摘要：随着我国社会经济水平显著提升的背景下，社会各界越来越重视水利工程大坝的建设，本文通过对水利工程混凝土面板坝结构设计及运行监测的思考，从坝体分区以及坝体填筑材料、混凝土面板及趾板设计等方面，对面板坝坝体结构设计要点进行了总结和思考，并对水利工程大坝运行监测结果进行了讨论，为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：水利工程；面板堆石坝；结构设计；运行监测
引言
在水利工程大坝结构设计过程中，混凝土面板堆石坝属于当地材料坝，对地形与地质条件具有较强的适应能力，具有施工工艺简单、抗震性好、坝体土石填筑量小、工期短等特点，当前应用较为广泛。虽然国内混凝土面板堆石坝的现代化技术研究虽然起步晚、应用时间不足30年，但起点高、发展快，有关勘测、设计、施工技术水平已经位于世界前列，建设占比超过40%。通过对混凝土面板堆石坝结构设计及运行监测进行总结和思考，能够进一步明确混凝土面板堆石坝建设的质量控制要点，对相关工程建设、运行管理的技术水平的提升具有重要意义。
1水利工程大坝坝体结构设计
1.1坝体分区以及坝体填筑料设计
在大坝结构设计环节中，坝体分区和坝料设计尤为重要。混凝土面板坝坝体主要分为上游铺盖区、上游盖重区、垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区等，且在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区，其中垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区设计和选料尤其重要。（1）主堆石区是承受水荷载的主要支撑体，对坝体稳定和面板结构影响较大，宜采用饱和抗压强度为30Mpa以上，具有较高的压实密度和变形模量且排水性良好的硬岩堆石料或砂卵砾石料，当砂卵砾石储量充足、运距较近时更经济。（2）次堆石区对面板的影响较小，各项指标可适当降低，干燥区可适量采用软岩。（3）垫层区是面板的直接承载区，主要作用是向主堆石区传递水压力并辅助面板渗流控制，应具有连续级配，最大粒径不大于100mm，粒径小于5mm的颗粒含量宜为30%～50%，小于0.075mm的颗粒含量宜少于8%，压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、高抗剪强度。（4）过渡区对垫层保护，并具有过渡作用，应具有连续级配，最大粒径不大于300mm，压实后应具有低压缩性、高抗剪强度。通过部分已建和在建混凝土面板堆石坝工程的筑坝材料的性能分析后，大部分均采取了改善坝体各部位相适应的结构，使上下游的堆石体模量差保持在最小范围内，并加强了坝体的堆石碾压，选择了有利的施工时段，从根本上保证了坝体填筑质量和结构运行要求。
1.2坝体防渗设计及选料要求
混凝土面板堆石坝的防渗设计主要包括：混凝土面板设计、混凝土面板周边缝和伸缩缝止水、坝基防渗等设计。
（1）混凝土面板设计
大量已建工程的观测及应力分析表明，面板厚度受应力和变形状态影响不大，有研究结果表明，在水荷载的作用下，混凝土面板的良好性能主要取决于面板外的其它因素，面板变形主要与主堆石区、垫层区、过渡区的变形有关，面板主要作用为抗渗，水荷载绝大部分通过面板、垫层区、过渡区传递给主堆石区。面板的大部分区域受压，而形成拉应力的部分仅为坝顶和近岸边处，且薄面板柔性好、刚度小，中低坝一般采用0.3m～0.4m等厚面板，高坝面板一般顶厚0.3m，并采用t=0.3+（0.002～0.0035）H（t为厚度，H为断面至坝顶垂直距离）计算。面板间垂直缝间距一般为8m～16m，狭窄河谷两岸部位可适当减小。
由于面板混凝土的耐久性直接决定面板的寿命,而耐久性又受风吹、日晒、雨淋和抗冲刷、冻融、碳化、疲劳、溶蚀、各种有害离子的化学反应、钢筋锈蚀等各种内、外因素影响,不像和易性、抗裂性,能在短期内能反映出来,因此合理选择混凝土原材料,是保证其耐久性正常发挥、增加面板寿命的主要措施，主要控制措施有：掺加适量的引气剂、减水剂、抗冻剂、抗渗剂等外加剂，并选择二级配混凝土，石料不大于40mm，砂石料吸水率不大于3%、含泥量不大于2%，砂的细度模数宜为2.4～2.8，水泥宜选用52.5号硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，温和区水灰比应小于0.5、寒冷区应小于0.45，塌落度宜为3 cm～7cm，钢筋宜为单层双向配筋、配筋率宜为0.3%～0.4%。同时，应做好面板下坝体的分区和坝料选择，并做好坝基处理。
（2）趾板设计。在水利工程大坝结构设计过程中，科学设置、制作趾板，能够显著提升工程整体的防渗性，增加面板的抗裂性和耐久性。趾板的主要作用，就是以坝基灌浆帷幕、防渗墙为基础，有效连接地上与地下防渗体系。趾板型式主要平趾板和斜趾板，一般采用平趾板形式布置，趾板厚度和宽度设置应综合分析坝基岩石风化程度和抗渗性能综合确定，宽度不宜小于3m，并合理设置伸缩缝。对于趾板与基岩的连接方案，在实际设计与施工过程中，一般采用砂浆锚杆锚固。劣质地基上的趾板，合理的增加趾板厚度、宽度和配筋率，能有效提高面板的抗裂性。
（3）止水设计。面板接缝主要分为周边缝、伸缩缝两类。周边缝是趾板和面板间的接缝。伸缩缝可分为防浪墙和面板间的接缝,面板之间的接缝(分受拉缝和受压缝),趾板之间接缝和防浪墙之间接缝。周边缝和伸缩缝均需采用止水材料、柔性填料进行填充封闭，使缝两侧形成封闭系统。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆我国各地工程区气温差异、变幅均大,因此工程设计中对柔性嵌缝材料、橡胶止水带等的抗冻性提出了较高要求,如,止水材料应根据不同部位设置1～3道铜片、PVC或橡胶止水材料，柔性嵌缝材料应在高温60℃时不流淌、低温-45℃时不脆裂、变形率大于40％、耐久性好、渗透系数小于1×10-8cm/s等。
（4）面板坝基础防渗一般采用帷幕灌浆或防渗墙，趾板与基础防渗应连接成封闭系统，并做好特殊垫层区设计，并对坝基一定范围喷混凝土。
2水利工程大坝安全监测
2.1坝体沉降监测
在对大坝进行运营监测的过程中，首先要观察的是坝体的沉降情况，要将整个监测过程划分为竣工前和竣工后两个部分、多个测点完成工作，两个部分对应沉降的两个高程。设计时，应选择分层总和法沉降计算、有限元分析法、工程类比法计算坝体、面板、坝基之间的三位应力，估算坝体、坝基的施工期、运行期的沉降量和预留沉降量，对筑坝材料的允许范围进行筛选，同时采取相应的措施对面板进行保护，并结合通过仪器测量得到的施工期、运行期相应数据后，作为其它新建工程坝体结构设计的参考依据。值得注意的是，要将重点放在对坝基溶洞和水库防渗层、岩层等情况的讨论上。在已建水库监测过程中发现，水库大坝的沉降量会随着大坝填筑高度的增加而不断增大，符合坝体沉降的一般规律，而在大坝填筑到达最高时，测点的沉降量增加程度相对减弱，即使在蓄水后沉降量也没有明显增加，在整个观测期，大坝坝体的总沉降量大多数工程一般不超过坝体的1%。由此可知，在大坝修建的前期，大坝的沉降量会随着坝体高度的增加而增加，成正比例关系，而在大坝填筑后期，整体结构趋于稳定，坝体沉降量较为稳定，在竣工阶段，通过监测发现，最大沉降点位于坝轴线处，整个施工期，坝体的沉降量约占总沉降量的60%～80%。当水库进入蓄水期后，坝体的最大沉降值约占总沉降量20%～40%。因此，在大坝设计和施工中，应结合坝体各部的基础岩土、坝料的性质，分析可能的沉降量，并确定所选坝料是否合适，基础是否需要进行处理，运行期所需施工预留沉降量是否合理，面板等关键部位是否需要保护措施。
2.2坝体变形监测
坝体变形监测项目主要包括坝体、坝基的表面变形和内部变形，防渗体变形，界面、接缝等。坝体变形整体性监控是有效保证水库大坝安全稳定的重要基础设施，同时，坝体变形监测是一项复杂度很高的工作，变形监测对大坝的使用寿命具有重要影响。
（1）坝体表面变形监测。大坝表面变形监测一般从竖直、水平、垂向三个方向位移来进行监测。土石坝一般在大坝顶部、下游坝坡设置3个以上位移监测横断面、4个以上纵断面，在纵横断面交点处设置水平位移监测点，横断面间距一般结合坝轴线长度取20m～100m。另外，同时在坝体下游不受变形影响的稳定区域，布置水准点数量不少于3座，对坝体垂直位移进行监测。
（2）坝体内部变形监测。通过在水库大坝中应用自动化监测技术，能够及时监测到水库大坝整体结构发生的变形和位移的情况，这是一种新型、高效的坝体内部监测手段。在水库大坝坝体中设置2条～3条监测横断面，同时每条横断面布置3条～5条纵断面，在纵横断面交点处布置监测点时，通常每隔30m～50m的距离设置一个监测点，能够更加准确、及时地监测到坝体内部的变形和位移。
（4）面板接缝与周边缝位移监测。面板接缝与周边缝位移情况是混凝土面板堆石坝变形监测中极为重要的内容，需要通过电位式三项测缝计检测面板和趾板的相对沉降量发展情况进行观测，还要对剪切以及缝隙的开合程度进行观察。通过监测的具体数据信息，判断大坝在施工期、蓄水期的周边缝止水系统的性能。比如水布垭大坝的左右两岸地形相对较陡，周围存在大量的堆石体，这种本身就会产生不均匀沉降的情况，更容易造成面板和趾板的变形，因此，更要对接缝与周边缝的位移情况进行监测。在监测时还要注意仪器的安装调试和保护工作，以免在监测过程中对仪器产生破坏。
（5）渗流监测。通常布置不少于3个监测断面，每条监测断面不宜少于3条测线，在断面与测线较差处布置测压管或孔隙水压力计，并在坝体下游设置量水三角堰。
（6）边坡变形监测。由于混凝土面板趾板基础基岩要求较高、开挖较深，因此，应加强趾板开挖形成的边坡变形监测。
3结语
综上所述，对水利工程混凝土面板坝结构设计及运行监测进行分析，有利于明确正确的结构设计与施工方法，从而提升相关工程建设质量。应在遵循理论经验的同时，以实际工程为参考，切合工程实际，充分考虑工程区的气候、地形等对结构设计与施工、运行会产生一定影响，充分提升工程的性能。
参考文献
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［4］周柯宇．水库大坝安全监测自动化技术在水库设备安全中的应用研究［J］．中国设备工程，2017，33(22):100－101．
论文作者:赵庆宽,鄢永胜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/25
标签：面板论文; 大坝论文; 混凝土论文; 坝基论文; 结构设计论文; 水利工程论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第21期论文;