縱向增強(qiáng)體心墻土石壩設(shè)計與施工
——《縱向增強(qiáng)體心墻土石壩技術(shù)導(dǎo)則（試行）》綜述

陳立寶，楊 智，羅珠蓮，張 丞，宋廣鑫

（1.四川大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610065；2.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610000；3.四川岷嘉工程管理有限公司，四川 成都 610000；4.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610065）

1.引言

土石壩作為一種傳統(tǒng)壩型，由于技術(shù)簡單、造價低廉、適應(yīng)性強(qiáng)從建造之初就廣受工程界喜愛[1]。到了現(xiàn)代，土石壩技術(shù)理論已經(jīng)日臻完善，無論是計算理論、防滲型式、施工技術(shù)、筑壩材料等等，都已經(jīng)發(fā)展得很完備。作為一種成熟壩型，能充分利用當(dāng)?shù)夭牧希潦瘔螖?shù)量及壩高在已建工程中均占據(jù)絕對優(yōu)勢。但是隨著工程運行，傳統(tǒng)土石壩也面臨著三個問：一是滲漏問題，傳統(tǒng)土石壩由于填筑、基礎(chǔ)、材料、白蟻、洪水等多方面影響在運行一定年限后都存在不同程度的滲漏問題；二是病險問題，大部分中小型水利工程，尤其是上世紀(jì)修建的一些水庫工程均存在滑坡、開裂、滲漏等問題，而且反復(fù)治理，反復(fù)發(fā)病；三是應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的防御能力較低。尤其是洪水漫頂，對于土石壩而言，“漫頂即潰頂”，超標(biāo)準(zhǔn)洪水一直是懸在土石壩安全頭上的一把劍。而且傳統(tǒng)土石壩為了充分利用當(dāng)?shù)夭牧希瑝纹缕毡檩^緩，不具有最大的經(jīng)濟(jì)性。縱向增強(qiáng)體大膽地提出了“剛?cè)嵯酀?jì)”的壩型，以期增強(qiáng)土石壩的防滲、受力和抵抗變形能力，降低土石壩運行風(fēng)險，延長土石壩安全運行周期[2]。

縱向增強(qiáng)體土石壩壩體簡圖如圖1，本文主要從增強(qiáng)體心墻的材料、壩體設(shè)計、心墻設(shè)計及施工等幾方面對該壩型進(jìn)行介紹。

圖1 壩體斷面簡圖

2.增強(qiáng)體心墻材料

增強(qiáng)體心墻采用混凝土或鋼筋混凝土材料，內(nèi)設(shè)灌漿鋼管，形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土采用常規(guī)混凝土，一般強(qiáng)度等級不低于C20，抗?jié)B等級應(yīng)達(dá)到W6～W8，抗凍指標(biāo)也應(yīng)達(dá)到相應(yīng)地區(qū)心墻防滲混凝土的抗凍指標(biāo)。混凝土原材料與常規(guī)混凝土基本一致，混凝土骨料級配宜按2～3級配進(jìn)行制備，其顆粒粒徑不宜超過40～60 mm，含泥量應(yīng)不大于1.0%。混凝土的膠凝材料用量不宜少于350 kg/m3，水膠比不宜大于0.60，砂率不宜小于40%，根據(jù)需要可以加入高效減水劑或引氣劑。混凝土的性能應(yīng)具有良好的流動性和擴(kuò)散性，并具有足夠的重度，混凝土入槽坍落度應(yīng)為180～220 mm。

增強(qiáng)體心墻內(nèi)需要預(yù)埋灌漿鋼管兼做鋼管混凝土內(nèi)部骨架，鋼管外徑不小于φ108mm，壁厚4～18 mm并以滿足施工灌漿條件為準(zhǔn)。鋼管采用鋼桁架進(jìn)行固定，桁架采用槽鋼和角鋼焊接，必須要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求，不得變形。鋼管灌漿后采用細(xì)石混凝土封孔。封閉后，心墻混凝土、鋼管混凝土、鋼桁架共同形成增強(qiáng)體。

3.壩體設(shè)計

縱向增強(qiáng)體心墻土石壩除心墻外，其他壩體設(shè)計與《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定基本相同，亦可參照《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》（SL228-2013）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。縱向增強(qiáng)體心墻土石壩宜分為增強(qiáng)體功能區(qū)、上游過渡層區(qū)、下游過渡層區(qū)、上游壩殼填筑料（堆石）區(qū)、下游壩殼填筑料（堆石）區(qū)、下游排水體區(qū)（如下游壩殼料為石渣料時，可設(shè)排水體或排水帶）、上下游壩體護(hù)坡、增強(qiáng)體心墻底部帷幕灌漿體等區(qū)。

上游壩殼填筑料宜分為兩個區(qū)，壩體死水位以下應(yīng)盡量利用各種開挖料，可永臨結(jié)合利用上游圍堰（需滿足永久填壩的材料及填筑標(biāo)準(zhǔn)），死水位以上水位消落區(qū)壩殼材料宜選用透水性較好的填筑料。上、下游過渡區(qū)也要“上軟下硬”，上游過渡區(qū)主要起輔助防滲和便于成槽的作用；下游堆石區(qū)起到支撐、反濾、過渡的作用。下游壩殼填筑料（堆石）區(qū)為心墻主支撐區(qū)，該區(qū)需要選擇好料（硬巖新鮮料）進(jìn)行填筑。若采用軟巖進(jìn)行填筑，其濕抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于15～20MPa，軟化系數(shù)不小于0.75。壓實后的顆粒級配應(yīng)良好連續(xù)，小于5 mm顆粒含量不宜超過35%，小于0.075 mm顆粒含量不宜超過15%。可在軟巖填筑料內(nèi)設(shè)置垂直向和水平向排水體（帶），排水體（帶）應(yīng)合理連接保持排水通暢，并與下游排水棱體相連。

壩體滲流計算采用碾壓土石壩規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，增強(qiáng)體心墻的厚度設(shè)計值，采用技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的公式計算，并以此確定下游壩體水平寬度和滲透水量等值。

壩體穩(wěn)定計算應(yīng)滿足兩種理論計算方法。其一是碾壓土石壩規(guī)范規(guī)定的壩坡穩(wěn)定計算方法理論，其二是縱向混凝土心墻受力安全系數(shù)法。從研究來看墻體受力安全系數(shù)與土石壩的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)之間有著必然的內(nèi)在聯(lián)系，具有同一性。

縱向增強(qiáng)體心墻土石壩完建后，宜采用有限元計算分析各種工況下壩體的應(yīng)力與變形狀態(tài)，有限元計算應(yīng)按施工填筑和蓄水模擬加荷過程，增強(qiáng)體心墻與上下游過渡料界面宜按接觸面單元進(jìn)行模擬。目前由于增強(qiáng)體心墻土石壩實施案例較少，因此均建議采用有限元計算對壩體應(yīng)力和變形進(jìn)行計算，隨著工程案例的逐漸增多，經(jīng)驗的積累，可以逐步減少有限元的分析計算，簡化設(shè)計難度。

縱向增強(qiáng)體土石壩的施工過程為：先進(jìn)行圍堰填筑，圍堰也可以作為壩體的一部分；上下游填筑區(qū)和上下游過渡區(qū)同步分層碾壓填筑，直至壩頂通填區(qū)；壩體沉降期，一般3～4個月，壩體沉降基本穩(wěn)定；縱向增強(qiáng)體心墻采用地下防滲墻施工工藝開槽施工，預(yù)埋灌漿管，心墻混凝土澆筑；帷幕灌漿，封堵灌漿管；通填區(qū)以上壩體填筑，心墻現(xiàn)澆施工。至此壩體施工完成。

4.心墻設(shè)計

縱向增強(qiáng)體心墻的核心為懸臂梁結(jié)構(gòu)，要求底部固結(jié)，上部為自由端。因此要求心墻的基礎(chǔ)必須嵌入基巖，基礎(chǔ)不能產(chǎn)生偏移。心墻內(nèi)灌漿鋼管也起到固定基礎(chǔ)的作用，像“釘子”一樣，將心墻釘于基礎(chǔ)之上。

心墻的厚度、變形、受力分析等均可采用數(shù)值法進(jìn)行計算，大大簡化了計算過程，化繁為簡，并引入擋土墻理論[3][4]，通過主被動土壓力的計算，提出了采用結(jié)構(gòu)受力安全系數(shù)法來評判結(jié)構(gòu)的安全性理論。其計算工作量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的圓弧法計算。

增強(qiáng)體心墻的基礎(chǔ)處理較簡單，不像傳統(tǒng)防滲心墻基礎(chǔ)需要清理到弱風(fēng)化層。常規(guī)心墻基礎(chǔ)僅需要清除表土及上部松散覆蓋層即可建壩，后期通過開槽將心墻基礎(chǔ)至于弱風(fēng)化層。這樣大大減少了基礎(chǔ)開挖量，節(jié)約了工程投資，也大大加快了工程施工進(jìn)度。

5.心墻施工

縱向增強(qiáng)體心墻施工方法主要參考地下防滲墻的施工方法。施工應(yīng)預(yù)留足夠?qū)挼氖┕て脚_（壩體通填區(qū)），一般平臺寬度不小于20 m。主要施工流程為：

1槽孔建造→2鋼桁架與預(yù)埋灌漿管下設(shè)→3心墻混凝土澆筑→4基礎(chǔ)灌漿→5灌漿管封堵

壩體槽孔建造宜采用鉆抓法進(jìn)行施工，槽孔厚度按照增強(qiáng)體心墻設(shè)計厚度進(jìn)行控制，槽孔長度綜合考慮機(jī)具性能、成槽方法等多因素進(jìn)行確定，槽孔深度應(yīng)從施工平臺直至增強(qiáng)體墻底。成槽的關(guān)鍵因素是上下過渡區(qū)填筑料級配的確定及泥漿護(hù)壁施工效果，重要工程可以進(jìn)行生產(chǎn)性實驗確定具體參數(shù)。

鋼桁架和預(yù)埋灌漿管是增強(qiáng)體的“骨架”，要求“骨架”堅固，站得穩(wěn)、站得牢、不傾斜。鋼桁架應(yīng)采用大于Φ20mm的鋼筋制作，邊壁宜采用∠4-5#等邊角鋼與鋼筋焊接連為整體，局部可以采用型鋼加強(qiáng)。預(yù)埋灌漿管應(yīng)有鋼桁架采用焊接方式連接，其間距根據(jù)灌漿要求確定。一般1.5～2.0 m。預(yù)埋灌漿管在灌漿完成后應(yīng)采用強(qiáng)度不低于墻體混凝土的細(xì)石混凝土進(jìn)行封閉，其最大顆粒粒徑不超過0.2倍的鋼管內(nèi)徑。

心墻混凝土施工準(zhǔn)備同常規(guī)混凝土相同，單個槽孔混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，中斷時間不宜超過40 min。施工過程與地下防滲墻基本相同，混凝土終澆高程應(yīng)高于設(shè)計規(guī)定的墻頂高程。

按間隔法施工的縱向增強(qiáng)體心墻連接宜采用接頭管（板）法施工，采用其他連接方法時，應(yīng)嚴(yán)格控制接縫處端孔的孔斜率和接頭洗刷質(zhì)量，保證滿足設(shè)計的防滲要求。

壩基灌漿應(yīng)按基礎(chǔ)灌漿有關(guān)規(guī)范進(jìn)行。壩基灌漿出現(xiàn)的一些問題和應(yīng)控制的一些方法可參照有關(guān)基礎(chǔ)灌漿施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行解決。灌漿完成后，采用自下而上的封堵方法，進(jìn)行預(yù)埋灌漿管封堵施工。

6.結(jié)語

縱向增強(qiáng)體土石壩的壩體設(shè)計，均與常規(guī)碾壓式土石壩一致，包括監(jiān)測設(shè)施的預(yù)埋和質(zhì)量控制與檢查，心墻的施工采用地下防滲墻的施工工藝。縱向增強(qiáng)體壩型在新建土石壩、病險水庫整治、堰塞湖加固[5]上都具有很大的實用性和適應(yīng)性。其重要的優(yōu)點是實現(xiàn)了硬質(zhì)心墻與“軟弱”壩體的結(jié)合。采用受力安全系數(shù)法來計算和判斷壩體穩(wěn)定，是對傳統(tǒng)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計的一次大膽創(chuàng)新，可以使上下游壩坡更為科學(xué)合理，向最優(yōu)土石壩的設(shè)計又邁進(jìn)了一大步。目前四川省內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)建設(shè)和審批了一批縱向增強(qiáng)體土石壩，隨著該壩型的陸續(xù)上馬，為縱向增強(qiáng)體的理論和實踐提供了更多的實際經(jīng)驗。該批工程的新建，對剛性心墻防滲體和柔性土石壩的協(xié)調(diào)變形研究、抗裂研究、以及出現(xiàn)滲漏后的整治加固均有一定程度的指導(dǎo)作用。