塑性混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)分析

鄧騰飛

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710018）

1 項(xiàng)目概況

團(tuán)結(jié)水庫(kù)位于定軍山鎮(zhèn)溝口村茨角壩村,養(yǎng)家河左岸二級(jí)支流青山溝上,青山溝匯入廟溝河,壩址以上流域面積5.46 km2,主河道長(zhǎng)5.17 km,平均比降64‰；本次復(fù)核總庫(kù)容125.15 萬m3,是一座以灌溉為主,兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖效益的Ⅳ等小（1）型水庫(kù)。團(tuán)結(jié)水庫(kù)灌溉面積1700 畝,水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年設(shè)計(jì)、300 年校核。主要由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等建筑物組成。水庫(kù)現(xiàn)狀最大壩高25.5 m,為粘土心墻土壩,壩頂高程755.33 m～755.60 m,壩頂寬度4.0 m～5.5 m,壩頂長(zhǎng)71.5 m。

2 大壩防滲墻設(shè)計(jì)

2.1 大壩滲流復(fù)核

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果,在設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位工況下,水庫(kù)均可在短時(shí)間內(nèi)完成泄洪,壩內(nèi)無法形成穩(wěn)定滲流,因此本次計(jì)算根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）及本工程實(shí)際情況,確定大壩計(jì)算工況為：1）上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；2）校核水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。根據(jù)地質(zhì)章節(jié)壩體土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和建議值,以及地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)值,滲流計(jì)算參數(shù)和抗滑穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表1和表3。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表

復(fù)核現(xiàn)狀壩體滲流計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 本次復(fù)核現(xiàn)狀壩體滲流計(jì)算結(jié)果

（1）壩體穩(wěn)定滲流工況下,最大單寬滲漏量為13.54 m3/（d·m）,壩長(zhǎng)71.5 m,壩體總滲漏量為968 m3/d,壩體坡面無出逸點(diǎn),浸潤(rùn)線經(jīng)過排水棱體中下部延伸至下游。

（2）壩體非穩(wěn)定滲流工況下,最大單寬滲漏量為15.51 m3/（d·m）,壩長(zhǎng)71.5 m,壩體總滲漏量為1109 m3/d,壩體坡面無出逸點(diǎn),浸潤(rùn)線經(jīng)過排水棱體中下部延伸至下游。

綜上,在各工況下壩體坡面無出逸點(diǎn),浸潤(rùn)線經(jīng)過排水棱體中下部延伸至下游,壩體滲流安全。

2.2 大壩穩(wěn)定復(fù)核

大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)按照本次《地質(zhì)報(bào)告》提供的參數(shù)進(jìn)行復(fù)核,經(jīng)過計(jì)算,抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)論與安全鑒定結(jié)論一致,均滿足規(guī)范要求。

大壩抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,采用簡(jiǎn)化畢肖普法,采用“河海大學(xué)力學(xué)研究所工程力學(xué)系開發(fā)的AutoBank7.3.7”計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下：

式中：b 為條塊寬度；w 為土條重量；v 為垂直地震慣性力（向上為負(fù),向下為正）；u 為作用于土條底面的空隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R 為圓弧半徑；c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及本工程實(shí)際情況,確定大壩計(jì)算工況為：①正常蓄水位穩(wěn)定滲流時(shí)上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算；②校核洪水位至正常蓄水位降落期上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算；③正常運(yùn)用條件下遇地震的上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算參數(shù)取值見表3,計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

表4 大壩穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果表

復(fù)核計(jì)算各種工況的大壩穩(wěn)定,上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的相應(yīng)安全系數(shù)要求值。

綜上,本次復(fù)核,上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的相應(yīng)安全系數(shù)要求值。

2.3 塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

防滲墻軸線平行于壩頂軸線在壩頂上游側(cè)布置,墻體厚度0.60 m。混凝土澆筑前泥漿性能指標(biāo)見表5。

配置泥漿用水按規(guī)范《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63-2006）規(guī)定,泥漿拌制方法及時(shí)間通過試驗(yàn)確定。

考慮到成槽槽孔經(jīng)過粘土、石渣、基巖等地層,采用鉆抓成槽法。槽孔孔斜率不大于4‰。槽孔建造結(jié)束后,應(yīng)進(jìn)行終孔質(zhì)量檢驗(yàn),合格后再進(jìn)行清孔。清孔檢驗(yàn)合格后,應(yīng)于4 小時(shí)內(nèi)開澆混凝土。混凝土終澆高程高于設(shè)計(jì)墻高（754.40 m）0.5 m～1.0 m,不低于754.90 m。

塑性混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值采用5 MPa,塑性混凝土配置強(qiáng)度Cv值0.29,保證率取97.7%,概率度系數(shù)2.0,塑性混凝土配置強(qiáng)度宜為12 MPa 以下。防滲混凝土墻彈性模量為地基彈性模量1～5 倍,一般不大于2000 MPa,極限變形1%～5%。一期槽段混凝土7d 強(qiáng)度不宜大于10 MPa。28 天抗壓強(qiáng)度宜為1 MPa～5 MPa,初始切線模量300 MPa～600 MPa（最大1000 MPa）,彈強(qiáng)比為150～500。滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s。滲透破壞坡降200 以上。墻體材料擴(kuò)散度為330 mm～450 mm,入孔坍落度為190 mm～210 mm,塌落度保持150 mm 以上的時(shí)間不小于1h；初凝不小于6 h,終凝不宜大于24 h；塑性混凝土膠凝材料不少于240 kg/m3,水膠比不大于0.65,其中砂率不小于45%,膨潤(rùn)土用量不少于40 kg/m3,水泥用量不少于80 kg/m3,水泥與膨潤(rùn)土的合計(jì)用量不少于160 kg/m3,塑性混凝土采用一級(jí)配骨料。

壩體下游壩坡滲漏問題,設(shè)計(jì)采用塑性混凝土防滲墻措施,與壩體左側(cè)塑性防滲墻連接,壩前形成一道完整的貫通左右的塑性混凝土防滲墻。壩體防滲墻接設(shè)計(jì)樁號(hào)0+035（壩中踏步右側(cè)電桿處）,右側(cè)溢洪道邊墻（0+000）,長(zhǎng)35 m（0+000～0+035）。防滲墻深度至基巖面,防滲墻頂部高程不低于校核洪水位754.40 m。

采用塑性混凝土防滲墻,墻厚0.60 m,塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值采用5 MPa,配置強(qiáng)度12 MPa 以下,28 天抗壓強(qiáng)度1 MPa～5 MPa。采用鉆抓成槽法。

塑性混凝土比普通混凝土彈性模量小太多,其與周邊巖土體變形模量相接近,極大地減小了墻體內(nèi)的應(yīng)力,避開了墻體開裂,節(jié)約水泥材料。優(yōu)點(diǎn)：塑性混凝土技術(shù)比較成熟；墻厚可達(dá)0.6 m～2.0 m,適應(yīng)各種地層,施工簡(jiǎn)便,結(jié)構(gòu)可靠、防滲效果好,在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)可靠、防滲效果好、適應(yīng)各類地層條件、施工簡(jiǎn)便以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),尤其是在處理壩體滲漏、壩后流土、管涌等滲透變形隱患問題上效果良好,一般在處理水利水電覆蓋層及土石壩體或土石圍堰等有防滲壓力的防滲處理措施首選防滲墻。耐久性較好,防滲效率較高,安全可靠。缺點(diǎn)：墻體偏厚,塑性防滲墻強(qiáng)度和抗?jié)B性較低,施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)面鋪設(shè)過大、對(duì)原壩體擾動(dòng)較大、速度慢、施工工期偏長(zhǎng)。

塑性混凝土防滲墻方案能夠解決粘土心墻質(zhì)量差,壩殼填筑質(zhì)量差產(chǎn)生的滲漏問題,以及壩后滲水問題,心墻頂部高程不足產(chǎn)生的滲漏問題等,技術(shù)成熟,截滲質(zhì)量可靠,效果好。

3 結(jié)語

勉縣團(tuán)結(jié)水庫(kù)出險(xiǎn)加固工程對(duì)壩體防滲方案進(jìn)行了多方案比選,塑性混凝土防滲墻是由多種建筑材料拌和而成,水泥用量很少,具有低強(qiáng)度、低彈模、大應(yīng)變和大流動(dòng)性等特性的混凝土地下防滲墻。通過降低浸潤(rùn)線起到壩體防滲的目的,通過國(guó)內(nèi)外類似工程實(shí)踐證明其投資相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)可靠、防滲效果好、適應(yīng)各類地層條件、施工簡(jiǎn)便。尤其是在處理壩體滲漏、壩后流土、管涌等滲透變形隱患問題上效果良好,一般在處理水利水電覆蓋層及土石壩體或土石圍堰等有防滲壓力的防滲處理措施首選防滲墻。