淺談水利工程塑性混凝土防滲墻設(shè)計

　　摘要：塑性混凝土防滲墻具有低強度、低彈模和適應(yīng)性等特性，因此被廣泛應(yīng)用在水利工程防滲加固中。本文結(jié)合汕頭某水利防滲工程實例，通過分析其滲透原因，對塑性混凝土防滲墻設(shè)計進行了分析。

　　關(guān)鍵詞：水利工程,塑性混凝土,防滲墻設(shè)計

　　隨著我國經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，有效解決水利工程的防滲加固問題成為當(dāng)務(wù)之急。塑性混凝土防滲墻較混凝土防滲墻具有彈性模量低,適應(yīng)變形能力強的優(yōu)點,是土質(zhì)壩基垂直防滲的首選形式。還出于它具有良好的和易性和比剛性混凝土有較長的終凝時間，因而易于水下混凝土澆注。同時由于其強度低，便于防滲墻槽接頭施工和保證接頭質(zhì)量。

　　1工程概況

　　某水電工程是一項中型跨流域調(diào)水發(fā)電工程，其水庫樞紐利用天然地形條件，封堵暗河以山體作壩建庫。副壩基礎(chǔ)古河道防滲與暗河拱堵頭、山體防滲灌漿帷幕共同組成樞紐擋水建筑物。該工程為Ⅲ等中型工程，擋水建筑物為3級。

　　副壩位于暗河右側(cè)的古河道，利用古河道的原狀沖洪積層和兩岸的崩坡積體作為壩體材料，經(jīng)開挖和局部回填形成副壩，副壩壩頂高程1185m，壩頂長度210m，壩頂寬13m，最大壩高7m。古河道底基巖呈開敞“u”型。最低基巖面高程1137m。副壩防滲體采用塑性混凝土防滲墻，墻頂高程1181.5m，墻長193.2m。墻厚0.8m，墻底最低高程1135.8m，平均墻深31.1m，最大墻深達45.7m。

　　2防滲體設(shè)計

　　2.1防滲體的型式及布置

　　防滲體采用塑性混凝土防滲墻，墻頂高程按水庫設(shè)計洪水位l180.68m加安全超高確定為1181.5m。墻底要求嵌入兩岸及河床基巖內(nèi)1.0m，墻底最低高程1135.8m。

　　2.2有限元計算

　　2.2.1基本數(shù)據(jù)

　　1)水庫特征水位

　　校核洪水位：1185.2m(P=0.2%)

　　設(shè)計洪水位：1180.68m(P=2%)

　　正常蓄水位：1180m

　　汛限水位：1177m

　　死水位：1140m

　　2)塑性混凝土物理力學(xué)指標(biāo)

　　容重：2.0～2.3t/m3

　　浮容量：1.0～1.3t/m3

　　抗壓強度：2～3MPa

　　彈性模量：500～800MPa

　　水力梯度：60

　　抗?jié)B：W6

　　安全系數(shù)：K=6

　　塑性混凝土非線彈性指標(biāo)見表1。

　　表1防滲墻塑性混凝±非線性彈性參數(shù)

　　2.2.2計算工況及荷栽組合

　　計算工況為水庫正常蓄水情況，并考慮壩體開挖施工過程。計算選用副壩0+118.5m樁號斷面。

　　荷載組合為：施工過程荷載+墻體自重力+正常蓄水后的水作用力。

　　2.2.3應(yīng)力、應(yīng)變分析

　　1)塑性混凝土的力學(xué)模型

　　計算選用鄧肯一張模型進行靜力作用下的強度分析：強度準(zhǔn)則采用莫爾一庫侖強度標(biāo)準(zhǔn)。

　　2)數(shù)值分析

　　計算采用大型巖土工程數(shù)值分析軟件系統(tǒng)FINAL源程序，容納了非線性彈性，彈塑性，粘彈塑性、損傷斷裂等巖土材料的多種本構(gòu)模型.對巖土工程的施工方法和施工步驟可進行跟蹤模擬分析。

　�、儆邢拊�模型及邊界條件

　　在墻上游取100m，下游取45m，整個分成953個三角形6節(jié)點高精度等參元。89個高精度節(jié)理元，節(jié)點總數(shù)4120。

　　②節(jié)理單元參數(shù)

　　實際計算中節(jié)理單元參數(shù)如表2所示。

　　表2節(jié)理單元參數(shù)

　　③計算結(jié)果

　　考慮基巖為全風(fēng)化情況，墻體彈模分別選500、800、1200MPa幾種類型，依據(jù)前述參數(shù)及理論，計算正常蓄水時防滲墻的應(yīng)力和變形。

　　由些可見，在墻體彈模為500MPa、墻體最大壓應(yīng)力σmax為2.778MPa，其值小于抗壓強度指標(biāo)3MPa;當(dāng)墻體彈模為800MPa，σmax為3.399MPa，比抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)高13.3%：當(dāng)墻體彈模為1200MPa時，σmax比抗壓強度指標(biāo)高32.3%;整個墻體均受壓，不出現(xiàn)拉應(yīng)力。墻體位移：彈模愈小，變形愈大，且最大水平位移為216.4mm，出現(xiàn)在淤泥層處。

　　2.3墻體材料設(shè)計

　　防滲墻深夾于古河道覆蓋層中，其后有延伸達3km的深厚覆蓋層作支承，下部為巖石基礎(chǔ)，不存在整體破壞問題。為適應(yīng)壩體和壩基不均勻沉陷引起的變形，并避免因強度不夠發(fā)生局部開裂而影響防滲效果，參考國內(nèi)外已成工程經(jīng)驗，確定墻體材料采用低彈、高強的塑性混凝土。

　　2.3.1塑性混凝土的設(shè)計指標(biāo)

　　1)設(shè)計強度指標(biāo)：抗壓強度R90=4.0～5.0MPa抗折強度T>1.5MPa

　　2)初始切線彈模：E=800～1000MPa

　　3)抗?jié)B標(biāo)號：W6

　　4)強度保證率：P=90%

　　5)強度離差系數(shù)：Cv=0.15

　　6)澆筑地點坍落度：18～22cm(塌落度保持16cm以上的時間應(yīng)大于1h)。

　　7)擴散度：34～40cm

　　8)凝結(jié)時間：初凝>6h，終凝<24h

　　9)混凝土密度：>2.1t/m3

　　2.3.2配比試驗采用的原材料

　　結(jié)合工地實際情況，試驗所用的各種材料就近選用以降低工程造價。

　　1)水泥采用勉縣水泥廠所產(chǎn)425號普通硅酸鹽水泥.質(zhì)量應(yīng)符合國標(biāo)(GB2938—862)的各項技術(shù)要求。

　　2)砂料采用勉縣黃沙河砂場所采黃砂。細(xì)度模數(shù)2.4～2.8，含泥量<1%。

　　3)粘土采用工地附近土料場的粘土。含粘粒量>50%、塑性指數(shù)>20、含砂量<5%。

　　4)膨潤土采用洋縣產(chǎn)的膨潤土，質(zhì)量應(yīng)符合石油工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)《鉆進液用膨潤土》(SY5060—85)Ⅱ膨潤土的要求。

　　5)骨料采用工地現(xiàn)場加工而成的骨料，粒徑5～20mm，含泥量<0.4%。

　　6)用水應(yīng)符合水工混凝土拌制用水質(zhì)量要求。

　　7)為滿足混凝土的各項技術(shù)要求，可使用緩凝劑高效減水劑、引氣劑等混凝土外加劑，但應(yīng)符合混凝土外加劑應(yīng)用的有關(guān)技術(shù)規(guī)范，同時力求操作簡單，易于控制施工質(zhì)量。

　　2.3.3選定施工用配合比

　　混凝土防滲墻由于上下游為軟基，為適應(yīng)變形，原設(shè)計為粘土水泥塑性材料并進行了有限元計算。由于當(dāng)?shù)卣惩敛缓细�，改用膨潤土塑性混凝土防滲墻，施工單位委托西北水科所進行試驗，最終確定的配比是：水泥180kg/m3，碎石837kg/m3，砂707kg/m3，膨潤土180kg/m3，水274kg/m3，混凝土性能R28=4.05MPa，抗?jié)B≥S6。

　　3防滲墻施工的2個突破

　　混凝土防滲墻要穿透的古河道深厚覆蓋層下基巖起伏變化大，特別是崩坡積層及湖積層砂卵石層塊石含量大(最高70%)，石質(zhì)堅硬，加之水下開挖爆破，難度極大。監(jiān)理、設(shè)計和施工單位克服重重困難.不斷修正設(shè)計.取得了成功，并實現(xiàn)了2個突破：

　　1)人工成槽和機械成槽同時并舉。修正后防滲墻全長201.3m，厚度80cm，共分33個槽段。2009年6月沖擊鉆試鉆中，發(fā)現(xiàn)抓斗成槽機在硬度高塊體大的石中無法發(fā)揮效能，沖擊鉆極易發(fā)生孔斜、夾鉆、掉鉆等事故，因此，決定在古河道左右兩岸崩坡積層中采用人工開挖護壁成槽，為減少塌孔并將槽段長由8.4m、7.2m調(diào)整為以6m及6.8m為主

　�、贆C械成槽。中段18個槽段采用機械成槽。15～20號槽段用CZ一30沖擊鉆，10號、12～14號、21～28號槽段用CZ一22沖擊鉆，鉆頭采用2.5t，1.5t重的十字型沖擊錘，先主孔后副孔，主孔間距1m。成槽時以膨潤土泥漿護壁，泥漿參數(shù)隨地層改變及時調(diào)整。槽內(nèi)孤石采用水下定向聚能爆破，施工中及時測斜并糾偏。清孔采用抽渣桶抽漿、換漿的辦法，二期槽段清孔前用刷子鉆頭刷壁，要求最終孔底沉淤厚度小于10cm。22～27號槽段最深達50m左右最高日平均進尺10m(23號)，由于塌孔事故處理或孤石含量大，最小日平均進尺僅0.76m(20號)。

　　②人工成槽。15個槽段采用人工護壁開挖成槽施工，分別是2～9號，11，29～34號槽段。人工護壁采用30cm厚鋼筋(Φ12單層)混凝土護壁，護壁模板采用平面鋼模板，邊護壁邊支撐向下開挖。每循環(huán)進尺一般為1.3m，支撐用直徑大于10cm的硬質(zhì)圓木，每單元槽段共設(shè)4列支撐，間距1m左右。一期槽段兩端設(shè)30cm厚的混凝土隔墻，隔墻在二期槽段開挖時拆除。在槽一端設(shè)鋼梯供施工人員上下，槽內(nèi)滲水由50m揚程水泵抽出。槽內(nèi)孤石用防水乳膠炸藥解小，再用0.25m3吊土斗配1.5t卷揚機出渣。灌注混凝土?xí)r自下而上，逐步分段拆除支撐。槽段最深47m(29號)，最高日平均進尺2.45m/d(5號)，最低1.3m/日(3號)。

　　2)超深灌漿管的埋設(shè)。防滲墻下的基巖要進行帷幕灌漿，若從中層灌漿洞向上打仰孔，難度大，質(zhì)量難保證。從防滲墻頂向下鉆孔，則孔斜可能打穿80cm厚的墻，高壓灌漿可能破壞墻體結(jié)構(gòu)。只能在墻體灌注混凝土過程中，預(yù)埋超高灌漿管。經(jīng)認(rèn)真研討，解決了這個問題。灌漿管直徑Φ108，單節(jié)長6m，用法蘭連接。管與管間距2m。在機械成槽段，同一單元槽段內(nèi)三根灌漿管并列相連，整體吊入.灌漿管上每隔3m設(shè)鋼筋定位架，為加強底部定位架剛度，底部3層定位架鋼筋加粗，同一高度的定位架用Φl2鋼筋相連，吊人前，管底用兩層5mmx5mm鐵絲網(wǎng)綁罩，并在每根管底分別嵌套2塊直徑40cm厚10cm的混凝土塊，以利管底穩(wěn)定，使灌漿管垂直，終端管VI用鐵板點焊。

　　該防滲墻自2009年5月1日開工，同年11月12日完工，共完成防滲墻造孔進尺9408m，防滲墻澆筑7955m3。超聲波檢測結(jié)果：平均波速2760～3100m/s，強度在3～4MPa，離差系數(shù)只有一個槽段大于5%，平均小于5%。說明塑性混凝土防滲墻均質(zhì)性好，連續(xù)性好，無不良缺陷，相鄰槽段銜接和底部嵌巖均良好。

　　4結(jié)束語

　　通過對河道深厚覆蓋層的地質(zhì)特點，采用膨潤土塑性混凝土防滲墻，成功地解決了副壩基礎(chǔ)的防滲問題。工程實施過程中，采用人工成槽和機械成槽并舉，同時克服了超深灌漿管埋設(shè)的難題。

　　參考文獻

　　【1】牛志豐 姬志軍 莫振偉，小南海水庫塑性混凝土防滲墻的設(shè)計[J].河南水利與南水北調(diào)，2010 .11

　　【2】王清友 孫萬功 熊歡，塑性混凝土防滲墻，中國水利水電出版社，2008。