一种新型堆石坝混凝土面板结构及建造方法
技术领域
本发明属于水利水电工程领域，尤其涉及一种新型堆石坝混凝土面板结构及建造方法。
背景技术
混凝土面板堆石坝以其工程造价低、施工简便、对地形地质适应性强等优点，在水电建设中占据了越来越大的比重，成为当今最热门的坝型之一，应用广泛。
面板堆石坝通常是均采用钢筋混凝土面板作为防渗体，并依靠堆石料作为坝体的支撑结构。对于混凝土面板堆石坝，面板防裂问题一直是一个工程难题，面板混凝土一旦出现裂缝，不仅破坏结构的整体性，而且将直接降低混凝土的抗渗耐久性，加剧由于冻融循环、化学物质侵蚀、碳化等造成的混凝土劣化，使结构功能逐渐丧失。
堆石坝混凝土面板致裂因素可归纳为两类：(1)结构性裂缝：主要由过大的堆石体变形、面板底部脱空以及面板受水压力、冰压力和地震力等外荷载引起；(2)面板收缩变形裂缝：混凝土面板各类收缩变形在受到约束所产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，温度裂缝就会出现。其中温度变形裂缝主要呈现两种形式，第一种是沿厚度方向的非均匀温度变形(类“翘曲”应力)引起的表面或深层裂缝，此类裂缝往往是面板施工期浇筑控温、保温不力或蓄水前寒潮及气温骤降引起的内外温差过大引起；第二种是在面板整体温变变形受底部或侧边约束情况下产生，在进入低温季节、蓄水前甚至蓄水后的长龄期混凝土面板中出现。面板混凝土沿坡面收缩变形和竖向脱空是面板混凝土开裂的主要原因，究其根源在于坝体和面板混凝土的变形不协调造成。目前，面板后期变形控制是工程人员防止面板开裂的主要手段，然而影响坝体与面板变形不协调变形的因素有很多，如：筑坝材料的流变特性、坝体的沉降、堆石体的压实质量、大坝的蓄水过程、库水位的循环升降、地形地质条件等因素。被动的变形控制方法只能解决面板某一阶段开裂问题，纵观面板整个建造运行期，混凝土面板开裂仍然会发生。面板开裂成为制约面板堆石坝向更高发展的主要障碍。
申请号为CN201710143012.3的中国发明专利公开了一种混凝土面板堆石坝的面板结构，包括设置在石坝体坡面的面板单元，面板单元和石坝体坡面之间从外至内依次铺设有垫层区和过渡层区，面板单元和坝体堆石之间设置有支承墩，面板单元与支承墩的接触面之间设置有橡胶支座，所述相邻的两个面板单元之间设置有止水装置。
这种面板结构通过橡胶支座传力以及支承墩受力的方式，有效的减轻了坝体不均匀应力变形对面板开裂破坏的影响；混凝土面板底面黏贴了碳纤维布，使面板的强度得到很大改善，同时减小了面板的渗透性。这种面板结构的止水设施止水效果良好；这种面板结构的钢筋混凝土面板采用预制，可以有效的加快工程进度，同时面板的质量能够得到保证。尽管这种面板结构可以使面板受到的应力更加均匀，但是面板受到的应力不会消失，也不会减弱，当面板受到的应力超过其所能承载的最大应力时，面板依然会开裂。
申请号为CN201910663386.7的中国发明专利公开了一种改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝，包括由上游至下游依次设置的混凝土面板、垫层、过渡层、增模主堆石区、主堆石区、次堆石区、下游护坡和排水棱体，增模主堆石区的上游侧边界与过渡层的下游侧边界重合；增模主堆石区的下游侧边界包括坝轴线上游侧部分和坝轴线下游侧部分，坝轴线上游侧部分平行于上游坝坡，坝轴线下游侧部分水平设置并延伸至下游护坡的内侧。
这种面板堆石坝有以下优点：
(1)通过在过渡层和主堆石区之间设置增模主堆石区，增模主堆石区抵抗变形能力更强，有效的降低了蓄水对坝体上游侧变形的影响；
(2)通过在0.5倍坝高高程以上部位设置主堆石区和增模主堆石区，有效的减弱了坝体中上部变形受蓄水的影响程度，并且能有效降低坝体中上部的后期变形量；
(3)避免或减弱了由蓄水引起的坝体变形所导致的混凝土面板的不利应力变形状态，降低了混凝土面板发生脱空、塌陷、挤压破坏等问题的可能性，提升了混凝土面板堆石坝的安全度，有利于推进高或超高混凝土面板堆石坝的建设，能为我国西南地区水电深入开发提供助益。
尽管这种面板堆石坝可以避免或减弱由蓄水引起的坝体变形所导致的混凝土面板的不利应力变形状态，降低了混凝土面板发生脱空、塌陷、挤压破坏等问题的可能性，但是堆石坝的面板受到的应力原因很多，这种方案只能针对由蓄水引起的应力，对于其他原因引起的应力对堆石坝面板造成的影响，并无太大作用。
因此，需要设计一种堆石坝面板，可以应对各种因素产生的面板内应力对面板产生的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型堆石坝混凝土面板结构及建造方法，解决了现有堆石坝混凝土面板受到较大应力易开裂的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种新型堆石坝混凝土面板结构，包括设置在石坝体坡面的面板本体，所述面板本体包括普通混凝土区以及设置在普通混凝土区内的至少一块ECC塑性区，所述普通混凝土区采用普通混凝土材料浇筑而成，所述ECC塑性区采用纤维增强水泥基复合材料ECC浇筑而成。
本发明通过设置ECC塑性区替代部分普通混凝土区，利用纤维增强水泥基复合材料ECC大变形、高韧性、裂缝分散等特性，合理布置ECC塑性区，确保纤维增强水泥基复合材料ECC比普通混凝土材料先进入塑性状态，ECC塑性区发挥作用变形时，普通混凝土区处于弹性未破坏阶段，可以提高面板主动适应变形的能力，显著降低高堆石坝的面板开裂风险，推动我国高混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展。
进一步地，所述面板本体内设有钢筋，提高面板本体的结构强度。
进一步地，所述面板本体底面设有防渗土工布，可以进一步地增强面板本体的防渗性。
进一步地，所述ECC塑性区上表面涂设有乳化沥青，所述乳化沥青覆盖ECC塑性区和ECC塑性区与普通混凝土区连接处，可以增强ECC塑性区和ECC塑性区与普通混凝土区连接处的防水性能。
进一步地，所述ECC塑性区设计强度小于所述普通混凝土区设计强度，保证ECC塑性区可以在普通混凝土区产生变形前，先产生变形，降低普通混凝土区受到的应力。
一种新型堆石坝混凝土面板建造方法，基于上述面板结构，包括以下步骤：
S1、坡面找平及润滑填料施工；
S2、铺设防渗土工布；
S3、钢筋安装和搭接；
S4、侧模制作安装及就位；
S5、ECC材料与普通混凝土按不同分区采用滑膜连续浇筑施工。
进一步地，所述面板本体浇注时，在所述ECC塑性区和所述普通混凝土区交界处设置挡板，待所述普通混凝土材料和所述纤维增强水泥基复合材料ECC初凝后，撤掉挡板，同时清理界面，进行下一区域浇筑，设置挡板可以将普通混凝土材料和纤维增强水泥基复合材料ECC分隔开，避免两种材料混合。
进一步地，所述ECC塑性区的数目、位置和大小通过有限元优化计算分析确定，有限元优化计算过程包括以下步骤：
a、首先假定面板本体全部采用普通混凝土材料浇筑，根据有限元线弹性计算结果，确定面板本体内应力超过T的区域，T为普通混凝土区所能承受的最大应力；
b、将面板本体内应力超过T的区域替换为纤维增强水泥基复合材料ECC浇筑，进行弹塑性分析，搜索普通混凝土区的应力，确定应力超过T的区域，如果应力超过T的区域在ECC塑性区附近，则扩大ECC塑性区的范围；如果应力超过T的区域在其他新的位置，则将应力超过T的区域的普通混凝土材料替换成纤维增强水泥基复合材料ECC；
c、重复步骤b，待所有普通混凝土区的应力均不超过T，则停止计算，根据计算结果，确定ECC塑性区的数目、位置和大小，经过步骤a、b和c确定的ECC塑性区的数目、位置和大小，使ECC塑性区可以覆盖面板本体内应力超过T的区域，当面板本体内应力达到ECC塑性区产生形变的大小时，ECC塑性区产生形变，可以有效降低面板本体内应力的大小，从而避免普通混凝土区产生形变进而导致开裂渗水。
进一步地，所述面板本体施工完毕后再进行乳化沥青喷涂，所述乳化沥青喷涂三遍，提高防水能力，也可以更好的覆盖ECC塑性区因形变产生的细小裂缝，避免渗水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置ECC塑性区替代部分普通混凝土区，将原来刚性的面板本体变成了相对柔性的面板本体，合理布置ECC塑性区，确保纤维增强水泥基复合材料ECC比普通混凝土材料先进入塑性状态，ECC塑性区发挥作用变形时，普通混凝土区处于弹性未破坏阶段，可以提高面板主动适应变形的能力，显著降低高堆石坝的面板开裂风险，推动我国高混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展。
(2)ECC塑性区的材料设计强度等级小于普通混凝土区的材料设计强度等级，保证ECC塑性区率先进入塑性，从而发挥ECC材料大变形、高韧性、裂缝分散等特性；ECC塑性区进入塑性状态后，产生的微裂缝分散且宽度小于50μm，从而避免面板本体在ECC塑性区发生渗漏。
(3)ECC塑性区承担主要的结构变形后，普通混凝土区的应力将会大幅下降，普通混凝土区应力基本控制在其可以承受的应力范围内，结构开裂风险会显著降低，能有效避免面板在普通混凝土区的开裂和渗漏问题。
(4)通过有限元优化计算分析确定ECC塑性区的数目、位置和大小，可以将ECC塑性区设置在面板本体受到应力较大的区域，通过ECC塑性区的变形降低面板本体内受到的应力，ECC塑性区的数目、位置和大小计算精准，可以有效避免普通混凝土区因受到较大应力而开裂、渗水。
附图说明
图1为本发明一种新型堆石坝混凝土面板结构结构示意图；
图2为本发明一种新型堆石坝混凝土面板结构局部放大示意图；
图中：1、普通混凝土区；2、ECC塑性区；3、防渗土工布；4、防浪墙；5、坝体；6、趾板；7、盖重。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例公开了一种新型堆石坝混凝土面板结构，包括设置在石坝体5坡面的面板本体，所述面板本体包括普通混凝土区1以及设置在普通混凝土区1内的至少一块ECC塑性区2，所述普通混凝土区1采用普通混凝土材料浇筑而成，所述ECC塑性区2采用纤维增强水泥基复合材料ECC浇筑而成。
本发明通过设置ECC塑性区2替代部分普通混凝土区1，利用纤维增强水泥基复合材料ECC大变形、高韧性、裂缝分散等特性，合理布置ECC塑性区2，确保纤维增强水泥基复合材料ECC比普通混凝土材料先进入塑性状态，ECC塑性区2发挥作用变形时，普通混凝土区1处于弹性未破坏阶段，可以提高面板主动适应变形的能力，显著降低高堆石坝的面板开裂风险，推动我国高混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展。
进一步地，所述面板本体内设有钢筋，利于提高面板本体的结构强度。
进一步地，所述面板本体底面设有防渗土工布3，可以进一步地增强面板本体的防渗性。
进一步地，所述ECC塑性区2上表面涂设有乳化沥青，所述乳化沥青覆盖ECC塑性区2和ECC塑性区2与普通混凝土区1连接处，可以增强ECC塑性区2和ECC塑性区2与普通混凝土区1连接处的防水性能。
进一步地，所述ECC塑性区2设计强度小于所述普通混凝土区1设计强度，保证ECC塑性区2可以在普通混凝土区1产生变形前，先产生变形，降低普通混凝土区1受到的应力。
本实施例还公开了一种新型堆石坝混凝土面板建造方法，基于上述面板结构，包括以下步骤：
S1、坡面找平及润滑填料施工；
S2、铺设防渗土工布3；
S3、钢筋安装和搭接；
S4、侧模制作安装及就位；
S5、ECC材料与普通混凝土按不同分区采用滑膜连续浇筑施工。
进一步地，所述面板本体浇注时，在所述ECC塑性区2和所述普通混凝土区1交界处设置挡板，待所述普通混凝土材料和所述纤维增强水泥基复合材料ECC初凝后，撤掉挡板，同时清理界面，进行下一区域浇筑，不同区域之间可以紧密的连接在一起，设置挡板可以将普通混凝土材料和纤维增强水泥基复合材料ECC分隔开，避免两种材料混合。
进一步地，所述ECC塑性区2的数目、位置和大小通过有限元优化计算分析确定，有限元优化计算过程包括以下步骤：
a、首先假定面板本体全部采用普通混凝土材料浇筑，根据有限元线弹性计算结果，确定面板本体内应力超过T的区域，T为普通混凝土区1所能承受的最大应力；
b、将面板本体内应力超过T的区域替换为纤维增强水泥基复合材料ECC浇筑，进行弹塑性分析，搜索普通混凝土区1的应力，确定应力超过T的区域，如果应力超过T的区域在ECC塑性区2附近，则扩大ECC塑性区2的范围；如果应力超过T的区域在其他新的位置，则将应力超过T的区域的普通混凝土材料替换成纤维增强水泥基复合材料ECC；
c、重复步骤b，待所有普通混凝土区1的应力均不超过T，则停止计算，根据计算结果，确定ECC塑性区2的数目、位置和大小，经过步骤a、b和c确定的ECC塑性区2的数目、位置和大小，使ECC塑性区2可以覆盖面板本体内应力超过T的区域，当面板本体内应力达到ECC塑性区2产生形变的大小时，ECC塑性区2产生形变，可以有效降低面板本体内应力的大小，从而避免普通混凝土区1产生形变进而导致开裂渗水。
进一步地，所述面板本体施工完毕后再进行乳化沥青喷涂，所述乳化沥青喷涂三遍，提高防水能力，也可以更好的覆盖ECC塑性区2因形变产生的细小裂缝，避免渗水；使用沥青喷射机由上至下开始喷涂乳化沥青，首先在需要喷涂的地方喷射一遍乳化沥青，待干后再喷射第二遍乳化沥青，抛洒砂子，然后喷射第三遍乳化沥青，再洒一层砂子，乳化沥青为沥青含量为60％的溶剂稀释乳液。
在堆石坝建成后，因为各种各样的原因，例如：热胀冷缩、面板本体内部温差过大、水对面板本体产生的压力、堆石体变形、面板底部脱空等，面板本体内部会受到越来越大的应力，若由普通混凝土区1承受这种应力，会使普通混凝土区1开裂、渗水，本申请的面板本体内应力较大的区域设置ECC塑性区2，由ECC塑性区2在应力的作用下产生形变，降低面板本体内部的应力，使普通混凝土区1承受的应力在其所能承受的范围内，从而避免普通混凝土区1开裂，又因为ECC塑性区2由纤维增强水泥基复合材料ECC浇注而成，纤维增强水泥基复合材料ECC具有大变形、高韧性、裂缝分散等特性，即使ECC塑性区2变形，所产生的裂缝的宽度也小于50μm，ECC塑性区2仍然具有良好的防渗水性能，且又通过在ECC塑性区2和ECC塑性区2与普通混凝土区1连接处喷涂乳化沥青，乳化沥青可以将ECC塑性区2因变形产生的裂缝覆盖，进一步地提高其防渗水性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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