遲世春，賈宇峰，楊家衛(wèi)

（1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650051）

0 引 言

混合壩是指中間溢流壩段采用混凝土壩，兩側(cè)擋水壩段為土石壩的混合壩型。這種壩型在中、低擋水高度的水利樞紐中較為常見。目前世界上最高的幾座混合壩有：連接段壩高（下同）125m的委內(nèi)瑞拉Guri壩；95m高的巴西Itumbiara壩，82m高的美國(guó)Look Out Point壩；80m高的巴西Tucurui壩等等。我國(guó)的丹江口水庫(kù)混合壩連接段壩高71.6m，屬國(guó)內(nèi)最高。相對(duì)于混凝土壩，土石壩由松散顆粒集合體構(gòu)成，其剛度較小。剛度的差別將導(dǎo)致混凝土壩與土石壩的接合面處變形差別大和應(yīng)力分布不均勻。特別是地震情況下，剛度的不同使各自壩段具有不同的振動(dòng)特性，其對(duì)地震的響應(yīng)也不相同。亦即，在地震過(guò)程中接頭部位的混凝土壩和土石壩具有不同的振動(dòng)行為。因此，接頭部位容易出現(xiàn)相對(duì)沉降和張拉裂縫，是壩體結(jié)構(gòu)的薄弱部位。接頭部位如果處理不當(dāng)，往往會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故，甚至危及大壩安全。因此，土石壩與混凝土壩等剛性建筑物之間的連接是當(dāng)前水工結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

但接合面的應(yīng)力與位移一般很難依靠理論計(jì)算模擬或模型試驗(yàn)加以準(zhǔn)確估計(jì)，因此設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題只能在理論計(jì)算或模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依靠經(jīng)驗(yàn)分析和判斷加以解決。故有必要總結(jié)國(guó)內(nèi)外混凝土壩與土石壩接頭工程經(jīng)驗(yàn)，理清設(shè)計(jì)思路與關(guān)鍵要點(diǎn)，為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù)。

1 接頭型式與設(shè)計(jì)重點(diǎn)

土石壩與混凝土壩的接頭型式與壩高、地形、地質(zhì)、建筑物布置、土石壩壩坡坡度等有關(guān)。一般接頭型式有兩種：①插入式接頭，即混凝土壩伸入土石壩一段長(zhǎng)度，土石壩壩殼作成裹頭型式，包住混凝土壩；②側(cè)翼墻式接頭，側(cè)墻軸線基本垂直混凝土壩軸線，擋住土石壩壩坡。根據(jù)巴西經(jīng)驗(yàn)，一般壩高＜20m用側(cè)翼墻式接頭，壩高＞20m用插入式接頭。較高的混合壩接頭也有采用側(cè)墻式布置，如60m高的加拿大Mactaquac壩，56.7m高的美國(guó)Wanapum壩。

觀測(cè)研究表明：①一座高壩采用了混凝土插入心墻的連接方式，沿接觸面的滲透壓力觀測(cè)結(jié)果指出，在插入混凝土墻的上游與土的接觸面上，靜水壓力下降為零，在下游接觸面上靜水壓力下降也很少，幾乎全部靜水壓力的降落都發(fā)生在混凝土與心墻橫向接觸面上。這說(shuō)明包裹混凝土的上、下游接觸面幾乎沒(méi)有防滲作用；②由于心墻的變形不僅發(fā)生在垂直方向的沉降，而且還有指向上、下游坡腳的變形分量。這一分量使深入心墻的混凝土刺墻沿上下游接觸面上的壓力有減小的趨勢(shì)，因而使插入式心墻不能取得有效的防滲效果，而且還可能降低抵抗管涌的能力；③混凝土壩與土石壩連接設(shè)計(jì)，在巴西不僅很多而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接觸面防滲部分的滲徑長(zhǎng)度不做統(tǒng)一規(guī)定，有的設(shè)計(jì)公司取橫向接觸面滲徑為L(zhǎng)＝e＋0.3 H（式中L為滲徑；e為防滲體頂部厚度；H為計(jì)算斷面水頭），主要依靠做好防滲體下游的反濾和排水措施來(lái)保證。

過(guò)去認(rèn)為接合面最好作成不規(guī)則形狀，或增設(shè)刺墻，以加長(zhǎng)滲徑，如大連碧流河水庫(kù)的曲線接頭等。近年的實(shí)踐懷疑這種作法的效果，由于接合面形狀復(fù)雜，增加了接頭段土石壩的壓實(shí)困難，并造成應(yīng)力集中，近年已傾向于采用光面平接頭連接。由于接頭部位心墻包裹混凝土壩的上、下游界面降低水頭的作用有限，許多工程采用黏土心墻不再包裹混凝土壩，而是直接與混凝土壩平接的布置方案。

壩軸方向混凝土墻與土石壩心墻接合面的坡度可采用1∶0.1～1∶0.6。采用稍緩坡度有利于接頭的應(yīng)力過(guò)渡，可一定程度地減小接頭壩體變形。但會(huì)增加混凝土方量，對(duì)地基的要求也較高。

有人認(rèn)為，在混凝土接合面上涂瀝青效果較好，可以減小接合面的剪應(yīng)力，防止土料起拱造成管涌。

沿接合面的滲漏是難免的：①要作好沿接合面的心墻填筑，措施是土料含水率略高于最優(yōu)含水率，或使接頭合龍段的填土適當(dāng)拖遲，以防止土料沉陷后接合面造成集中滲漏的縫隙；②更重要的是作好反濾及排水，防止由于滲漏造成管涌。

接合面上的有效應(yīng)力應(yīng)大于孔隙水壓力，以防止產(chǎn)生水力開裂，可采用有限單元法計(jì)算，并埋設(shè)儀器觀測(cè)。

總之，現(xiàn)在土石壩與混凝土接頭的連接形式多采用光滑接觸面結(jié)合，與混凝土壩的接合坡度一般采用1∶0.1～1∶0.6。應(yīng)在接頭連接面的滲流出口，設(shè)置可靠的、適當(dāng)加厚的反濾層和過(guò)渡層，并與心墻反濾層連接為整體。連接段的壩殼采用強(qiáng)透水的堆石或具有良好排水性能的砂礫石料作為棱體。也有使心墻軸線方向以傾向下游的一定斜角與混凝土壩相連接，在水壓力與土壓力作用下，使心墻與混凝土接合面壓緊，防止接合面變形開裂和接合面脫開等。另外，心墻在與混凝土剛性建筑物的連接處，宜用塑性較大、含水率高于最優(yōu)含水率1%～3%的黏土填筑，有助于使連接面適應(yīng)變形。還要采取具體的施工措施，確保連接段黏土心墻的壓實(shí)質(zhì)量，使接合面具有一定的壓應(yīng)力，保證心墻與混凝土壩的密實(shí)連接。

2 國(guó)內(nèi)外典型工程的接頭簡(jiǎn)介

美國(guó)1978年完成的美洲瀑布?jí)蔚母慕üこ蹋ˋmerican Falls Replacement Dam）[1]，土 石 壩 與混凝土壩接頭高30.5m，接合面的典型平剖面見圖1。由于不透水料1是非塑性的砂及壤土，直接與混凝土接合不好，采用第二種不透水料塑性黏土1A，塑性指數(shù)37，填筑時(shí)含水率較最優(yōu)含水率高2%～3%，壓實(shí)干容重控制為最大干容重的95%。不透水料1A直接與混凝土壩全斷面相連，為避免90°角處的應(yīng)力集中，不采用土料裹住混凝土的作法，而是簡(jiǎn)單的平頭連接。任何經(jīng)過(guò)接合面的滲漏都被下游緊接的二層反濾攔截并排走。

圖1 土石壩與混凝土重力壩標(biāo)準(zhǔn)接合面剖面（美洲瀑布?jí)胃慕ǎ〧ig.1 Standard section of the junction between earth dam and concrete gravity dam

摩洛哥優(yōu)賽?！け尽み_(dá)慶（Youssef Ben Tachine）土石壩[1]，最大壩高86m，與混凝土溢流壩成側(cè)翼墻式連接，連接段壩高約20m，在接合面處加大了心墻厚度。此外，沿接合面的上、下游專門增加了一道反濾層和排水層，以加強(qiáng)反濾排水作用，見圖2。

巴西1975年建成的薩西莫（Sao Simao）堆石壩[1]，最大壩高95m，與混凝土壩接頭處的壩高70m，位于新鮮玄武巖上，其接合型式見圖3、圖4。為縮短接頭段的長(zhǎng)度，堆石裹頭應(yīng)盡可能放陡坡度，可達(dá)0.5∶1。埋設(shè)儀器對(duì)接合面的位移與滲流進(jìn)行觀測(cè)。

丹江口右岸土石壩左端與混凝土壩下游坡正交連接[2]，接頭的滲徑長(zhǎng)度采用1.5倍水頭。按正常蓄水位170m，壩基最低建基面高程為117m，計(jì)算滲徑長(zhǎng)為80m。為滿足滲徑長(zhǎng)度要求，連接段土石壩的防滲體適當(dāng)擴(kuò)大斷面，防滲體由標(biāo)準(zhǔn)斷面頂部寬度3.0m，上下游坡度均為1∶0.2，經(jīng)過(guò)110m長(zhǎng)的漸變段，至混凝土壩面處漸變?yōu)轫攲?.0m，上游坡1∶0.4，下游坡1∶0.5的擴(kuò)大斷面。防滲體擴(kuò)大斷面與混凝土壩結(jié)合處，混凝土壩面坡度為1∶0.6，并在其接觸面設(shè)置了3道混凝土短齒墻，以加強(qiáng)防滲效果。連接段的防滲體選用塑性相對(duì)較高的黏土填筑并壓實(shí)。

萬(wàn)安水利樞紐右岸土壩與船閘連接為插入式接頭[3]，即在閘室右側(cè)建混凝土刺墻，以加長(zhǎng)接觸面滲徑。插入式墻比較過(guò)單刺墻與雙刺墻方案，認(rèn)為兩道短刺墻方案施工難度小，工程量也不多，有利于抗震。刺墻為類似三角形塊體，與船閘閘室整體澆筑?？可嫌蔚拇虊?，墻頂高程101m，底長(zhǎng)6.5m，頂長(zhǎng)2.8m。下游刺墻墻頂高程93m，底長(zhǎng)6.5m，頂長(zhǎng)4.0m，刺墻的外邊寬均為1.0m，三面坡坡度為1∶0.2～1∶0.5。刺墻的長(zhǎng)度是按滲徑≥1.5倍水頭確定。船閘連接段擴(kuò)大心墻將兩道混凝刺墻包裹在內(nèi)，心墻頂寬20.5m。上游坡為1∶0.25，下游坡為1∶0.63～1∶0.25，兩道刺墻間最小寬度（68.0m高程）為9.35m，可以用輕型機(jī)具壓實(shí)心墻土料。

心墻黏土與混凝土結(jié)合是否密實(shí)也是一個(gè)重要課題，從丹江口左聯(lián)段以蒙脫石為主的心墻黏土與混凝土面結(jié)合較密實(shí)，提出了萬(wàn)安地區(qū)以伊利石為主的黏土與混凝土面結(jié)合是否密實(shí)的問(wèn)題，進(jìn)行了不同性質(zhì)黏土與混凝土面的結(jié)合力試驗(yàn)。試驗(yàn)表明礦物組成以伊利石為主的心墻黏土在混凝土接觸面涂刷一層蒙脫土為主的黏土漿，能有效地提高黏土與混凝土面的結(jié)合力。

3 土石壩與混凝土壩接頭抗震研究

過(guò)去幾十年，土石壩抗震設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是震陷導(dǎo)致超高喪失引起的洪水漫頂和壩基與壩體液化問(wèn)題。在強(qiáng)震作用下，土石壩與混凝土壩接頭的接合面會(huì)發(fā)生瞬時(shí)分離與閉合，分離時(shí)若有水灌入，閉合時(shí)還會(huì)發(fā)生縫隙水?dāng)D出及孔壓升高問(wèn)題。由于土石壩料有較強(qiáng)的塑性，在分離與閉合的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生地震永久變形，再加上閉合過(guò)程中縫隙水作用，地震后一般在土石壩和混凝土壩的接合面會(huì)產(chǎn)生裂縫。

我國(guó)三道嶺混合壩[5]，壩高24m，位于3～9 m的砂礫石覆蓋層上，混凝土壩與土壩截水墻都坐落在弱風(fēng)化巖上。右壩頭為混凝土溢流壩，以混凝土壩插入土壩心墻相連接，接頭處壩高17m。土壩與混凝土壩接頭經(jīng)歷了海城地震的考驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土壩與土壩相接的插入墻兩側(cè)的黏土心墻下沉8cm，上下游壩肩分別下沉20、22cm。在接觸面上形成肉眼可見的裂縫，縫的深度＞1m，運(yùn)用中未發(fā)現(xiàn)漏水異常。

碧口黏土心墻堆石壩與右岸溢洪道為側(cè)翼墻式連接，接頭處壩高27m。該接頭遭遇過(guò)1976年松潘7.2級(jí)地震和2008年汶川地震。松潘地震后，接頭無(wú)嚴(yán)重裂縫及滲漏。汶川地震在土壩與溢洪道的接觸部位出現(xiàn)貫穿性張開裂縫，裂縫沿大壩與溢洪道側(cè)墻接觸處向上、下游延伸，寬度5～9cm。

Nien－Yin Chang（1992）曾經(jīng)對(duì)一57.9m高的土石壩和混凝土壩接頭進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，后又對(duì)一30.84m的土石壩和混凝土壩接頭進(jìn)行了地震作用下的參數(shù)敏感性分析。采用的地震波為1967年Koyna地震加速度實(shí)測(cè)波，峰值加速度取0.87g，地震持時(shí)12s。計(jì)算結(jié)果顯示，接頭的上游面土與混凝土發(fā)生分離的深度在16.76～19.81 m，最大縫寬發(fā)生在壩頂為0.082m。

國(guó)內(nèi)進(jìn)行土石壩與混凝土壩接頭有限元計(jì)算的文獻(xiàn)亦有不少[6－8]。常曉林等人[6]采用有限元方法，利用鄧肯E－B模型及接觸面模型，模擬堆石壩的實(shí)際填筑和蓄水過(guò)程，對(duì)觀音巖水電站混合壩方案插入式接頭結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行三維非線性分析。計(jì)算結(jié)果表明，在蓄水前后，接頭處各接觸面上下游堆石部分都有脫開現(xiàn)象，心墻與混凝土在頂部有小范圍脫開現(xiàn)象；彭云楓等人[7]分析了混合壩的地震反應(yīng)，認(rèn)為土壩與混凝土壩的接頭是兩種剛度懸殊材料的交接面，在加速度峰值為0.229g的地震波作用下，接頭會(huì)產(chǎn)生一定的局部破壞，如接頭部分受拉區(qū)脫開，壩頂附近堆石松動(dòng)、滑落或混凝土壩出現(xiàn)裂縫。建議在這些部位應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸺庸檀胧稍谑芾瓍^(qū)域有針對(duì)性地采用錨筋或鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固或設(shè)置抗震土工格柵，并在接頭處適當(dāng)增加心墻厚度和刺墻長(zhǎng)度，提高抗剪和適應(yīng)變形能力，并增加滲徑，盡量避免震后由于裂縫而產(chǎn)生滲漏。他們的分析認(rèn)為，地震動(dòng)力作用以后，黏土心墻接觸區(qū)域有一定的剪切破壞，主要分布在靠近壩基和上游的區(qū)域。為減小接頭觸面上的相對(duì)位移，防止產(chǎn)生較大滑移裂縫，在工程實(shí)踐中，應(yīng)盡量強(qiáng)化施工質(zhì)量，提高接頭部位碾壓標(biāo)準(zhǔn)。

熊堃等人[8]進(jìn)行了觀音巖水電站混合壩插入式接頭的抗震性能研究，得到的結(jié)論主要有，在設(shè)防烈度地震作用下，土質(zhì)防滲體與混凝土壩接觸面僅在靠近頂部和兩側(cè)部位發(fā)生一定程度的張開，張開開度較小，張開持續(xù)時(shí)間短，張開度＞0.5mm的區(qū)域局限在接觸面兩側(cè)較小范圍內(nèi)。兩個(gè)接觸面也出現(xiàn)了較小范圍的剪切破壞。地震以后接頭部位兩個(gè)接觸面的頂部有較明顯的永久變形，變形的趨勢(shì)主要是水平沿接觸面向兩側(cè)、順坡向朝下以及法向張拉變形。

大連理工大學(xué)結(jié)合觀音巖混凝土壩與土石壩接頭抗震問(wèn)題進(jìn)行了系列科研工作。觀音巖混凝土壩與土石壩接頭高度71m，采用2m厚的接觸性黏土包裹混凝土壩，心墻土料包裹接觸性黏土，心墻土料在上下游面的厚度4m，心墻外上游采用各3 m的2層反濾，下游各5m的2層反濾。將包含接頭混凝土壩段及土石壩剖分成有限元計(jì)算網(wǎng)格，在混凝土與土石料連接部位設(shè)置了接觸摩擦單元，計(jì)算網(wǎng)格總規(guī)模20000個(gè)單元。計(jì)算方案包括3個(gè)：即接合面與壩軸線垂直的平交方案、接合面下游向右岸轉(zhuǎn)角5°方案以及接合面平交的棱角修圓方案。地震輸入采用100a超越概率2%的峰值加速度為0.229g。輸入地震波分為場(chǎng)地譜人工波、規(guī)范譜人工波和實(shí)測(cè)地震波3種。對(duì)震后接合面附近的接觸性黏土的應(yīng)力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)震后接觸性黏土法向應(yīng)力各方案差別不大，拉應(yīng)力區(qū)位于壩頂以下3～5m。下游轉(zhuǎn)角區(qū)域的拉應(yīng)力區(qū)一般位于浸潤(rùn)線以上，對(duì)防滲體影響較小。各計(jì)算方案的地震永久變形情況如下：接頭上游接觸面各方案震后張開區(qū)位于壩頂，張開區(qū)深度為13～17m，永久變形最大值為3.12cm，距壩頂6～9m。在垂直壩軸線的接合面上，平接方案的張開區(qū)深度為5～10m，最大值1.42cm，位于壩頂。轉(zhuǎn)角5°方案張開區(qū)深度7～10m，張拉位移最大值1.28cm，位于下游側(cè)轉(zhuǎn)角棱線處。平接棱邊修圓方案張開區(qū)深度在8～12m，最大值0.95cm，位于上、下游兩側(cè)。在上游轉(zhuǎn)角區(qū)域的法向位移張開區(qū)域分布在壩頂以下深12～14m，最大值位于壩頂轉(zhuǎn)角的中心區(qū)域，最大值為3.59cm。

各方案上游側(cè)接觸面的法向張開區(qū)大小基本相同，平接方案張拉位移最小、轉(zhuǎn)角方案次之，修圓方案最大。轉(zhuǎn)角方案順河向接合面的張開區(qū)最小，平接方案的張開區(qū)大于轉(zhuǎn)角方案，修圓方案張開區(qū)最大。

因此，無(wú)論從震害實(shí)例還是有限元計(jì)算分析可以看出，混凝土壩與土石壩接頭的地震開裂是難以避免的，需要采取一定的工程措施以防止接頭開裂引起滲流的集中沖刷破壞。最有效的方法是加強(qiáng)接頭的下游反濾，并與心墻反濾層連接為整體且做好排水，防止發(fā)生滲透變形。上游可采取一定的截滲措施，如在包裹心墻與反濾之間鋪設(shè)土工膜，并與混凝土壩相連接，土工膜須留有一定的伸長(zhǎng)裕度，以適應(yīng)接頭變形。由于土工膜為臨時(shí)截滲，其鋪設(shè)高度可不作至壩底，只要保證震后接頭裂縫修復(fù)期間不發(fā)生繞土工膜的集中滲漏即可。

4 結(jié) 論

地震作用下土石壩與混凝土壩接頭部位產(chǎn)生裂縫是較難避免的?？梢圆捎靡韵鹿こ檀胧岣呓宇^部位的抗震能力。

1）接頭部位宜用塑性較大、含水率高于最優(yōu)含水率1%～3%的黏土填筑，有助于使連接面適應(yīng)變形。

2）采用平接頭連接形式，并提高接頭部位心墻土料的碾壓質(zhì)量，確保接頭部位在靜力條件下有一定的土壓力作用，這樣即使地震拉開接頭，也可以減少拉開裂縫深度和寬度。

3）在接頭部位的滲流出口，設(shè)置可靠的、適當(dāng)加厚的反濾層和過(guò)渡層，并與心墻反濾層連接為整體，并做好排水，防止發(fā)生滲透變形。

4）也可在接頭上游面的連接部位的上部，設(shè)置局部土工膜防滲，但需注意上游壩坡的穩(wěn)定性。

5）加強(qiáng)土石壩與混凝土接頭部位的滲流與變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

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