塑性混凝土心墻壩在砂礫石地基上的新技術應用研究

塑性混凝土心墻壩在砂礫石地基上的新技術應用研究中文摘要：本文以威寧縣抱都水庫工程為例，在深砂礫石地基上采用粘土心墻與塑混凝土防滲墻相結合的方法進行防滲，通過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的設計技術方案，并且運用數學模型軟件進行模擬驗證可行性，通過分析驗證了此種方法經濟可行，施工方便快捷；對以后在砂礫石基礎上筑壩防滲有一定的參考價值。中文關鍵詞：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，可以很好的適應砂卵石地基的變形，從而調高了防滲墻的抗裂性，增強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，其受到人們的廣泛關注，進而在塑性混凝土防滲技術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，提出了一些在設計永久性建筑物下超深塑性混凝土防滲墻時，進行結構穩(wěn)定分析的建議；司政等[6]分析了壩基為砂礫石的均質土壩防滲體的應力應變的變化特性，為砂礫石壩基的防滲設計提供指導意見；李金玉等[7]通過溶蝕試驗對混凝土耐久性和使用年限做了相應的計算和評估；李永琳[8]在遼寧紅沿河核電廠的臨時圍堰施工實踐中，提出了幾種解決拋石堤上施工防滲墻難題的關鍵技術。目前，塑性混凝土防滲墻被廣泛的應用到水利工程防滲中[9,10]。本文結合具體工程實例情況，提出在深砂礫石層基礎上筑壩防滲的新技術，并建立數學模型論證該方案的可行性。2工程概況2.1地質條件抱都水庫工程位于威寧彝族回族苗族自治縣么站鎮(zhèn)抱都村，水庫樞紐位于北盤江水系可渡河左岸一級支流岔河上。壩址以上流域面積為18.3km2，最大壩高27m，總庫容477.95萬m3。抱都水庫壩址砂礫石層屬于沖洪積層（Qal+pl），成分為砂礫石夾中細砂層，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～密實狀。基巖為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)，巖性為深灰、暗綠色隱晶至細晶玄武巖。強風化玄武巖，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；中風化玄武巖，巖芯一般呈柱狀～長柱狀，局部機械破碎呈塊狀。裂隙被方解石充填，基本成閉合狀態(tài)。2.2壩體結構布置本工程壩體為心墻砂礫石結構，心墻采用粘土心墻與塑性混凝土心墻相結合的方式，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，壓實相對密度不小于0.75，上下游壩坡均采用1:2.75。施工臨時圍堰結合永久壩體布置在上游，根據施工臨時洪水和庫區(qū)地形條件布置，上游坡為1:3.0，頂高程2160.00m，寬度根據施工條件和壩體填筑時作為臨時道路要求設置為5.0m，圍堰堰體采用砂礫石填筑，相對密度要求同壩體為不小于0.75。具體尺寸見圖1圖1.壩體結構布置圖3施工方法在施工過程中，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，結合主體工程中壩體設計的要求，堰頂高程確定為2160.00m?？紤]施工機械的交通要求，圍堰堰頂寬5.0m，圍堰長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、向前開挖深度2.0m，在迎水坡鋪設復合土工膜，其上再用拋石護坡，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。由于防滲墻施工技術較為成熟，且在施工過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，現采用加拿大geo-studio軟件的seep/w模塊來進行分析施工圍堰建成后，壩體內部浸潤線的分布位置。本工程在施工過程中，最大上游施工洪水位為2159.04。計算參數見表1。表1堰體及堰基材料滲透系數指標土類滲透系數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壩基中細砂8.0×10-3土工膜1.0×10-10強風化玄武巖15lu經計算當上游水位2159.04m時，浸潤線在粘土心墻位置處的高程低于粘土心墻的填筑高程，滿足設計要求，設計方案具有可行性。計算結果見圖2圖2圍堰防滲計算結果4.2防滲效果分析為了進一步分析水庫防滲效果，現采用加拿大geo-studio軟件的seep/w模塊來進行分析水庫的防滲效果。根據壩段地形特點、壩基地質等情況，選用大壩樁號0+080斷面（最大壩高斷面）進行滲流計算，計算參數見表2。表2壩體及壩基材料滲透系數指標土類滲透系數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壩基中細砂8.0×10-3強風化玄武巖15lu中風化玄武巖5lu塑性混凝土防滲墻5.0×10-7基巖帷幕灌漿5×10-5根據[12]滲流計算要求，抱都水庫滲流計算工況如下：工況1：庫內校核洪水位2177.04m，下游相應水位2152.87m；工況2：庫內設計洪水位2176.36m，下游相應水位2152.46m；工況3：庫內興利水位2175.00m，下游相應水位2151.50m1）滲流量計算根據滲流計算結果，興利水位下滲漏量為3.942m3/d/m，按大壩長度159m計算，年滲漏量為22.8萬m3，占興利水位庫容（305.9萬m3）的7.48%。設計洪水位下滲漏量為3.864m3/d/m，年滲漏量為22.42萬m3，占相應水位庫容(447.22萬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m3，占相應水位庫容（477.95萬m3）的5.32%。計算結果見表3。表3大壩滲流量計算成果表工況斷面校核洪水位設計洪水位興利水位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）大壩滲流比降計算根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2020）心墻為坡殘積紅粘土，根據以往經驗取值為0.20，出逸點處為砂礫石和中粗砂，按無粘性土取值為0.25，塑性混凝土防滲墻國內外取值稍有差別，國內取值一般為80～100，國外取值一般為50～60，為安全起見，本次允許值取值為60。經計算，各種工況下，大壩滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。結果見表4。表4大壩滲透穩(wěn)定計算成果表斷面工況0+080防滲墻心墻下游出逸點計算值允許值計算值允許值計算值允許值工況115.5500.150.200.030.25工況215.3500.140.200.020.25工況314.5500.130.200.020.253）大壩等勢線計算結果從各水位下的等勢線圖分析，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，浸潤線在通過防滲體時，水勢都明顯降低。計算結果見圖3~圖5圖30+080校核洪水位等勢線圖圖40+080設計洪水位等勢線圖圖50+080正常蓄水位等勢線圖5結論(1)本論文是在實踐工程的基礎上，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合的方法進行防滲，通過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的技術方案；(2)工程設計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應力應變問題，并且充分的利用當地的粘土材料作為防滲體，經濟合理。（3）通過采用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到預期的目標和效果，可以很好的降低工程造價，保證施工質量，具有顯著的經濟效益價值；（4）本工程的設計思路為以后在砂礫石層基礎筑壩提供參考。參考文獻[1]于玉貞,濮家騮,劉鳳德.土石壩基礎塑性混凝土防滲墻材料力學特性研究[J].水利學報,1995(08):21-27+20[2]蘇淵.塑性混凝土防滲墻對土石壩穩(wěn)定性的影響分析[D].山東大學,2013.[3]孫文杰.ANSYS熱分析模塊對土石壩的滲流分析與研究[D].華北水利水電大學,2016.[4]宋帥奇.塑性混凝土強度和變形性能及其計算方法[D].鄭州大學,2015.[5]劉世煌.深厚覆蓋層閘壩變形及塑性混凝土防滲墻的防滲效果——以沙灣水電站運行狀況為例[J].西北水電,2013(03):31-37.[6]司政,陳堯隆,李守義.土石壩壩基塑性混凝土防滲墻應力變形分析[J].水力發(fā)電,2008(02):32-35.[7]李金玉,徐文雨,曹建國,林莉.塑性混凝土防滲墻耐久性的研究和評估[J].水利水電技術,1995(02):52-58.[8]李永琳.遼寧紅沿河核電廠塑性混凝土防滲墻施工關鍵技術[J].武漢大學學報(工學版),2010,43(S1):348-351.[9]劉杰，謝定松.我國土石壩滲流控制理論發(fā)展現狀[J].巖土工程學報,2011(5).[10]閆永平.塑性混凝土防滲墻施工技術在水利工程中的應用[J].水利規(guī)劃與設計,2017(06):109-111.[12]宗敦峰,劉建發(fā),肖恩尚,陳祖煜.水工建筑物防滲墻技術60年Ⅰ:成墻技術和工藝[J].水利學報,2016,47(03):455-462.[13]《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-20