土石坝与混凝土坝接头型式与抗震措施

2012-07-06迟世春贾宇峰杨家卫

黑龙江大学工程学报 2012年3期

迟世春，贾宇峰，杨家卫

（1.大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连 116024；2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，昆明 650051）

0 引言

混合坝是指中间溢流坝段采用混凝土坝，两侧挡水坝段为土石坝的混合坝型。这种坝型在中、低挡水高度的水利枢纽中较为常见。目前世界上最高的几座混合坝有：连接段坝高（下同）125m的委内瑞拉Guri坝；95m高的巴西Itumbiara坝，82m高的美国Look Out Point坝；80m高的巴西Tucurui坝等等。我国的丹江口水库混合坝连接段坝高71.6m，属国内最高。相对于混凝土坝，土石坝由松散颗粒集合体构成，其刚度较小。刚度的差别将导致混凝土坝与土石坝的接合面处变形差别大和应力分布不均匀。特别是地震情况下，刚度的不同使各自坝段具有不同的振动特性，其对地震的响应也不相同。亦即，在地震过程中接头部位的混凝土坝和土石坝具有不同的振动行为。因此，接头部位容易出现相对沉降和张拉裂缝，是坝体结构的薄弱部位。接头部位如果处理不当，往往会造成严重的质量事故，甚至危及大坝安全。因此，土石坝与混凝土坝等刚性建筑物之间的连接是当前水工结构工程领域的关键技术问题之一。

但接合面的应力与位移一般很难依靠理论计算模拟或模型试验加以准确估计，因此设计中的关键问题只能在理论计算或模型试验的基础上，依靠经验分析和判断加以解决。故有必要总结国内外混凝土坝与土石坝接头工程经验，理清设计思路与关键要点，为工程设计与施工提供参考依据。

1 接头型式与设计重点

土石坝与混凝土坝的接头型式与坝高、地形、地质、建筑物布置、土石坝坝坡坡度等有关。一般接头型式有两种：①插入式接头，即混凝土坝伸入土石坝一段长度，土石坝坝壳作成裹头型式，包住混凝土坝；②侧翼墙式接头，侧墙轴线基本垂直混凝土坝轴线，挡住土石坝坝坡。根据巴西经验，一般坝高＜20m用侧翼墙式接头，坝高＞20m用插入式接头。较高的混合坝接头也有采用侧墙式布置，如60m高的加拿大Mactaquac坝，56.7m高的美国Wanapum坝。

观测研究表明：①一座高坝采用了混凝土插入心墙的连接方式，沿接触面的渗透压力观测结果指出，在插入混凝土墙的上游与土的接触面上，静水压力下降为零，在下游接触面上静水压力下降也很少，几乎全部静水压力的降落都发生在混凝土与心墙横向接触面上。这说明包裹混凝土的上、下游接触面几乎没有防渗作用；②由于心墙的变形不仅发生在垂直方向的沉降，而且还有指向上、下游坡脚的变形分量。这一分量使深入心墙的混凝土刺墙沿上下游接触面上的压力有减小的趋势，因而使插入式心墙不能取得有效的防渗效果，而且还可能降低抵抗管涌的能力；③混凝土坝与土石坝连接设计，在巴西不仅很多而且结构简单，接触面防渗部分的渗径长度不做统一规定，有的设计公司取横向接触面渗径为L＝e＋0.3 H（式中L为渗径；e为防渗体顶部厚度；H为计算断面水头），主要依靠做好防渗体下游的反滤和排水措施来保证。

过去认为接合面最好作成不规则形状，或增设刺墙，以加长渗径，如大连碧流河水库的曲线接头等。近年的实践怀疑这种作法的效果，由于接合面形状复杂，增加了接头段土石坝的压实困难，并造成应力集中，近年已倾向于采用光面平接头连接。由于接头部位心墙包裹混凝土坝的上、下游界面降低水头的作用有限，许多工程采用黏土心墙不再包裹混凝土坝，而是直接与混凝土坝平接的布置方案。

坝轴方向混凝土墙与土石坝心墙接合面的坡度可采用1∶0.1～1∶0.6。采用稍缓坡度有利于接头的应力过渡，可一定程度地减小接头坝体变形。但会增加混凝土方量，对地基的要求也较高。

有人认为，在混凝土接合面上涂沥青效果较好，可以减小接合面的剪应力，防止土料起拱造成管涌。

沿接合面的渗漏是难免的：①要作好沿接合面的心墙填筑，措施是土料含水率略高于最优含水率，或使接头合龙段的填土适当拖迟，以防止土料沉陷后接合面造成集中渗漏的缝隙；②更重要的是作好反滤及排水，防止由于渗漏造成管涌。

接合面上的有效应力应大于孔隙水压力，以防止产生水力开裂，可采用有限单元法计算，并埋设仪器观测。

总之，现在土石坝与混凝土接头的连接形式多采用光滑接触面结合，与混凝土坝的接合坡度一般采用1∶0.1～1∶0.6。应在接头连接面的渗流出口，设置可靠的、适当加厚的反滤层和过渡层，并与心墙反滤层连接为整体。连接段的坝壳采用强透水的堆石或具有良好排水性能的砂砾石料作为棱体。也有使心墙轴线方向以倾向下游的一定斜角与混凝土坝相连接，在水压力与土压力作用下，使心墙与混凝土接合面压紧，防止接合面变形开裂和接合面脱开等。另外，心墙在与混凝土刚性建筑物的连接处，宜用塑性较大、含水率高于最优含水率1%～3%的黏土填筑，有助于使连接面适应变形。还要采取具体的施工措施，确保连接段黏土心墙的压实质量，使接合面具有一定的压应力，保证心墙与混凝土坝的密实连接。

2 国内外典型工程的接头简介

美国1978年完成的美洲瀑布坝的改建工程（American Falls Replacement Dam）[1]，土石坝与混凝土坝接头高30.5m，接合面的典型平剖面见图1。由于不透水料1是非塑性的砂及壤土，直接与混凝土接合不好，采用第二种不透水料塑性黏土1A，塑性指数37，填筑时含水率较最优含水率高2%～3%，压实干容重控制为最大干容重的95%。不透水料1A直接与混凝土坝全断面相连，为避免90°角处的应力集中，不采用土料裹住混凝土的作法，而是简单的平头连接。任何经过接合面的渗漏都被下游紧接的二层反滤拦截并排走。

图1 土石坝与混凝土重力坝标准接合面剖面（美洲瀑布坝改建）Fig.1 Standard section of the junction between earth dam and concrete gravity dam

摩洛哥优赛福·本·达庆（Youssef Ben Tachine）土石坝[1]，最大坝高86m，与混凝土溢流坝成侧翼墙式连接，连接段坝高约20m，在接合面处加大了心墙厚度。此外，沿接合面的上、下游专门增加了一道反滤层和排水层，以加强反滤排水作用，见图2。

巴西1975年建成的萨西莫（Sao Simao）堆石坝[1]，最大坝高95m，与混凝土坝接头处的坝高70m，位于新鲜玄武岩上，其接合型式见图3、图4。为缩短接头段的长度，堆石裹头应尽可能放陡坡度，可达0.5∶1。埋设仪器对接合面的位移与渗流进行观测。

丹江口右岸土石坝左端与混凝土坝下游坡正交连接[2]，接头的渗径长度采用1.5倍水头。按正常蓄水位170m，坝基最低建基面高程为117m，计算渗径长为80m。为满足渗径长度要求，连接段土石坝的防渗体适当扩大断面，防渗体由标准断面顶部宽度3.0m，上下游坡度均为1∶0.2，经过110m长的渐变段，至混凝土坝面处渐变为顶宽7.0m，上游坡1∶0.4，下游坡1∶0.5的扩大断面。防渗体扩大断面与混凝土坝结合处，混凝土坝面坡度为1∶0.6，并在其接触面设置了3道混凝土短齿墙，以加强防渗效果。连接段的防渗体选用塑性相对较高的黏土填筑并压实。

万安水利枢纽右岸土坝与船闸连接为插入式接头[3]，即在闸室右侧建混凝土刺墙，以加长接触面渗径。插入式墙比较过单刺墙与双刺墙方案，认为两道短刺墙方案施工难度小，工程量也不多，有利于抗震。刺墙为类似三角形块体，与船闸闸室整体浇筑。靠上游的刺墙，墙顶高程101m，底长6.5m，顶长2.8m。下游刺墙墙顶高程93m，底长6.5m，顶长4.0m，刺墙的外边宽均为1.0m，三面坡坡度为1∶0.2～1∶0.5。刺墙的长度是按渗径≥1.5倍水头确定。船闸连接段扩大心墙将两道混凝刺墙包裹在内，心墙顶宽20.5m。上游坡为1∶0.25，下游坡为1∶0.63～1∶0.25，两道刺墙间最小宽度（68.0m高程）为9.35m，可以用轻型机具压实心墙土料。

心墙黏土与混凝土结合是否密实也是一个重要课题，从丹江口左联段以蒙脱石为主的心墙黏土与混凝土面结合较密实，提出了万安地区以伊利石为主的黏土与混凝土面结合是否密实的问题，进行了不同性质黏土与混凝土面的结合力试验。试验表明矿物组成以伊利石为主的心墙黏土在混凝土接触面涂刷一层蒙脱土为主的黏土浆，能有效地提高黏土与混凝土面的结合力。

3 土石坝与混凝土坝接头抗震研究

过去几十年，土石坝抗震设计强调的是震陷导致超高丧失引起的洪水漫顶和坝基与坝体液化问题。在强震作用下，土石坝与混凝土坝接头的接合面会发生瞬时分离与闭合，分离时若有水灌入，闭合时还会发生缝隙水挤出及孔压升高问题。由于土石坝料有较强的塑性，在分离与闭合的过程中，会产生地震永久变形，再加上闭合过程中缝隙水作用，地震后一般在土石坝和混凝土坝的接合面会产生裂缝。

我国三道岭混合坝[5]，坝高24m，位于3～9 m的砂砾石覆盖层上，混凝土坝与土坝截水墙都坐落在弱风化岩上。右坝头为混凝土溢流坝，以混凝土坝插入土坝心墙相连接，接头处坝高17m。土坝与混凝土坝接头经历了海城地震的考验，发现混凝土坝与土坝相接的插入墙两侧的黏土心墙下沉8cm，上下游坝肩分别下沉20、22cm。在接触面上形成肉眼可见的裂缝，缝的深度＞1m，运用中未发现漏水异常。

碧口黏土心墙堆石坝与右岸溢洪道为侧翼墙式连接，接头处坝高27m。该接头遭遇过1976年松潘7.2级地震和2008年汶川地震。松潘地震后，接头无严重裂缝及渗漏。汶川地震在土坝与溢洪道的接触部位出现贯穿性张开裂缝，裂缝沿大坝与溢洪道侧墙接触处向上、下游延伸，宽度5～9cm。

Nien－Yin Chang（1992）曾经对一57.9m高的土石坝和混凝土坝接头进行了地震反应分析，后又对一30.84m的土石坝和混凝土坝接头进行了地震作用下的参数敏感性分析。采用的地震波为1967年Koyna地震加速度实测波，峰值加速度取0.87g，地震持时12s。计算结果显示，接头的上游面土与混凝土发生分离的深度在16.76～19.81 m，最大缝宽发生在坝顶为0.082m。

国内进行土石坝与混凝土坝接头有限元计算的文献亦有不少[6－8]。常晓林等人[6]采用有限元方法，利用邓肯E－B模型及接触面模型，模拟堆石坝的实际填筑和蓄水过程，对观音岩水电站混合坝方案插入式接头结构型式进行三维非线性分析。计算结果表明，在蓄水前后，接头处各接触面上下游堆石部分都有脱开现象，心墙与混凝土在顶部有小范围脱开现象；彭云枫等人[7]分析了混合坝的地震反应，认为土坝与混凝土坝的接头是两种刚度悬殊材料的交接面，在加速度峰值为0.229g的地震波作用下，接头会产生一定的局部破坏，如接头部分受拉区脱开，坝顶附近堆石松动、滑落或混凝土坝出现裂缝。建议在这些部位应采取适当的抗震加固措施，可在受拉区域有针对性地采用锚筋或钢筋混凝土梁进行加固或设置抗震土工格栅，并在接头处适当增加心墙厚度和刺墙长度，提高抗剪和适应变形能力，并增加渗径，尽量避免震后由于裂缝而产生渗漏。他们的分析认为，地震动力作用以后，黏土心墙接触区域有一定的剪切破坏，主要分布在靠近坝基和上游的区域。为减小接头触面上的相对位移，防止产生较大滑移裂缝，在工程实践中，应尽量强化施工质量，提高接头部位碾压标准。

熊堃等人[8]进行了观音岩水电站混合坝插入式接头的抗震性能研究，得到的结论主要有，在设防烈度地震作用下，土质防渗体与混凝土坝接触面仅在靠近顶部和两侧部位发生一定程度的张开，张开开度较小，张开持续时间短，张开度＞0.5mm的区域局限在接触面两侧较小范围内。两个接触面也出现了较小范围的剪切破坏。地震以后接头部位两个接触面的顶部有较明显的永久变形，变形的趋势主要是水平沿接触面向两侧、顺坡向朝下以及法向张拉变形。

大连理工大学结合观音岩混凝土坝与土石坝接头抗震问题进行了系列科研工作。观音岩混凝土坝与土石坝接头高度71m，采用2m厚的接触性黏土包裹混凝土坝，心墙土料包裹接触性黏土，心墙土料在上下游面的厚度4m，心墙外上游采用各3 m的2层反滤，下游各5m的2层反滤。将包含接头混凝土坝段及土石坝剖分成有限元计算网格，在混凝土与土石料连接部位设置了接触摩擦单元，计算网格总规模20000个单元。计算方案包括3个：即接合面与坝轴线垂直的平交方案、接合面下游向右岸转角5°方案以及接合面平交的棱角修圆方案。地震输入采用100a超越概率2%的峰值加速度为0.229g。输入地震波分为场地谱人工波、规范谱人工波和实测地震波3种。对震后接合面附近的接触性黏土的应力进行了分析，发现震后接触性黏土法向应力各方案差别不大，拉应力区位于坝顶以下3～5m。下游转角区域的拉应力区一般位于浸润线以上，对防渗体影响较小。各计算方案的地震永久变形情况如下：接头上游接触面各方案震后张开区位于坝顶，张开区深度为13～17m，永久变形最大值为3.12cm，距坝顶6～9m。在垂直坝轴线的接合面上，平接方案的张开区深度为5～10m，最大值1.42cm，位于坝顶。转角5°方案张开区深度7～10m，张拉位移最大值1.28cm，位于下游侧转角棱线处。平接棱边修圆方案张开区深度在8～12m，最大值0.95cm，位于上、下游两侧。在上游转角区域的法向位移张开区域分布在坝顶以下深12～14m，最大值位于坝顶转角的中心区域，最大值为3.59cm。

各方案上游侧接触面的法向张开区大小基本相同，平接方案张拉位移最小、转角方案次之，修圆方案最大。转角方案顺河向接合面的张开区最小，平接方案的张开区大于转角方案，修圆方案张开区最大。

因此，无论从震害实例还是有限元计算分析可以看出，混凝土坝与土石坝接头的地震开裂是难以避免的，需要采取一定的工程措施以防止接头开裂引起渗流的集中冲刷破坏。最有效的方法是加强接头的下游反滤，并与心墙反滤层连接为整体且做好排水，防止发生渗透变形。上游可采取一定的截渗措施，如在包裹心墙与反滤之间铺设土工膜，并与混凝土坝相连接，土工膜须留有一定的伸长裕度，以适应接头变形。由于土工膜为临时截渗，其铺设高度可不作至坝底，只要保证震后接头裂缝修复期间不发生绕土工膜的集中渗漏即可。