阿尔塔什混凝土面板砂砾石-堆石坝接缝止水设计

白 阳,常林果,马成祥,李博佳

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

近年来新疆水利工程建设迅猛发展，“百米级”面板堆石坝逐年增多，接缝止水是面板坝安全稳定运行的关键部位，良好的接缝止水系统，可以减少大坝渗流量，降低坝体浸润线。以往中小水库面板坝接缝止水依照经验及半经验进行设计，然而，针对一些超高混凝土面板堆石坝此类方法实有不妥，如紫坪铺、天生桥一级、龙马水库、株树桥、巴西(Barra Grandr)、墨西哥阿瓜密尔帕(Aguamilpa)等工程，因坝体不均匀沉降较大或遭遇强震后使得面板止水受到破坏导致坝体不同程度的漏水，对坝体安全运行造成了很大威胁，因此，面板坝接缝止水设计对大坝的安全运行至关重要。阿尔塔什水利枢纽工程为新疆三峡具有“三高一深”特点，结合本工程特点我院委托国内三家知名科研单位进行静动力三维有限元计算，在得到各个工况下所有接缝最大变形量后，参考国内外同类型100～200m级高面板坝周边缝设计、实测位移值，提出了适合本工程的接缝允许变形值和一套接缝止水设计成果，目前工程已蓄水并网发电接缝变形量均满足设计要求。

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽作为新疆南疆叶尔羌河流域内最大的控制性工程。工程任务为防洪、灌溉、发电等。水库总库容22.49亿m3，正常蓄水位1820m，电站装机755MW。枢纽为大(1)型Ⅰ等工程，地震基本烈度为8度。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为1825.80m，最大坝高164.8m，坝顶长度795.0m。本工程坝体标准剖面如图1所示。

图1 阿尔塔什混凝土面板堆石坝坝体横剖面图

2 接缝变形允许值设计

阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板堆石坝防渗体系由趾板、连接板、大坝上游混凝土面板、防浪墙等构成，这些防渗结构的接触部位形成接缝。这些接缝分为下述几种类型：趾板与面板之间的周边缝。面板垂直缝由拉性缝与压性缝组成。防浪墙底部与面板顶部之间的防浪墙水平缝。为了形成整体的防渗体系，所有接缝须按照不同接缝的特点设置相适应的止水。本工程面板分缝宽度：河床部位受压区宽为12m(48块)，岸坡部位受拉区面板宽6m(左岸11块，右岸21块)。在坝顶上游侧设置“L”形钢筋混凝土防浪墙与面板相接处设沉降缝，12m设置一条伸缩缝，缝内设止水。板间缝具体分布如图2所示。

图2 阿尔塔什混凝土面板堆石坝面板分缝示意图

本工程砂砾石面板堆石坝三维有限元静、动力计算委托大连理工大学、河海大学、中国水科院三家单位进行平行分析。混凝土面板分缝变形量计算成果见表1，本工程混凝土面板接缝位移允许变形量采用国内三家知名单位进行数值分析得到各个工况下接缝变形量，同时，列出国内外100～200m级高面板堆石坝接缝变形量见表1。表2得出本工程垂直缝最大张开量为40.2mm，顺坡向最大错动47mm，法向最大错动30.2mm，周边缝最大张开量为68.2mm，沿趾板走向错动最大值31.7mm，沿法向错动44.3mm。目前国内外100～200m级高面板坝周边缝设计、实测位移值见表2，张开量最大值在60mm左右，沉陷最大值在100mm左右，剪切最大值在60mm左右，且实测值均不计算值小。因此，本工程接缝根据计算与国内外变形计算与实测值提出允许变形量2～3倍适合本工程接缝允许变形量。

表1 国内外100～200m级高面板坝周边缝设计、实测位移值表

表2 混凝土面板分缝变形量计算成果表 单位：cm

3 面板分缝设计

3.1 周边缝止水设计

由于面板与趾板分别位于碾压堆石体和基岩两种不同弹性模量的介质上，水库蓄水后，存在张开、下沉、剪切三维位移，因此周边缝设计为最主要的设计问题。为适应变形，参考已有工程和有关试验选定周边缝的宽度20mm。本工程周边缝设置底部、中部、顶部3道止水，周边缝采用沥青松木板作为填缝材料，周边缝止水结构如图3所示。表层采用波形止水带止水。表止水塑性填料考虑周边缝张开最大位移为40mm，最大张开面积约为640cm2，考虑增加一定的富余量，塑性填料面积设计为1000cm2。表止水塑性填料复合盖板的作用是保护其下塑性填料不被水击穿，确保塑性填料流动止水作用，增大塑性填料流入接缝的量。采用三元已丙橡胶板厚度5mm，复合塑性止水板厚度3mm的复合盖板，用60mm×6mm不锈钢扁钢压条、M10mm×100mm喷锌膨胀螺栓固定。复合三元已丙盖板与混凝土面板及趾板接触处涂SK底胶。底止水根据DL/T 5215—2005《水工建筑物止水带技术规范》，设计剪切量取66mm，周边缝的底止水采用F形1.2mm厚的复合铜止水，为加强止水铜片与混凝土的结合，止水铜片端头立腿高度取130mm，立腿顶部为Φ33mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充；铜止水两翼加复合厚6mm、宽100mm的GB止水板，增强铜止水抗绕渗能力。

图3 面板坝周边缝止水结构

3.2 垂直缝止水结构设计

大坝混凝土面板的垂直缝止水结构由张拉缝(A型缝)、压缩缝(B型缝)。

3.2.1混凝土面板受拉区结构缝

拉性垂直缝最大剪切量为24mm，最大沉陷量为40mm，最大拉伸量为26mm。由于张开位移较大，止水结构采用与周边缝相同的带有波形止水带的3层止水结构；塑性填料断面面积设为设为700cm2。面板缝面涂刷沥青乳胶。底止水采用W3型1.2mm厚的复合铜止水，止水铜片端头立腿高度取105mm，立腿顶部为Φ20mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充；铜止水两翼加单面复合厚6mm、宽100mm的GB止水条，A型垂直缝结构如图4所示。

图4 A型垂直缝结构

3.2.2面板受压区垂直缝

压性缝采用不设波形止水带的止水结构，设置Φ60mm的PVC棒支撑体，塑性填料填料断面面积设为200cm2。底止水结构与拉性缝底止水结构相同，B型垂直缝结构如图5所示。

图5 B型垂直缝结构

3.3 水平缝止水设计

防浪墙与面板接缝塑止水采用不设波形止水带的止水结构，设置Φ60mm的PVC棒支撑体，塑性填料断面面积设为500cm2。复合盖板采用厚5mm三元已丙橡胶板及厚3mm复合塑性止水板的复合盖板，用60mm×6mm不锈钢扁钢压条、M10mm×100mm喷锌膨胀螺栓固定。复合盖板与连接板接触处涂GB找平密封胶。连接板采用W形1.2mm厚的铜止水，铜止水两翼加单面复合厚6mm、宽100mm的GB止水条；止水铜片端头立腿高度105mm，立腿顶部为Φ20mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充，水平缝结构如图6所示。

图6 水平缝结构

3.4 连接板间缝止水设计

由于河床段为深厚砂卵砾石覆盖层，为适应基础薄弱部位的不均匀沉降，坝基采用混凝土防渗墙防渗，与混凝土趾板之间采用柔性连接板连接，连接板厚度1m。中间分缝位置与面板垂直缝连通，两端通过永久缝与坐落于基岩上的连接墙相连。河床连接板板间连接缝最大剪切量为16mm，最大沉陷量为39.2mm，最大拉伸量为10.2mm。表止水塑性填料及复合盖板塑性填料面积设计为700cm2。复合盖板采用厚5mm三元已丙橡胶板及厚3mm复合塑性止水板的复合盖板，用M18×80@250不锈钢沉头螺栓、不锈钢扁钢压条60mm×6mm、顶部GB柔性嵌缝材料固定。复合盖板与连接板接触处涂GB找平密封胶，沉头螺栓在连接板内的空隙采用GB密封胶填充。第二层采用波形止水带止水，以下设置Φ80mm的PVC棒支撑体，上部设展开长度为160mm，厚12的波浪型止水带，在波形止水带两翼平段下表面复合70mm×3mm的复合GB止水板，用60mm×6mm不锈钢扁钢压条、M10mm×100mm喷锌膨胀螺栓固定。底止水采用采用W形1.2mm厚的铜止水，铜止水两翼加单面复合厚6mm、宽100mm的GB止水条；止水铜片端头立腿高度105mm，立腿顶部为Φ20mm的PVC棒，由聚氨酯泡沫填充，河床连接板间缝结构如图7所示。

图7 河床连接板间缝结构

3.5 水位变动区周边缝及竖向缝止水设计

为减少水位变动区顶部止水遭冰拔力破坏，1776m以上高程垂直缝顶部止水盖板与面板采用M18×80@250不锈钢沉头螺栓、不锈钢扁钢压条60mm×6mm、顶部GB柔性嵌缝材料固定；复合盖板与连接板接触处涂GB找平密封胶，沉头螺栓在连接板内的空隙采用GB密封胶填充。其余部位止水同其他垂直缝。铜止水立腿均刷沥青漆一道，保证混凝土浇筑时与铜止水鼻子有效分离。

4 接缝变形监测成果分析

工程于2019年11月26日下闸蓄水，截止2021年8月12日，库水位为1802.40m。受大坝蓄水水压和大坝坝体沉降共同影响，一至三期面板整体挠度值29.9mm，一至三期面板整体挠度值较小。监测成果反映目前面板板间缝开合度在0.20～3.59mm之间，开合度总体较小。监测成果反映目前周边缝最大开合度24.7mm远远小于设计阶段所提100mm允许变形量要求，最大剪切变形42.9mm小于设计阶段所提80mm允许变形量要求，最大相对沉降变形47.7mm小于设计阶段所提100mm允许变形量要求。连接板接缝最大开合度26.6mm小于设计阶段所提100mm允许变形量要求、最大剪切变形12.6mm小于设计阶段所提80mm允许变形量要求、最大相对沉降变形31.0mm小于设计阶段所提100mm允许变形量要求。周边缝受上部盖重施工影响，有个别测点目前变形量较大，连接板接缝受盖重施工影响目前整体变形较小。

5 结语

(1)针对阿尔塔什地处高地震区、河床覆盖层深的特点，为适应河床部位的不均匀沉降，坝基混凝土防渗墙与趾板之间采用柔性连接板连接，单独设计其板间缝止水，在防渗墙、连接板和趾板表层铺设复合土工膜，提高河床段防渗体系的防渗及抗震性能。

(2)针对面板受力区域不同其接缝特点也不同，兼顾考虑水位变动区的影响，将受拉区和受压区面板垂直缝止水区别设计，并在水位变动区调整复合三元已丙盖板与面板的固定形式，用以减少止水遭冰拔力破坏。

(3)根据已建工程实例，在周边缝和受压缝内嵌填沥青松木板。由于沥青松木板富有弹性并具有一定抗压缩能力，面板接缝能更有效的吸收了面板挤压产生的变形，避免了面板因挤压破坏，造成面板裂缝。

2019年11月26日大坝蓄水后，根据监测资料可知大坝周边缝、连接板接缝受蓄水影响的变形较小，且均为超出设计允许值，表明本工程接缝止水设计能够满足工程安全运行需求。依此，为今后同类型超高面板坝接缝止水设计提供借鉴。