瀝青混凝土心墻壩基超深厚覆蓋層防滲處理方案研究

吳劍疆，李現(xiàn)社

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 工程概況

西藏旁多水利樞紐位于西藏自治區(qū)境內(nèi)薩河流域中游，壩址位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5km。工程由大壩、泄洪洞、泄洪兼導(dǎo)流洞、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、灌溉輸水洞等組成。水庫總庫容12.3×108m3，正常蓄水位4095m。工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級。大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高72.30m，壩頂長為1052.00m。工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，地震設(shè)防烈度采用Ⅸ度。

2 現(xiàn)有壩基防滲措施分析

深厚覆蓋層上土石壩壩基防滲的主要問題是滲透穩(wěn)定和滲漏損失的控制，目前防滲措施主要有垂直防滲和水平鋪蓋防滲兩種。

2.1 垂直防滲

采用垂直截滲能可靠而有效地截斷壩基滲透水流，是一種非常有效的防滲形式，主要包括混凝土防滲墻、帷幕灌漿兩種措施。混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)安全、可靠，防滲效果好，其設(shè)計(jì)、施工已達(dá)到較高水平。隨著沖擊反循環(huán)鉆機(jī)、液壓銑槽機(jī)等施工造孔設(shè)備的研制、開發(fā)、施工工藝的不斷更新、優(yōu)化，以及施工水平的不斷提高，防滲墻的施工工效、造墻深度不斷增加，目前已在國內(nèi)、外大壩工程中廣泛采用。在砂礫石層中通過灌漿形成防滲帷幕也是壩基垂直防滲的一種重要手段，國內(nèi)、外已在灌漿工藝、設(shè)備和漿液材料等方面都取得了很大進(jìn)步，也有許多成功的經(jīng)驗(yàn)。不過在國外，防滲帷幕往往單獨(dú)采用，而在國內(nèi)常與防滲墻聯(lián)合使用，形成墻幕結(jié)合的垂直防滲方案。國、內(nèi)外一些深厚覆蓋層地基上建壩的垂直防滲工程特性見表1。

2.2 水平鋪蓋

水平鋪蓋是土壩壩基防滲設(shè)施中一種常用形式，它不能完全截斷滲流，但可增加滲徑，減小壩基滲流比降和滲流量至允許范圍以內(nèi)。水平防滲措施具有造價低、施工快捷、方便取材的特點(diǎn)，當(dāng)垂直防滲措施效果不明顯、施工難度較大或投資過大時，可采用這種措施。國內(nèi)采用水平鋪蓋作壩基防滲措施多用于壩高50m以下的壩(具體見表2)，且主要集中在七、八十年代以前，受當(dāng)時垂直造孔設(shè)備的限制，在覆蓋層上采用這種措施較多。但在運(yùn)行過程中，這些工程多數(shù)出現(xiàn)鋪蓋裂縫、漏水等現(xiàn)象，后經(jīng)加固處理后運(yùn)行正常。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新型施工造孔設(shè)備的研制、開發(fā)及施工工藝的提高，加之開采鋪蓋土料對環(huán)境影響較大，壩基覆蓋層防滲處理采用水平鋪蓋的越來越少。

表1 國內(nèi)外部分深厚覆蓋層垂直防滲工程特性表

表2 國內(nèi)土壩鋪蓋防滲工程特性表

3 壩基防滲方案擬定

旁多水利樞紐工程位于西藏高海拔地區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，鋪蓋土料的獲取很困難，水平防滲不適用于該工程。另外，由于壩基有近500m寬覆蓋層深度超過150m，現(xiàn)有的施工技術(shù)水平難以對覆蓋層進(jìn)行全封閉，故擬定5種不同的懸掛防滲方案進(jìn)行分析和比較。擬定的防滲方案見表3。

(1)150m深混凝土防滲墻懸掛方案

大壩基礎(chǔ)覆蓋層深度小于150m部位，采用混凝土防滲墻全封閉的防滲型式；覆蓋層深度大于150m部位，采用150m深混凝土防滲墻懸掛防滲型式，防滲墻厚度1m；150m以下覆蓋層不再處理。

表3 擬定防滲方案

(2)120m深混凝土防滲墻下接3排30m深帷幕灌漿懸掛方案

大壩基礎(chǔ)覆蓋層深度小于120m部位，采用混凝土防滲墻全封閉的防滲型式，防滲墻厚度1m；覆蓋層深度大于120m部位，采用120m深混凝土防滲墻下接3排30m深灌漿帷幕懸掛防滲型式，其中2排帷幕通過墻內(nèi)預(yù)埋灌漿管進(jìn)行施工，第三排設(shè)置在防滲墻下游側(cè)，帷幕孔距2.5m。

(3)150m深混凝土防滲墻下接3排15m深帷幕灌漿懸掛方案

大壩基礎(chǔ)覆蓋層深度小于150m部位，采用混凝土防滲墻全封閉的防滲型式；覆蓋層深度大于150m部位，采用150m深混凝土防滲墻下接3排15m掛灌漿帷幕深懸防滲型式。防滲墻厚度及帷幕孔布置與方案二相同。

(4)150m深混凝土防滲墻下接3排30m深帷幕灌漿懸掛方案

該方案與方案三基本相同，僅防滲墻下接帷幕深度改為30m，其他參數(shù)不變。

(5)150m深混凝土防滲墻下接3排50m深帷幕灌漿懸掛方案

該方案與方案三基本相同，僅防滲墻下接帷幕深度改為50m，其他參數(shù)不變。

4 防滲方案比選及結(jié)論

4.1 滲流分析

選取覆蓋層最深剖面(樁號0+437.4m)進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析，并選取5個典型剖面(樁號0+437.4m、0+517.4m、0+555.9m、0+648.7m、0+771.3m)匯總計(jì)算大壩和基礎(chǔ)總滲漏量。滲透穩(wěn)定分析采用校核洪水位工況，滲漏量計(jì)算采用正常蓄水位工況。筑壩料和覆蓋層滲透系數(shù)取值見表4。

表4 滲透系數(shù)取值表

4.1.1 滲透穩(wěn)定計(jì)算成果

5種方案覆蓋層和灌漿帷幕平均滲透比降值見表5。

表5 滲透系數(shù)計(jì)算成果

4.1.2 滲漏量計(jì)算成果

5種方案滲漏量見表6。

表6 滲漏量計(jì)算成果表

由上述結(jié)果可看出，5種方案的壩基覆蓋層滲透比降均小于設(shè)計(jì)允許值，滲漏量均小于多年平均徑流量的1%，滲透比降和滲漏量均隨帷幕深度的增加而減小。

4.2 防滲可靠性

5種方案中，方案一為150m深混凝土防滲墻懸掛方案，其他方案均為防滲墻接灌漿帷幕懸掛方案，防滲措施的可靠性主要取決于灌漿的可灌性和質(zhì)量。對于冰水堆積層帷幕灌漿的可灌性，采用可灌比法、滲透系數(shù)法進(jìn)行判別。可灌比判別法公式為：

(1)

式中，D15—受灌砂礫石層中小于此粒徑的土重占總土重的15%的粒徑；d85—在灌漿材料中小于此粒徑的重量占總土重的85%的粒徑；一般情況下，水泥的d85=0.08mm；粘土d85=0.02mm。當(dāng)M>10～15時，屬可灌性地層；其中M>10，可灌注水泥粘土漿；M>15時，可灌注水泥漿。根據(jù)地勘所取試樣，可灌性分析成果見表7。

表7 冰水堆積層可灌性分析表

由表7可知，采用粘土漿灌注屬可灌地層，而采用水泥漿灌注各試樣均為可灌性差地層。

當(dāng)采用滲透系數(shù)法進(jìn)行判別時，滲透系數(shù)K>5～6×10-2cm/s可灌水泥粘土漿；滲透系數(shù)K>2～3×10-1cm/s可灌水泥漿。根據(jù)地勘成果，冰水積卵石混合土滲透系數(shù)K為8.0×10-3cm/s～2.0×10-2cm/s，按此判斷采用水泥漿和水泥粘土漿均屬可灌性較差地層。

另據(jù)旁多水利樞紐壩基覆蓋層帷幕灌漿現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，冰水積卵石混合土層可灌水泥粘土漿，但存在局部可灌性較差等問題。

綜上，壩基冰水堆積層采用水泥漿和水泥粘土漿均為可灌性較差地層，幕體質(zhì)量不易保證；另外灌漿部位較深，帷幕底部孔斜難以控制，幕體質(zhì)量無可靠檢查手段，因此灌漿帷幕的防滲可靠性不如混凝土防滲墻。

4.3 工程施工和投資分析

方案二至方案五需在防滲墻內(nèi)預(yù)埋灌漿管，并用鋼筋骨架固定，以防止管道產(chǎn)生過大變形。在混凝土澆筑過程中，施工干擾非常嚴(yán)重。澆筑混凝土對灌漿管產(chǎn)生較大的擠壓，常常會導(dǎo)致灌漿管變形過大使得后期掃孔困難，甚至廢孔。掃孔工作難度較大，直接占用直線工期。經(jīng)初步分析，五個方案工期分別為29、32、32、35和39個月。從施工技術(shù)條件和工期方面比較，方案一較優(yōu)。

經(jīng)投資測算，五個方案中，方案二投資最少，方案一次之，方案三至方案五逐漸增加。

4.4 比選結(jié)論

經(jīng)計(jì)算分析，上述五個方案在技術(shù)上均可行。方案二工程投資最少，但該方案120m深以下覆蓋層可灌性較差，幕體及防滲質(zhì)量難以保證；方案一采用150m深防滲墻，防滲可靠性高，耐久性好，通過前期部分槽孔施工，150m深混凝土防滲墻施工已順利實(shí)施。其他三個150m深混凝土防滲墻下接帷幕方案雖可減少滲漏量，但幕體質(zhì)量不易保證。帷幕施工增加工程工期，且投資增加較多。經(jīng)綜合比較，推薦方案一，即150m深混凝土防滲墻懸掛方案。

5 推薦方案布置及計(jì)算分析

5.1 防滲墻布置

根據(jù)地勘資料，對于大壩基礎(chǔ)覆蓋層深度小于150m部位，采用混凝土防滲墻全封閉；對覆蓋層深度大于150m部位，采用150m深混凝土防滲墻懸掛防滲，150m深度以下覆蓋層不再做防滲處理。防滲墻厚度1m，入巖深度1.0m。分成A、B兩個區(qū)(如圖1所示)，A區(qū)位于防滲墻高部位，混凝土180d抗壓強(qiáng)度≥25MPa，抗?jié)B等級W10，彈性模量E≤28GPa；B區(qū)位于防滲墻低部位，混凝土180d抗壓強(qiáng)度≥36MPa，抗?jié)B等級W10，彈性模量E≤31GPa。

圖1 混凝土防滲墻分區(qū)圖

滲透系數(shù)/(cm/s)冰水積卵石混合土沖積卵石混合土平均滲透比降J允許比降[J]平均滲透比降J允許比降[J]滲漏流量/(m3/s)年總滲漏量/(107m3)占多年平均流量百分比5.0×10-30.290.4<0.10.151.424.480.728.7×10-30.290.4<0.10.151.946.150.981.20×10-20.290.4<0.10.152.337.351.181.60×10-20.280.4<0.10.152.758.671.392.00×10-20.280.4<0.10.153.119.811.57

表10 鄧肯-張E-B模型和接觸面模型參數(shù)

5.2 滲流分析

在方案比選基礎(chǔ)上，對150m以下冰水積卵石混合土層滲透系數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，滲透系數(shù)范圍為5.0×10-3～2.00×10-2，計(jì)算結(jié)果見表8。

由上述結(jié)果可看出，隨著滲透系數(shù)增加，冰水積卵石混合土層平均滲透比降減小，但變化幅度較小。從滲漏量看，隨著滲透系數(shù)增加，滲流量增加。當(dāng)滲透系數(shù)取最大值2.0×10-2cm/s時，年總滲漏量為9.81×107m3，占多年平均徑流量的1.57%，大于多年平均徑流量的1%，但超出范圍不大，滲漏量仍在多年平均徑流量的1%～3%范圍內(nèi)，基本滿足工程建設(shè)要求。

5.3 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變分析

5.3.1 計(jì)算方法和參數(shù)

選取典型斷面，采用鄧肯-張非線性E-B模型進(jìn)行大壩二維有限元靜力計(jì)算，分析混凝土防滲墻竣工期和蓄水期應(yīng)力和變形。計(jì)算材料參數(shù)見表9、10。

表9 線彈性材料參數(shù)

5.3.2 二維有限元靜力計(jì)算結(jié)果

防滲墻豎向應(yīng)力最大、最小值及水平向和豎向位移最大值見表11，防滲墻竣工期應(yīng)力和位移分布如圖2、3所示。

表11 防滲墻靜力計(jì)算結(jié)果(應(yīng)力以壓為正)

圖2 竣工期防滲墻應(yīng)力分布

圖3 竣工期防滲墻位移分布

從上述結(jié)果可知，應(yīng)力控制剖面為150m深混凝土防滲墻入巖剖面，該剖面墻底變形受到基巖約束，豎向應(yīng)力值較大，控制工況為竣工期，最大豎向應(yīng)力為36.5MPa，位置為110m深左右。豎向位移最大剖面為150m深混凝土懸掛防滲墻剖面，竣工期最大豎向位移為61.1cm。蓄水期，受水的浮力影響，防滲墻的豎向應(yīng)力和位移均有所減少，但在水荷載作用下，水平位移增加。水平位移最大值為150m深混凝土懸掛防滲墻剖面，最大為37.8cm。上述結(jié)果符合防滲墻應(yīng)力應(yīng)變一般規(guī)律，且應(yīng)力和變形成果基本滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

5.3.3 防滲墻彈性模量敏感性分析

為分析混凝土彈性模量對防滲墻應(yīng)力的影響，通過二維有限元計(jì)算，對混凝土防滲墻彈性模量敏感性進(jìn)行了分析。墻體彈性模量分別取25.5GPa、28GPa、31GPa、35GPa和40GPa，結(jié)果見表12。

從表12可知，隨著混凝土彈性模量的增加，竣工期和蓄水期混凝土防滲墻的豎向應(yīng)力最大值和最小值均有所增加，但增加幅度較小，說明墻體彈性模量對墻體應(yīng)力有一定影響，但影響不大，也由此說明采用強(qiáng)度較高的剛性混凝土防滲墻進(jìn)行防滲是合適的。

表12 不同混凝土彈性模量下防滲墻豎向應(yīng)力最大和最小值 (應(yīng)力以壓為正) 單位：MPa

6 結(jié)語

(1)對于超深厚覆蓋層壩基，在壩基滲流安全有保障和滲漏量可控的前提下，采用懸掛防滲方案在技術(shù)上是可行的，可有效解決全封閉方案施工難度大、工程投資高等問題。

(2)和灌漿帷幕相比，混凝土防滲墻的投資較大，但防滲可靠性高，耐久性好。通過多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，旁多水利樞紐大壩壩基采用150m深混凝土懸掛防滲墻方案是合適的。計(jì)算分析表明，壩基覆蓋層滲流比降和滲漏量滿足規(guī)范要求，防滲墻應(yīng)力等指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，防滲墻的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(3)目前，旁多水利樞紐工程已基本建成并發(fā)揮效益，混凝土防滲墻質(zhì)量總體良好，大壩總體滲漏量較小，壩基防滲處理的質(zhì)量和效果較好，可供其它工程參考和借鑒。