上壩水電站大壩塑性混凝土防滲墻的設計

□張仕杰（五華縣水利水電勘測設計室）

1.前言

進入21世紀后，我國在社會、經濟、科技等各領域都出現了突飛猛進的增長趨勢，而隨著我國在水利工程建設方面的發展日益增強，有關水利建設的技術與工具也在不斷地研發和創新，對水利建設工程最顯著的防滲墻加固方面的情況也已逐步解決。采用塑性混凝土防滲墻技術可成功改善水利工程防滲加固的問題，與傳統的混凝土防滲墻技術相比，它具有更強的應變性，彈性模量也更低，可有效防止土質壩基出現滲漏情況。

2.上壩水電站工程概況

上壩水電站工程的樞紐部分主要由地下廠房、左岸引水系統、碾壓混凝土重力壩等組成，壩址的河谷是走向顧，右岸是順向坡，坡度約44°，左岸是逆向坡，坡度約為44°，河面寬度在143～148m間，河面高程約為304m。大壩水電站壩高最大可達70.13m，壩頂長達155.28m，壩頂高達356m，壩頂寬達8m，壩基高達286m，壩底寬度最大可達54.42m。水庫建成的正常蓄水位是353m，全部集雨面積為2841km2，水電站裝機總容量為5400kW，常年發電量平均為2217.19×104kW·h。

3.塑性混凝土防滲墻的設計

3.1 防滲體的型式及布置

水電站的防滲體所采用的即是塑性混凝土防滲墻，在對墻頂高程進行建設時，按照水庫洪水位設計為1180.38m，再加上安全超高的高度附加最終為1181.7m。水電站工程的墻底需要在河床與兩岸基巖中嵌入約1m，經測量墻底高程最低為1135.6m。

3.2 有限元計算

3.2.1 基本數據

通過對上壩水電站的測量研究，得出以下基本數據：塑性混凝土物理力學指標：浮容量：1.0～1.3t／m3；容重：2.0～2.3t／m3；彈模：500～800MPa；抗壓強度：2～3MPa；抗滲：W6；水力梯度：60；安全系數：K=6。水庫特征水位：設計洪水位：1180.68m (P=2%)；校核洪水位：1185.2m(P=0.2%)；汛限水位：1177m；正常蓄水位：1180m；死水位：1140m。

關于塑性混凝土的非線彈性指標見表1。

表1 防滲墻塑性混凝土非線性彈性參數表

3.2.2 計算工況及荷載組合

對上壩水電站工程的工況進行計算的情況是水庫正常蓄水，且對壩體的開挖施工工程予以考慮。經計算副壩可選用0+118.5m樁號的斷面。水電站工程的荷載組合主要為墻體自重力與施工過程荷載及正常蓄水后的水作用力。

3.2.3 應力、應變分析

塑性混凝土力學模型：在靜力作用下選用鄧肯-張模型進行強度分析——強度計算依據莫爾-庫侖的強度標準。針對巖土工程在施工步驟與方法的實施，可對其進行模擬跟蹤分析。

一是有限元模型及邊界條件：在防滲墻的上游部分取100m，下游部分取45m，將所有部分劃分為953個三角形狀高精度等參元，節點數6。高精度節理元89個，節點的總數是4120。

二是節理單元參數：對節理單元參數的實際計算如表2。

表2 節理單元參數表

三是計算結果：在進行計算時需要對基巖的風化情況予以考慮，防滲墻墻體的彈模一般選擇500MPa、800MPa、1200MPa等幾類，根據以上所述的理論與參數，對防滲墻在正常蓄水時的變形與應力進行計算。由此可以發現，當墻體的彈性模量為500MPa，防滲墻的墻體最大壓應力σmax即為2.778MPa，其值比抗壓強度指標＜3MPa；當墻體彈性模量為800MPa，σmax即為3.399MPa，高出抗壓強度標準約13.3%：當墻體彈性模量為1200MPa，σmax值高出抗壓強度指標達32.3%；所有墻體都受壓，無拉應力。防滲墻墻體位移：彈性模量越小，變形就越大，水平位移最大值是216.4mm，在淤泥層處出現。

3.3 墻體材料設計

上壩水電站防滲墻嵌入于古河道覆蓋層內，因其后部作為支撐的覆蓋層的延長達3km，下部的基礎為巖石層，所以不會出現整體破壞的情況。

3.3.1 設計指標

塑性混凝土在設計中應遵循其設計指標，主要包括以下幾個方面：初始切線彈性模量：E=800～1000MPa；設計強度指標：抗壓強度R90=4.0～5.0MPa，抗折強度T＞1.5MPa；強度保證率：P=90%；抗滲標號：W6；澆筑地點坍落度：18～22cm(塌落度保持16cm以上的時間應＞1h)；強度離差系數：Cv=0.15；凝結時間：初凝＞6h，終凝＜24h；擴散度：34～40cm；混凝土密度：＞2.1t／m3。

3.3.2 配比試驗采用的原材料

上壩水電站在建設工程中，需與施工的實際情況相結合，對所選用的材料應采取就近原則從而減少工程建設費用。

砂料：選要求含泥量＜1%，細度模數在2.4～2.8間，可選用沙河砂場的黃砂。

水泥：質量要求需與國家標準(GB2938-862)相符合，可選用塔牌生產的4.25號普通硅酸鹽水泥。

膨潤土：質量要求要與石油工業部頒布的標準《鉆進液用膨潤土》(SY5060-85)Ⅱ膨潤土的要求相符合，可選用洋縣生產的膨潤土。

粘土：要求為含砂量＜5%，塑性指數＞20，含粘粒量＞50%，所采用的粘土為工地附近土料場所生產。

用水：必須與水工混凝土拌制所要求的質量相符合。

骨料：含泥量＜0.4%，粒徑在5～20mm之間，可在工地現場進行加工制作。

技術：混凝土的制作有一定的技術要求，在操作中除了要考慮操作程序的簡易度，控制好施工的質量，還必須注重技術層面，根據規范要求使用引氣劑、高效減水劑、緩凝劑等外加劑，以確保質量。

3.3.3 選定施工用配合比

上壩水電站混凝土防滲墻因上下游設計均為軟基，為了應對變形問題，對粘土水泥塑性材料采取了有限元計算。后發現當地的粘土并不符合要求，于是轉而采用膨潤土塑性混凝土防滲墻設計，西北水科所受水電站施工單位的委托對防滲墻施工進行了試驗，給出的材料最終配比為：水為274kg／m3，膨潤土為180kg／m3，砂為707kg／m3，碎石為837kg／m3，水泥為180kg／m3，抗滲度≥S6，混凝土性能為R28=4.05MPa。

4.防滲墻成槽

經過對防滲墻施工設計的修正，防滲墻槽段共為33個，全長達201.3m，其厚度為80cm。在2009年時通過試用沖擊鉆對巖體進行施工，發現對于塊體大硬度高的巖體抓斗成槽機的效能根本無法充分發揮出來，而且還經常出現掉鉆、夾鉆、孔斜等情況，嚴重拖沓了施工的進度。

4.1 機械成槽

上壩水電站施工中段的18個槽段均是使用機械成槽的方法，10號、12～14號及21～28號的槽段選用的沖擊鉆為CZ-22，15～20號的槽段則選用CZ-30沖擊鉆，鉆頭的十字型沖擊錘分別為1.5t和2.5t，主孔為先之后是副孔，主孔應保持間距為1m。

4.2 人工成槽

在一期槽段的兩端設置好混凝土隔墻，在二期槽段時再將隔墻拆掉。在槽段的一端設置供施工者上下的鋼梯，用50m揚程水泵將槽內滲水抽出。針對槽內孤石可采用防水乳膠炸藥將之分解，隨后再用吊土斗配卷揚機將之移除,在對混凝土進行灌注時要由下至上，有秩序地進行分段拆除。

上壩水電站防滲墻在2009年5月1日正式開工，2009年11月12日竣工，工程澆筑防滲墻7955m3，造孔進尺為9408m。通過采用超聲波測量，發現波速平均為2760～3100m／s，強度為3～4MPa，離差系數平均＜5%，僅一個槽段＞5%，由此可見，塑性混凝土防滲墻的確具有較好的連續性與均質性，無明顯缺陷，底部嵌巖與鄰近槽段銜接都非常好。

5.結語

與傳統的普通混凝土技術進行比較，塑性混凝土明顯具有普通混凝土難以相比的優勢，不僅塑性高、強度低，且彈模低、抗滲性能也較好。塑性混凝土價格低廉,對變形有很強的適應能力,而且施工操作簡單，不易產生突發狀況。施工人員運用膨潤土塑性混凝土防滲墻技術成功將副壩防滲的問題予以解決，同時將機械成槽與人工成槽相結合，對超深灌漿管埋設的難題也予以成功解決。

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