塑性混凝土心墻壩在砂礫石地基上的新技術(shù)應(yīng)用研究

塑性混凝土心墻壩在砂礫石地基上的新技術(shù)應(yīng)用研究中文摘要：本文以威寧縣抱都水庫(kù)工程為例，在深砂礫石地基上采用粘土心墻與塑混凝土防滲墻相結(jié)合的方法進(jìn)行防滲，通過(guò)先采用碾壓填筑砂礫石層的方法，抬高施工作業(yè)面，為粘土心墻的施工提供干燥的施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)方案，并且運(yùn)用數(shù)學(xué)模型軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證可行性，通過(guò)分析驗(yàn)證了此種方法經(jīng)濟(jì)可行，施工方便快捷；對(duì)以后在砂礫石基礎(chǔ)上筑壩防滲有一定的參考價(jià)值。中文關(guān)鍵詞：塑性混凝土心墻壩、黏土心墻、砂礫石地基、防滲、施工1引言塑性混凝土防滲墻[1]由于其較低的彈模和良好的柔性，可以很好的適應(yīng)砂卵石地基的變形，從而調(diào)高了防滲墻的抗裂性，增強(qiáng)了其整體的防滲效果。由于塑性混凝土在砂礫石覆蓋層的防滲中的顯著優(yōu)勢(shì)，其受到人們的廣泛關(guān)注，進(jìn)而在塑性混凝土防滲技術(shù)上取得了大量的研究成果[2-4]。劉世煌[5]等以沙灣水電站運(yùn)行狀況為例研究深厚覆蓋層閘壩變形及塑性混凝土防滲墻的防滲效果，提出了一些在設(shè)計(jì)永久性建筑物下超深塑性混凝土防滲墻時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的建議；司政等[6]分析了壩基為砂礫石的均質(zhì)土壩防滲體的應(yīng)力應(yīng)變的變化特性，為砂礫石壩基的防滲設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見(jiàn)；李金玉等[7]通過(guò)溶蝕試驗(yàn)對(duì)混凝土耐久性和使用年限做了相應(yīng)的計(jì)算和評(píng)估；李永琳[8]在遼寧紅沿河核電廠的臨時(shí)圍堰施工實(shí)踐中，提出了幾種解決拋石堤上施工防滲墻難題的關(guān)鍵技術(shù)。目前，塑性混凝土防滲墻被廣泛的應(yīng)用到水利工程防滲中[9,10]。本文結(jié)合具體工程實(shí)例情況，提出在深砂礫石層基礎(chǔ)上筑壩防滲的新技術(shù)，并建立數(shù)學(xué)模型論證該方案的可行性。2工程概況2.1地質(zhì)條件抱都水庫(kù)工程位于威寧彝族回族苗族自治縣么站鎮(zhèn)抱都村，水庫(kù)樞紐位于北盤江水系可渡河左岸一級(jí)支流岔河上。壩址以上流域面積為18.3km2，最大壩高27m，總庫(kù)容477.95萬(wàn)m3。抱都水庫(kù)壩址砂礫石層屬于沖洪積層（Qal+pl），成分為砂礫石夾中細(xì)砂層，厚度為19.8～26.3m，平均直徑為3～5cm，以次圓狀及次棱角狀為主，由重力觸探可知上部呈松散狀，下部呈中密～密實(shí)狀?；鶐r為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)，巖性為深灰、暗綠色隱晶至細(xì)晶玄武巖。強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，巖芯一般呈塊狀，短柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙被方解石充填；中風(fēng)化玄武巖，巖芯一般呈柱狀～長(zhǎng)柱狀，局部機(jī)械破碎呈塊狀。裂隙被方解石充填，基本成閉合狀態(tài)。2.2壩體結(jié)構(gòu)布置本工程壩體為心墻砂礫石結(jié)構(gòu)，心墻采用粘土心墻與塑性混凝土心墻相結(jié)合的方式，壩體上部心墻為坡殘積粘土，上下游坡度均為1:0.75，壓實(shí)度0.97，底部高程為2155.60m，粘土心墻頂與防浪墻連接，心墻底接塑性混凝土防滲墻，防滲墻頂高程2165.00m；壩殼采用砂礫料，壓實(shí)相對(duì)密度不小于0.75，上下游壩坡均采用1:2.75。施工臨時(shí)圍堰結(jié)合永久壩體布置在上游，根據(jù)施工臨時(shí)洪水和庫(kù)區(qū)地形條件布置，上游坡為1:3.0，頂高程2160.00m，寬度根據(jù)施工條件和壩體填筑時(shí)作為臨時(shí)道路要求設(shè)置為5.0m，圍堰堰體采用砂礫石填筑，相對(duì)密度要求同壩體為不小于0.75。具體尺寸見(jiàn)圖1圖1.壩體結(jié)構(gòu)布置圖3施工方法在施工過(guò)程中，先填筑圍堰。本工程的圍堰布置在大壩上游壩腳，距大壩軸線約60m，上游圍堰作為大壩壩體的一部分，結(jié)合主體工程中壩體設(shè)計(jì)的要求，堰頂高程確定為2160.00m。考慮施工機(jī)械的交通要求，圍堰堰頂寬5.0m，圍堰長(zhǎng)142.7m，上游坡比為1:2.75，與上游壩坡相同，下游坡比為1:2。為增加滲徑，上游坡腳順邊坡向下、向前開(kāi)挖深度2.0m，在迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜，其上再用拋石護(hù)坡，拋石坡比為1:3。在圍堰填筑之后，清除壩基上的地表壤土，回填碾壓壩體砂礫石料到高程2155.60m，為粘土心墻施工提供干燥的施工平臺(tái)。由于防滲墻施工技術(shù)較為成熟，且在施工過(guò)程中不受地下水位和流速的影響，是垂直截滲砂礫石層施工簡(jiǎn)單有效的一種防滲方式。4模擬分析4.1施工可行性分析為了分析施工圍堰的擋水作用，現(xiàn)采用加拿大geo-studio軟件的seep/w模塊來(lái)進(jìn)行分析施工圍堰建成后，壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線的分布位置。本工程在施工過(guò)程中，最大上游施工洪水位為2159.04。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。表1堰體及堰基材料滲透系數(shù)指標(biāo)土類滲透系數(shù)K(cm/s)壩體砂礫石2.80×10-2壩體心墻1.38×10-7壩基砂礫石2.80×10-2壩基中細(xì)砂8.0×10-3土工膜1.0×10-10強(qiáng)風(fēng)化玄武巖15lu經(jīng)計(jì)算當(dāng)上游水位2159.04m時(shí)，浸潤(rùn)線在粘土心墻位置處的高程低于粘土心墻的填筑高程，滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方案具有可行性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2圖2圍堰防滲計(jì)算結(jié)果4.2防滲效果分析為了進(jìn)一步分析水庫(kù)防滲效果，現(xiàn)采用加拿大geo-studio軟件的seep/w模塊來(lái)進(jìn)行分析水庫(kù)的防滲效果。根據(jù)壩段地形特點(diǎn)、壩基地質(zhì)等情況，選用大壩樁號(hào)0+080斷面（最大壩高斷面）進(jìn)行滲流計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。表2壩體及壩基材料滲透系數(shù)指標(biāo)土類滲透系數(shù)K(cm/s)壩體砂礫石2.80×10-2壩體心墻1×10-6壩基砂礫石2.80×10-2壩基中細(xì)砂8.0×10-3強(qiáng)風(fēng)化玄武巖15lu中風(fēng)化玄武巖5lu塑性混凝土防滲墻5.0×10-7基巖帷幕灌漿5×10-5根據(jù)[12]滲流計(jì)算要求，抱都水庫(kù)滲流計(jì)算工況如下：工況1：庫(kù)內(nèi)校核洪水位2177.04m，下游相應(yīng)水位2152.87m；工況2：庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)洪水位2176.36m，下游相應(yīng)水位2152.46m；工況3：庫(kù)內(nèi)興利水位2175.00m，下游相應(yīng)水位2151.50m1）滲流量計(jì)算根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，興利水位下滲漏量為3.942m3/d/m，按大壩長(zhǎng)度159m計(jì)算，年滲漏量為22.8萬(wàn)m3，占興利水位庫(kù)容（305.9萬(wàn)m3）的7.48%。設(shè)計(jì)洪水位下滲漏量為3.864m3/d/m，年滲漏量為22.42萬(wàn)m3，占相應(yīng)水位庫(kù)容(447.22萬(wàn)m3)的5.01%。校核洪水位水位下滲漏量為4.379m3/d/m，年滲漏量為25.41萬(wàn)m3，占相應(yīng)水位庫(kù)容（477.95萬(wàn)m3）的5.32%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3大壩滲流量計(jì)算成果表工況斷面校核洪水位設(shè)計(jì)洪水位興利水位m3/d/mm3/d/mm3/d/m壩體壩基壩體壩基壩體壩基0+0800.1323.810.1143.750.2494.132）大壩滲流比降計(jì)算根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2020）心墻為坡殘積紅粘土，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)取值為0.20，出逸點(diǎn)處為砂礫石和中粗砂，按無(wú)粘性土取值為0.25，塑性混凝土防滲墻國(guó)內(nèi)外取值稍有差別，國(guó)內(nèi)取值一般為80～100，國(guó)外取值一般為50～60，為安全起見(jiàn)，本次允許值取值為60。經(jīng)計(jì)算，各種工況下，大壩滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。結(jié)果見(jiàn)表4。表4大壩滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表斷面工況0+080防滲墻心墻下游出逸點(diǎn)計(jì)算值允許值計(jì)算值允許值計(jì)算值允許值工況115.5500.150.200.030.25工況215.3500.140.200.020.25工況314.5500.130.200.020.253）大壩等勢(shì)線計(jì)算結(jié)果從各水位下的等勢(shì)線圖分析，可以看出粘土心墻與塑性混凝土防滲墻可以很好的起到防滲效果，浸潤(rùn)線在通過(guò)防滲體時(shí)，水勢(shì)都明顯降低。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3~圖5圖30+080校核洪水位等勢(shì)線圖圖40+080設(shè)計(jì)洪水位等勢(shì)線圖圖50+080正常蓄水位等勢(shì)線圖5結(jié)論(1)本論文是在實(shí)踐工程的基礎(chǔ)上，提出在砂礫石地基上采用粘土心墻與塑混凝土防滲墻相結(jié)合的方法進(jìn)行防滲，通過(guò)先采用碾壓填筑砂礫石層的方法，抬高施工作業(yè)面，為粘土心墻的施工提供干燥的施工平臺(tái)的技術(shù)方案；(2)工程設(shè)計(jì)方案可以有效的降低了防滲墻的面積，降低防滲墻自身帶來(lái)應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題，并且充分的利用當(dāng)?shù)氐恼惩敛牧献鳛榉罎B體，經(jīng)濟(jì)合理。（3）通過(guò)采用geo-studio軟件的seep/w模塊建立模型分析，本文提出的施工方法可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)和效果，可以很好的降低工程造價(jià)，保證施工質(zhì)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值；（4）本工程的設(shè)計(jì)思路為以后在砂礫石層基礎(chǔ)筑壩提供參考。參考文獻(xiàn)[1]于玉貞,濮家騮,劉鳳德.土石壩基礎(chǔ)塑性混凝土防滲墻材料力學(xué)特性研究[J].水利學(xué)報(bào),1995(08):21-27+20[2]蘇淵.塑性混凝土防滲墻對(duì)土石壩穩(wěn)定性的影響分析[D].山東大學(xué),2013.[3]孫文杰.ANSYS熱分析模塊對(duì)土石壩的滲流分析與研究[D].華北水利水電大學(xué),2016.[4]宋帥奇.塑性混凝土強(qiáng)度和變形性能及其計(jì)算方法[D].鄭州大學(xué),2015.[5]劉世煌.深厚覆蓋層閘壩變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