关于中、低混凝土面板堆石坝省去挤压钢筋的探讨

摘　要: 当今国内外已建的混凝土面板堆石坝中, 尽管没有发生过垂直缝、周边缝边缘, 混凝土因受压产生的破碎与剥落的问题, 但大多数现代面板坝、在垂直缝、周边缝边缘, 均采用2 层细钢筋, 以防止混凝土的挤压破碎与剥落。根据塞沙那(澳大利亚, 坝高110 m) 、阿里亚(巴西, 坝高160 m) 等几座面板坝的原型观测及1986 年建成的澳大利亚高122 m的利斯坝设计中取消了边缘(挤压) 钢筋, 中、低混凝土面板坝省去挤压钢筋问题已日益引起人们的关注与探讨。

关键词: 混凝土面板堆石坝; 挤压钢筋; 分析; 探讨

中图分类号: TV641.4 　　　文献标识码: B 　　　文章编号: 1008-701X ( 2006) 06-0082-03

1 　面板坝的原型观测

　　塞沙那坝, 阿里亚坝, 谢罗罗坝应变、应力等值线图。

　　(1) 塞沙那坝。1971 年2 月完工, 1971 年4 月蓄满,到1979 年11 月19 日面板中应变及应力[1 ]见图1。面板水平方向压应变为- 100 ×10 ^{- 6}～ - 400 ×10 ^{- 6} , 压应力- 1～ - 7MPa。

　　从开始蓄水起至1979 年11 月19 日面板中的应变及应力(a) 斜面方向的应变( ×10 ^{- 6}) ; (b) 水平方向的应变( ×10 ^{- 6}) ;(c) 斜面方向的应力(MPa) ; (d) 水平方向的应力(MPa) 。拉张( + ) 。压缩( - )图1 　塞沙那坝面板中的应力应变图

　　(2) 阿里亚坝。1980 年建成, 1982 年坝坡方向, 水平方向应变曲线^{[1 ]} 见图2。面板水平方向压应变- 100 ×10 ^{- 6}～ - 400 ×10 ^{- 6} 。

　　(3) 谢罗罗坝。坝高125 m , 1983 年底完工, 1984 年11 月16 日面板应变、应力曲线^{[1 ]} 见图3。面板水平方向压应变- 50 ×10 ^{- 6}～ - 500 ×10 ^{- 6} , 压应力- 1～ - 10 MPa。

　　根据国外一些面板坝最大应变统计[3 ] (见表1) 。这些坝面板水平方向压应变介于一50 ×10 ^{- 6} ～一500 ×10 ^{- 6} 范围, 当面板混凝土采用C25 或C30 时, 弹模按20 000～30 000 MPa计算, 最大压应力为- 10～ - 15 MPa。

2 　利斯坝的实践与专家、文献的论述

[Page] 　　1986 年完工的澳大利亚高122 m 的利斯坝, 设计中取消了边缘(挤压) 钢筋。

2.1 　专家论述

　　(1) 混凝土面板堆石坝权威库克教授在1985 年10 月美国底特律举行的美国土木工程师协会混凝土面板堆石坝专题讨论会上, 以会议论文集主编身份与谢拉德教授一起发表了“混凝土面板堆石坝”设计的专题论文, 在论文中混凝土面板“配筋”一节提出“在周边缝及垂直施工缝处,大多数现代面板坝均采用2 层细钢筋(防止混凝土剥落的配筋) 。尽管在面板坝上没有发生过接缝剥落的问题, 在高坝周边缝处还希望继续用这种边缘钢筋。但是只用交错钢筋也已足够。⋯⋯所有的经验均表明, 中、低坝的周边缝不可能存在高压应力及剥落, 因为中、低坝的面板在堆石填筑完毕后才浇筑, 因此在水库蓄水前周边缝只有很小压应力, 而在库水荷载下张开。”

　　(2) 1990 年9 月出版的“混凝土面板堆石坝论文集”上^{[2 ]} , 金诚和(水利部水工程技术咨询中心) 赵增凯(能源部、水利部水利水电规划设计总院) 发表的“我国混凝土面板堆石坝的发展”一文中提出“周边缝及竖向缝两侧一般均布设抗压钢筋, 对于高坝都要求设置, 但据多年原型观测资料, 蓄水后周边缝趋于张开, 竖向缝受挤压应力不大, 对于中、低坝拟可取消或减少抗挤压钢筋。目前应加强该部位的原型观测, 以便合理改进。”

　　(3) 同一论文集中, 曹克明(能源部大坝安全监察中心) 、徐法根(成屏一级电站工程指挥部) 发表的“塔斯马尼亚混凝土面板堆石坝设计特点”一文中提出“在受压区面板的垂直缝处经常设置有细钢筋, 以防止边缘局部挤压破坏, 在周边缝处的面板边缘在施工期处于受压也需要配置边缘钢筋, 但据塔局经验在利斯坝设计中取消了边缘钢筋⋯⋯根据这些经验坝高不大时可以省去边缘钢筋, 这对于提高止水附近混凝土的浇捣质量, 节省造价均有积极作用, ⋯⋯。”

2.2 　文献论述

　　(1) 1997 年12 月出版的“混凝土面板坝工程”一书中关于“面板的配筋”一节中提出“在受压区面板靠近垂直缝边缘经常设置有细钢筋, 以提高板面板边缘的抗挤压能力, 防止边缘局部挤压破坏, 周边缝处的面板边缘在施工期处于受压状态, 也需要配置边缘钢筋。但在利斯坝设计中取消了边缘钢筋。根据这些经验坝高不大时可以省去边缘钢筋, 这对于提高止水附近混凝土的浇捣质量, 节省造价均有积极作用, 但在高坝的周边缝及压性垂直缝两侧仍需设置抵抗挤压的钢筋。”

　　(2) 我国1999 年6 月发布的《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL 228 —98) 21 页^{[4 ]} “8.4 钢筋布置”一节中提出“高坝在邻近周边缝的垂直缝两侧宜适当布置抵抗挤压的构造钢筋, 但不应影响止水安装及其附近混凝土振捣质量。”对中、低坝未提要求。在规范58 页“8.4 钢筋布置”的条文说明中说“面板的包角钢筋在利斯坝(122 m) 、塞格雷多坝(145 m) 、及阿瓜密尔巴坝(187 m) 等进行了简化或相应取消。这反映包角面板边缘的压碎疑问, 对于碾压堆石上的面板己不成为问题, 因为面板变形量小且变形比较均匀。”

3 　探讨与建议

3.1 　探讨

　　库克教授提出“面板坝的发展过程, 是一个逐渐进化的过程, 而不是一个革命的过程。在这个发展过程中, 工程的进步主要来自于谨慎的不断摸索。”

　　对面板坝挤压钢筋的采用和可以取消的认识, 也经历了一场逐渐进化与不断探索的过程, 开始国内外建坝专家认为面板是受挤压的, 当坝高、沉降量大, 面板挠曲量大时, 挤压应力一定会更大, 混凝土面板压碎、破裂是必然的, 因此, 大多数面板坝均设置挤压钢筋, 但是一二十年过去了, 面板坝建设的实践证实, 即使100 , 150 m 以上的高坝, 也未见面板出现坡向裂缝及面板压碎的报导, 相反通过塞沙那等一批高于100 m 面板坝的原型观测, 发现面板水平方向压应变、水平方向压应力均在面板混凝土允许承受范围之内, 见表2。证明了一个事实, 面板不会挤压破碎。经过谨慎研究, 澳大利亚专家, 在高122 m 的利斯坝上省去了垂直缝、周边缝的挤压钢筋, 利斯坝已于1986 年__建成, 运行至今未见有面板挤压破碎的报导, 澳大利亚一批中小型面板坝都省去了挤压钢筋, 这一谨慎的探索应该讲是科学的。对面板坝, 特别是中、小面板坝不会产生大的压应变、压应力, 面板压碎已不成为一个问题的观点,已为国内外建坝专家接受与采纳。

　　注: 逐渐加荷(长期荷载) 情况下, 混凝土的允许压应变为3 000 ×10 ^{- 6 [3 ]} , 故表2 中压应变、压应力, 混凝土面板是承受得了的。

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3.2 　设想和建议

　　根据面板坝原型观测和工程实践, 面板混凝土承受的挤压应力一般为6～8 MPa , 最大不超过15 MPa (按弹模30 000 MPa计算) , 面板、趾板混凝土是可以承受的。笔者工作中曾质监过一座高不足50 m 的混凝土面板坝,该坝面板、趾板主筋用量为952 t , 挤压钢筋用量为125 t , 是主筋用量的13 %。设计单位沿用以往设计经验, 对中型面板坝均采用挤压钢筋, 由于浙江近年来面板坝建得较多,故加起来, 挤压钢筋用量是很可观的。为此, 笔者有以下设想和建议, 与面板坝设计、建设共同商酌。

　　(1) 70 m 以下中、小面板坝, 可以省去面板垂直缝、周边缝挤压钢筋。

　　(2) 70～100 m级面板坝, 可以减少面板垂直缝、周边缝挤压钢筋, 由目前采用的<14 改为<10 或改用交错钢筋,约将挤压钢筋减少1/ 2 左右。

　　(3) 100 m 以上高坝, 设置挤压钢筋, 目前应加强面板、趾板应变、应力原型观测, 以积累资料, 进一步分析判别节省挤压钢筋的可能性。

参考文献:

　　[1 ] 中国水利水电科学研究院. 国外混凝土面板堆石坝[M] . 北京: 水利电力出版社, 1988 : 193 - 339.

　　[2 ] 中国水利学会施工专业委员会. 混凝土面板堆石坝会议论文集[C] . 南京: 河海大学出版社, 1990.

　　[3 ] 蒋国澄, 傅志安, 凤家骥. 混凝土面板坝工程[M] . 武汉:湖北科学技术出版社, 1997.

　　[4 ] 中华人民共和国水利部. SL 228 —98 混凝土面板堆石坝设计规范[ S] . 北京: 水利水电出版社, 1999.