吉音水利樞紐大壩防滲結構選型

(新疆吉音水利樞紐工程建設管理局, 新疆 和田 848000)

吉音水利樞紐大壩防滲結構選型

楊樹紅

(新疆吉音水利樞紐工程建設管理局, 新疆 和田 848000)

因壩址選擇受地形地質條件、天然建筑材料分布和儲量制約，為保證大壩防滲結構滿足質量、經濟、安全和施工布置等要求，土石壩在深切河槽段內的防滲結構形式選擇經常成為工程規劃爭執的焦點。本文從分析吉音水利樞紐大壩不同防滲結構的優缺點出發，通過應力變形、填筑材料、施工方法和經濟性比較，確定最優大壩防滲結構，為同類工程設計與施工提供借鑒與參考。

大壩； 防滲結構； 比選

1 工程地形地質概況

吉音水利樞紐位于新疆于田縣境內的克里雅河上，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高124.50m，壩頂長489m。壩址處河床深切，兩岸邊坡陡峭，河谷寬高比約為1∶1.7，屬于典型的窄深式下切河槽(詳見圖1)?；鶐r巖性為斜長角閃片巖，強風化層厚2～3m，呈碎裂結構；弱風化巖體厚8～10m，巖體較完整[1]。

圖1 吉音工程壩址斷面

2 大壩深河槽內防滲結構形式分析

針對工程現狀河床段地形地質特點，結合目前國內外成熟的防滲結構設計、施工經驗，分析比較深河槽段內不同防滲結構形式的要求及優缺點。

2.1 “4+X”平趾板防滲結構方案(方案一)

“4+X”平趾板屬于常規混凝土面板土石壩的防滲結構，即由與基巖結合的4m寬標準平趾板和中間的X塊內趾板組成(見圖2)。標準平趾板與基巖連接，兼作灌漿蓋板。內趾板的作用是滿足深切河槽滲徑增長的防滲需求，是混凝土面板的延伸部分。平趾板坐落在弱風化或新鮮巖層上，其寬度、厚度和強度、抗凍、抗滲指標以地基容許水力梯度確定。為防止溫度變化引起防滲面板干縮裂縫，在趾板適當位置布置鋼筋抑制裂縫。采用鋼筋錨桿將平趾板錨固在基巖上，增加附著力和整體穩定性，周邊防滲采用固結灌漿和帷幕灌漿。該方案優點是單向坡開挖，便于布置施工和鉆孔灌漿作業通道，混凝土施工可采用滑模技術。缺點是邊坡開挖量大，經濟性差；深河槽兩岸邊坡陡峭，施工難度較大，進度緩慢。

圖2 “4+X”平趾板防滲結構

2.2 高趾墻防滲結構方案(方案二)

高趾墻防滲結構可有效改善下切深河槽段大壩面板的受力形態及應力條件，使面板、趾板布置平順(見圖3)。高趾墻基礎需建在堅硬的新鮮巖層或弱風化巖層上，保證承載能力，周邊采用固結灌漿和帷幕灌漿；趾墻兩側嵌入到邊坡基巖上開鑿的齒槽內，提高趾墻與河槽基巖咬合力和穩定性。趾墻頂部通過連接板與趾板和防滲面板連接，達到布置平順的目的。趾墻中間設垂直伸縮縫，縫內設止水，避免由于混凝土溫度變化使墻體產生溫度裂縫。為防止蓄水后墻體兩側因受基巖約束和堆石體自身變形造成趾墻開裂，根據應力情況在趾墻上下游側布置適當鋼筋抗裂。壩料填筑時墻體兩側要同時上升，使墻體受力均衡。周邊采用固結灌漿和帷幕灌漿。若趾墻過高，水平跨度較大時，在趾墻下游適當位置增加扶臂支墩，改善墻體受力條件。扶臂的位置、數量和結構尺寸根據墻體最不利應力條件確定。該方案優點是：面板、趾板、連接板布置平順，受力條件好；開挖、填筑工程量小，經濟性好；趾墻與兩岸和基底接觸良好，剛性大、變形小、抗滑穩定性好。缺點是：墻體混凝土施工質量要求高，下游壩料填筑需待趾墻的混凝土強度達到一定要求后才能進行，施工周期較長，碾壓質量不易控制，需采用小型夯板進行局部特殊處理，墻體的扶臂更增加了壩料填筑難度。

圖3 高趾墻防滲結構

2.3 砂礫石膠結填筑體防滲結構方案(方案三)

砂礫石膠結填筑體防滲結構是當大壩面板布置受下切窄深河槽地形條件制約時，為改善面板形態及應力條件，解決面板、趾板布置的平順問題，采取的防滲結構形式(見下頁圖4)。砂礫石膠結填方體為受力體，防滲體為在受力體外包裹的混凝土防滲面板和與基巖結合的防滲底板，趾板直接坐落在膠結填方體上。當前填筑體膠凝材料主要以水泥為主，膠凝材料用量要滿足填筑體本身抗剪強度需求和施工期填筑體坡面穩定。填筑體基礎為防滲底板，需建在弱風化或新鮮基巖上，以滿足抗滑穩定和地基承載力要求?；追罎B面板的厚度、強度要滿足固結灌漿、帷幕灌漿蓋重和滲徑要求，使其與基巖形成防滲整體，封閉基底及周邊滲漏通道，避免填筑體與地基間發生沖蝕破壞。同時，填筑體表面混凝土防滲面板要滿足強度、抗滲和抗凍等要求，面板間應進行分縫處理。因面板受到的最大拉、壓應變遠小于混凝土極限應變值，防滲面板需布設單層雙向鋼筋抵抗溫度裂縫。該方案優點是：兩側邊坡及基底的土石方開挖量較小，施工準備期短，施工方法簡單，易于施工布置和質量控制，防滲結構本身穩定性好。缺點是：填筑工程量較大，經濟性一般；施工周期較長。

圖4 砂礫石膠結體防滲結構

2.4 雙防滲墻防滲結構方案(方案四)

雙防滲墻防滲結構是在深河槽內堆填一定寬度、高度的土石料體，然后在填筑體中打雙排槽孔混凝土防滲墻，面板與防滲墻頂部連接，以彌補地形條件對面板應力的影響(見圖5)。土石料選擇跟大壩填筑料一樣，填筑碾壓標準可略高于壩體填筑碾壓標準。填筑體內設置雙排槽孔混凝土防滲墻，填筑體的寬度要滿足雙排槽孔混凝土防滲墻施工布置、壩體穩定和深河槽以上壩體填筑斷面施工要求，防滲墻寬度根據巖石地基容許水力梯度和滲透水壓力計算確定。填筑體施工時，應在槽孔混凝土墻的位置預填筑一定寬度的墊層料(墊層料碾壓密實性大、填充性好、易施工控制)，使槽孔位于墊層料斷面中間，降低槽孔開挖難度，提高槽孔周圍填筑體壓實度，減小不均勻沉降。槽孔混凝土防滲墻澆筑時上下游填筑體要達到設計壓實指標，同時防滲墻必須伸入河槽基礎強風化層底部透水性很小的基巖內，采用帷幕灌漿和固結灌漿將基底、兩岸邊坡與槽孔混凝土防滲墻形成防滲整體。該方案優點是：土石方開挖量最小，施工方法、施工布置簡單，前期準備周期短，施工進度較快。缺點是：土石方填筑工程量大，河槽段壩體沉降變形大，易發生不均勻沉降，在填筑體中開挖雙排深防滲槽孔施工較難控制。

圖5 雙防滲墻防滲結構

3 防滲結構形式綜合比選

根據工程區的自然地理條件，結合工程施工布置、質量、進度要求，從應力變形、填筑材料、施工方法、工程造價等方面進行綜合比較分析，確定吉音水利樞紐工程深切河槽段大壩防滲結構形式最優方案。

3.1 應力和變形比較分析

由于工程區河谷深切，若采用方案一進行壩體結構布置，則右岸伸入下切河槽中的面板數量很少，且伸入部位的面板受力情況復雜，壩體和面板的位移分布不對稱，易產生應力集中。另外河槽兩岸填筑體地基特性差異較大，堆石體本身在該部位的不均勻沉降和變形比較明顯，容易使面板發生脫空、斷裂破壞，方案一對大壩面板的應力和變形的不利影響因素多，降低了面板的防滲性能。方案二、三防滲結構均采用重力式，主要依靠自身重量維持穩定，上下游采用天然砂礫料回填碾壓，可保證結構體在施工期和運行期能適應來自上下游不同方向的壓力和變形。尤其是方案三，填筑主體為砂礫石膠結填方，對上游防滲面板變形和應力分布的均勻性有利，可降低應力變化梯度，減少應力集中，有效提高防滲性能。方案四在深切河槽內先填筑天然砂礫料模擬深覆蓋層，回填的砂礫石層在上部壩體的作用力下，易產生下凹的沉降變形，但回填砂礫石層底部受基巖剛性約束，導致垂直防滲體在竣工期向上游方向的變位。蓄水期，防滲墻受上游水荷載的推力作用，防滲墻墻體位移指向下游方向。但防滲墻底部受基巖約束，因此，防滲墻頂端變形量和拉應力最大，同時底部也將出現拉應力。方案二、三、四的壩體面板底高程均位于垂直防滲體頂部，面板體型較為對稱，兩岸壩體和面板的位移分布對稱，面板拉應力區的應力變化梯度和應力集中降低，提高了面板防滲效果。鑒于應力與變形的情況分析，方案二、三最優，方案一、四次之。

3.2 填筑材料比較分析

方案一趾板后填筑料與壩體其余部位相同，無需單獨制備填筑料，因此，在填筑材料的加工制備上較為便利。方案二除在高趾墻和扶臂墻周邊碾壓設備不容易壓實的區域內需采用本身變形較小的填筑材料外，其余部位均為天然砂礫料填筑，但特種料的工程量非常小，相應的加工制備工作量也較小。方案三為常規混凝土和砂礫石膠結填方，膠結填方的膠凝材料以水泥、粉煤灰為主，需投入相應的拌制設備系統，增大工程投資。方案四為預填的砂礫石墊層料，要控制好相關參數，且參數指標要求過高，無法從天然砂礫石料中直接獲得，需人工篩分制備，工程造價較高。因此從填筑材料上來看，方案一最優，方案二次之，方案三、四較差。

3.3 施工方法比較分析

方案一的施工方法與常規面板壩的施工方法相同，為了保證深河槽與階地之間的沉降量控制在一定差值范圍內，必須從壩料級配、鋪料厚度、加水量、碾壓遍數等方面來提高堆石料壓實密度，填筑參數需通過多次碾壓實驗確定。方案二為避免高趾墻產生不平衡壓應力，高趾墻兩側堆石料填筑要平衡上升。高趾墻混凝土施工要沿高度方向分段澆筑，增加了高趾墻的施工工序，各工序間也存在一定的干擾。高趾墻兩側較近距離范圍內無法用重型碾壓機械碾壓，堆石料的壓實指標不易控制，施工難度較大。方案三的施工方法是先開挖好深切河槽段邊坡和基礎后，進行砂礫石膠結填筑，再在膠結填方體上澆筑防滲面板，待此膠結填方體和防滲面板達到一定強度后，最后填筑上下游堆石料。填筑料需人工拌制，但施工工序簡單，難度較小。方案四的施工方法是在深切河槽段內先填筑堆石料再開槽澆筑混凝土，其堆石料的碾壓指標易控制，填筑質量高，并且防滲墻施工方法與原狀地基防滲墻的施工方法相同，施工難度較小，各工序間相互干擾較小。但是墻體為地下隱蔽工程，采用旋挖鉆機和液壓抓斗施工成槽，鋼導管澆筑混凝土，預埋管灌漿，墻體混凝土質量不易控制。因此從施工方法方面綜合分析，方案三、四最優，方案一、二最差。

3.4 經濟性比較分析

經濟性比較主要依據各方案的設計工程量和《水利建筑工程預算定額》及《水利工程施工機械臺時費定額》確定，以此來比較各方案的優劣[2][3]。具體工程量和工程造價匯總對比分析見表1。

表1 主要工程量及工程造價對比

續表

從經濟性比較得出，方案二最優，方案一次之，方案三、四較差。

4 防滲結構方案確定

從以上四方面的比選分析結果來看，各方案均有優劣，因此，最優方案的確定需綜合考慮各方面的因素，本文采用權重綜合評分法計算分析，具體權重根據應力變形、填筑材料、施工方法和經濟性在工程質量、安全、經濟、進度中的合理性和重要性來確定，計算與分析結果詳見表2。

表2 權重分值計算分析

以上綜合計算分析結果表明，方案二為吉音水利樞紐大壩深河槽段防滲結構的最優方案。

5 結 語

高趾墻為吉音水利樞紐大壩防滲體系，相當于明挖全封閉厚防滲墻，端部約束剛性，但趾墻拉應力較大，均分布在壩底局部范圍，因此，即便發生局部微小裂縫，其防滲性能、整體性和施工質量仍明顯優于其他防滲結構。高趾墻防滲結構在解決深切河槽內的大壩應力變形問題、降低工程造價等方面效果明顯，其經濟性好，安全性、可靠性高，在深切河槽內大壩防滲結構中具有較好的實踐應用與發展前景。

[1] 陳雯龍，等.新疆吉音水利樞紐工程初步設計報告[R].烏魯木齊：水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，2012.

[2] 水利部.水利建筑工程預算定額[S].2002.

[3] 水利部.水利工程施工機械臺時費定額[S].2002.

Jiyin Water Control Dam Anti-seepage Structure Model Selection

YANG Shu-hong

(Xinjiang Jiyin Water Control Project Construction Authority, Hetian 848000, China)

Since dam site selection is limited by topographic and geologic conditions, natural building material distribution and reserves, anti-seepage structure form selection of earth dam in deep river channel section always becomes a focus argued in project plan in order to ensure dam anti-seepage structure can meet requirements in quality, economy, safety, construction layout, etc. In the paper, advantages and disadvantages of different anti-seepage structures in Jiyin water control dam are analyzed, optimal dam anti-seepage structure is determined through stress deformation, filling materials, construction methods and economic comparison, thereby providing reference for design and construction of similar projects.

dam; anti-seepage structure; comparison

TV543

B

1005-4774(2014)12-0053-05