚度为0.6～1米，每层应碾压6～10遍，碾压过程中洒水量为每层摊铺材料体积的15％～20％；碾压设备采用28吨以上大功率振动碾或冲碾进行碾压，碾压后就检查坝体的孔隙率n＝18～19.5％。

[0015] 所述坝体的面板下部铺设有垫层，垫层的沉降速率在5～10mm/月之间，填筑坝体时应高出设计高度5～15mm留有沉降空间，坝体预沉降时间为3～6个月；在坝体预沉降时间内也可以通过蓄水对坝体进行预加载。

[0016] 实施例

[0017] 本例结合已建工程和土工试验可知，在既定的筑坝材料、既定的施工工艺和既定的荷载条件下，可以认为，填筑体全寿命周期的沉降量是确定值。但加载的快慢和加载方式对坝体施工到运行过程中(建设形成期)的任意时刻的变形影响是不同的，也即与固结时间密切相关。基于该原理，通过一定的措施可以实现填筑体全寿命周期中对防渗面板安全影响大的填筑体建设形成期沉降尽量提前完成，避免因运行期沉降过大造成面板的破损。

[0018] 为实现上述目的，在本发明中采取的技术手段包括面板堆石坝和面板变形控制与适应的方法，该方法包含以下层次：

[0019] 首先，要求在工程筑坝材料确定的情况下尽量控制填筑体全寿命周期的沉降量S，以此作为大坝变形控制的第一目标，并从碾压参数、碾压工艺、坝料级配等方面提出了控制措施和相应的控制指标。

[0020] 其次，结合国内外众多工程在运行期出现填筑变形过大的现象，综合分析已建工程经验教训的基础上，要求将填筑体的沉降按照建设形成期和运行期两个阶段，提出了将填筑体建设形成期沉降SJ作为变形控制的第二个目标，并从坝体填筑分期、大功率碾压设备、面板浇筑时机和预加载等方面提出了工程措施和相应的控制指标。

[0021] 最后，为了能够在运行期让混凝土面板作为一种薄壁结构更好适应大坝的变形，结合目前高面板堆石坝工程中普遍存在的挤压破坏现象，从面板结构应适应纵向变形SZ的第三个目标，并从相邻面板间的分缝和嵌缝方面提出了控制指标。

[0022] 其中填筑体全寿命周期的沉降量S用于控制和评价坝体的总体变形情况，可以预测大坝全寿命周期的变形情况；建设形成期沉降SJ可以量化和评价大坝的安全性状，同时指导大坝施工期面板浇筑的时机选择、优选控制沉降的工程措施；面板结构则是评价面板在运行期适应坝体变形和增加面板抗挤压破坏的能力，作为防挤压破坏的一种安全储备。

[0023] 本发明中的“填筑体全寿命周期沉降S”指的是面板堆石坝全寿命周期中的坝体变形，既包括建设期的沉降SJ、也包括坝体运行后因荷载、填筑体流变、湿化、等引起的运行期沉降SY。

[0024] 填筑体全寿命周期沉降S一般按照最大坝高H的系数控制，按填筑体母岩分为：

[0025] 软岩(岩体饱和抗压强度＜30MPa)筑坝时，S＝(0.8～1.3)H；

[0026] 硬岩((岩体饱和抗压强度≥30MPa)筑坝时，S＝(0.7～1.2)H；

[0027] 砂砾石筑坝时，S＝(0.4～0.7)H。

[0028] 本发明中所说的“建设形成期沉降”SJ指对防渗面板的安全产生影响的变形，反之为“运行期沉降”SY。如图1所示。

[0029] 建设形成期沉降SJ一般按照总沉降变形的0.8～0.9倍控制，即SJ＝(0.8～0.9)S。

[0030] 本发明中所述的面板结构适应的纵向变形SZ指的是沿坝轴线方向由两岸向河谷中心的位移，一般取最大坝高H的0.05～0.15倍控制，即SZ＝(0.05％～0.15％)H。

[0031] 适应纵向变形的面板结构要求相邻挤压面板之间的分缝宽度取8～20mm，并在缝内嵌填具有一定强度的头绪材料。

[0032] 本发明技术既要求明确控制坝体变形，又要求设计出适应纵向变形的面板结构。

[0033] 具体实施时，首先是在设计阶段，根据具体工程的筑坝材料和坝高确定其填筑体全寿命沉降S的目标值，坝高100m以下的工程建议取下限，200m级的坝高取上限控制；根据确定的目标值在坝料填筑和坝料级配中进行指标优选，考虑到全寿命沉降S的影响性，建议在经济和工期的综合因素下，从严控制坝料填筑指标和坝料级配。同时对两项指标值建议开展现场碾压试验最终确定指标值。

[0034] 其次，在建设阶段为了控制填筑体尽可能在该时段内完成其全寿命周期内的大部分沉降，也就是本发明提出的建设形成期沉降SJ，使该时段内的沉降占到全寿命周期的80％～90％，所以还需要在建设期内在常规施工方法的基础上，选用更加合理的填筑分期、采用28t以上振动碾或者冲击碾加快该时段的沉降，并在确保工期和安全的前提下使得填筑体在面板浇筑前的沉降时间为3～6个月，浇筑混凝土面板前确保其填筑体沉降速率5～
10mm/月，在有条件时还应通过上游蓄水预压等预加载的措施促使填筑体在建设期的沉降。

[0035] 最后，在做好以上控制的基础上，还需控制填筑体纵向变形的目标值在坝高H的0.05％～0.15％之间，即SZ＝(0.05％～0.15％)H，同时应针对混凝土面板薄壁结构适应沿纵向变形的能力，使得受压面板间分缝总和不得小于SZ，且同时满足单个分缝宽度不得大于8～20mm，缝内需嵌填有一定强度的弹性材料。