面板堆石壩周邊縫中“W”型銅止水允許變形研究

馬 超，楊依民

(水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250014)

1 概述

面板堆石壩的防滲體系主要包括：面板、趾板、趾板地基的固結灌漿與帷幕灌漿、周邊縫、板間縫、防浪墻以及防浪墻與面板間的水平縫等。在混凝土面板堆石壩的防滲體系中，周邊縫將面板與趾板及經過灌漿處理的基巖連成整體，是面板堆石壩防滲體系中最重要也是最薄弱的部位，是混凝土面板堆石壩防滲體系中對變形最敏感的部位[1- 3]。

為提高周邊縫的安全指數，國內外學者對銅止水的允許變形特性進行了較為深入的研究。以往針對銅止水的研究，模型試驗主要針對給定某一特定剪切位移下，銅止水適應剪切變形能力的考察[4- 7]。在實際情況下，周邊縫不僅承受剪切位移，而且還需要承受張開及沉降位移，并且張開及沉降位移對周邊縫變形的影響不可忽略。本文針對周邊縫變形分析的不足，選擇常見的“W”型銅止水，通過模型試驗在單向位移、雙向位移以及三向位移下，得到了銅止水所能承受的允許變形，揭示了銅止水在變形過程中的基本規律。

2 “W”型銅止水及其特性

面板堆石壩周邊縫常采用紫銅片止水，其優點是具有良好的耐腐蝕性及延展性，能承受較高的水頭，防滲可靠，易于加工成型，適應變形的應力較強。紫銅片在經過退火處理后，彈性模量降低，適應變形的能力得到提升。退火處理后的紫銅片屈服強度大為降低，延伸率有很大的提高。一般來講，銅止水的銅帶選材應選用軟銅，與硬銅相比，軟銅具有較大的延伸率，適應變形的能力較好，成型加工時也不容易損壞[8- 9]。

為能夠承受周邊縫各方向的變形，常將銅止水做成“W”型，其結構樣圖如圖1所示。銅片鼻子尺寸的確定是銅片設計中一項很重要的內容，它是銅片適應接縫變形能力的關鍵因素。一般來講，銅片鼻子長度應在接縫寬度的基礎上大于接縫的設計張開位移值與沉陷位移值之和，并應滿足設計剪切位移的要求[10]。銅止水常見的鼻子尺寸H/B(高/寬)有50/20和75/30兩種，以50/20最為常見。本研究同時采用50/20和75/30兩種“W”型銅止水，翼板長度均為120mm，立腿高度為40mm。

在面板堆石壩中，“W”型銅止水的翼板及立腿澆筑在混凝土中，周邊縫三向位移對止水結構受力影響不同，張開位移和沉降位移主要引起拉應力，剪切位移引起的應力狀態比較復雜，一般為復合應力狀態[11]。描述銅止水變形量時，通常以銅止水鼻子的折曲長度作為參照，圖1所示的“W”型銅止水的結構的折曲長度為：

(1)

式中，Ln—折曲長度，mm；H—鼻高，mm；B—鼻寬,mm。

圖2 位移加載裝置

圖1 “W”型銅止水結構樣圖

3 材料基本參數

本實驗中止水銅帶采用安徽省河海銅止水有限責任公司，并經廠家加工為止水結構。止水材料基本參數見表1，該銅止水帶的化學成分和物理力學性能符合DL/T5215—2005《水工建筑物止水帶技術規范》[12]和GB/T2059—2017《銅及銅合金帶材》[13]的規定。

表1 材料力

4 試驗裝置及試驗方法

4.1 試驗裝置

加載平臺為自行組裝建造，主要由動力裝置、梯形導軌以及加載支架組成，按照X、Y、Z三個方向搭建，每個方向均通過動力裝置單獨加載，如圖2所示。該加載裝置，可以實現單一方向的加載，也可以實現三個方向的同時加載。

結構中位移加載速度由動力裝置中的電動馬達的轉速決定，只需要依據PC機顯示端記錄時間與施加力大小的關系，考慮位移加載速度，即可將力-時間關系轉化為力-位移的關系。

4.2 試驗結果及分析

在試驗中，位移荷載包括張開位移、沉降位移以及剪切位移，其中，O表示垂直于周邊縫的張開量；S表示面板相對于趾板的沉降量，方向為面板的法線方向；T表示平行于周邊縫方向面板相對于趾板的剪動錯動量[14- 15]。

在試驗中兩塊混凝土試塊分別模擬趾板和面板，固定趾板試塊，在面板試塊上施加三個方向的位移。依照正交分析法，在施加(a，b)位移(a表示沉降位移，b表示張開位移)的情況下分別進行了16組試樣的剪切試驗，得到了25組有效數據。剪切試驗結果見表2—3。

為了更好地表征“W”型銅止水的變形，定義變形量D，表示考慮縫間距B的周邊縫的總變形量。變形量的計算方法如下：

(2)

式中，S—沉降位移量，mm；O—張開位移量，mm；B—縫間距的原始寬度，mm。

為消除銅止水鼻子尺寸的影響，更好地探究剪切失效位移T與總變形量D之間的關系，對T和D進行無量綱化處理，即將T和D分別除以折曲長度Ln，研究T/Ln與D/Ln之間的關系,擬合結果如圖3所示。

由擬合結果看出，剪切失效位移與變形量具有明顯的負相關關系。經回歸分析，變形量與剪切失效位移之間關系均可用下式線型表示，即

表2 W型(75/30)銅止水剪切試驗結果

表3 W型(50/20)銅止水剪切試驗結果

(3)

根據式(3)，在面板堆石壩的監測中，通過觀測數據分析，可用于評價面板堆石壩周邊縫的運行狀態。

圖3 T/Ln與D/Ln擬合曲線

5 變形特點分析

為探究施加張開位移和沉降位移對“W”型銅止水的剪切屈曲失穩特性的影響，分別提取75/30型和50/20型銅止水在(0，0)、(30，30)及(60，60)三種位移組合下的荷載-剪切位移曲線，繪制荷載—剪切位移關系如圖4所示。

試驗中銅止水中鼻子兩側緊貼混凝土，在剪切位移較小時，銅止水鼻子即與兩側混凝土接觸，在混凝土側向約束下，荷載明顯增加，銅止水鼻子部分逐漸向內卷曲，隨剪切位移的增加，卷曲越嚴重；由于剪切位移的不斷增加，銅止水產生第一次屈曲失穩，荷載下降，銅止水變形達到第一次平衡，隨著位移增加，荷載逐漸增加，銅止水逐漸產生第二次屈曲失穩，此時荷載產生下降段，銅止水變形趨于穩定，隨著剪切位移的增加，荷載增加，銅止水撕裂破壞，荷載迅速下降。

隨著施加位移由(0，0)逐漸增大到(90，90)，銅止水越來越早地出現屈曲失穩現象，第二次屈曲失穩越來越不明顯。銅止水變形穩定后，荷載隨位移增大迅速增加，直至銅止水撕裂破壞。

對于尺寸為50/20的銅止水而言，當采用(60，60)的進行剪切試驗時，銅止水鼻子已基本展平，無屈曲失穩階段，隨著位移逐漸增大直至銅止水剪切破壞。

6 影響因素分析

6.1 沉降位移對剪切失效位移的影響

圖5為銅止水沉降位移與失效位移關系。如圖5(a)所示，在張開位移分別為0、30mm時，沉降位移為0mm時的失效位移分別為62.1、58.65mm，張開位移為90mm時的失效位移分別為37.95、34.5mm，分別較張開位移為0mm時減小38.9%、41.2%，相差不大。

這表明，對于鼻子為某一形式的銅止水，在較小張開位移下，由沉降變化引起的失效位移的減小相差不大；剪切失效位移對沉降位移不敏感。

6.2 張開位移對剪切失效位移的影響

圖6為在不同沉降位移情況下，張開位移與失效位移關系。對于鼻子尺寸為某一形式的銅止水，沉降—失效位移曲線多呈向下的拋物線，銅止水失效位移對張開位移較為敏感，隨著張開位移的增加，對應失效位移的減小速率呈增大趨勢。主要有兩方面原因：①在實際加載過程中，銅止水鼻子端部所產生的變形量考慮了鼻子本身寬度，而對于沉降位移，鼻子寬度對變形量的影響較小。②在剪切過程中，銅止水在達到其自身抗拉強度之前，需要克服銅止水與混凝土的粘結力，張開位移使銅止水鼻子部位趨于拉直，有利于銅止水克服粘結力產生剪切變形。

圖4 銅止水荷載—剪切位移關系曲線

圖5 銅止水沉降—剪切失效位移關系

圖6 銅止水張開—剪切失效位移關系

6.3 結構尺寸對剪切失效位移的影響

表4為銅止水剪切試驗對比結果，明顯看出，不同結構尺寸銅止水剪切失效位移存在明顯差值。結構尺寸為75/30的銅止水比尺寸為50/20的銅止水高18.97mm以上，超過尺寸為50/20的銅止水比例一般位于44%～83%之間。

試驗表明，銅止水鼻子部位折曲長度對剪切變形能力的影響明顯，銅止水鼻子折曲長度越長，銅止水適應沉降位移、張開位移、剪切位移的能力越強。

表4 試驗結果對比

7 結論

本文采用自制的加載平臺，通過模型試驗的方法對“W”型銅止水在張開、沉降、剪切三向位移作用下的變形特性進行了研究，得出主要結論如下：

(1)在模型試驗中，對于尺寸為75/30的銅止水，隨著張開、沉降位移的增加，銅止水表現為由兩次屈曲失穩到一次屈曲失穩到直接進入失效階段的特點；對于尺寸為50/20的銅止水，銅止水只有一次屈曲失穩階段，并隨張開、沉降位移的增大逐漸不明顯，最后直接進入失效階段。

(2)根據試驗結果，建立了T/Ln與D/Ln的函數關系，可以用來評價面板堆石壩周邊縫中銅止水的運行狀態。

(3)通過沉降、張開位移及結構尺寸對剪切失效位移的影響因素分析，得出剪切失效位移對沉降位移不敏感；相較于沉降位移，剪切失效位移對張開位移更敏感；銅止水鼻子折曲長度越長，銅止水適應沉降位移、張開位移、剪切位移的能力越強。