新疆烏蘇市某水庫(kù)第四系深厚覆蓋層透水壩基防滲設(shè)計(jì)

王永偉

(新疆塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院，新疆塔城 834700)

1 背景資料

新疆某水庫(kù)大壩處在峽谷區(qū)，壩址河床段寬約80 m，河床覆蓋層地層巖性為卵石混合土，據(jù)鉆孔資料，該層厚28.6～58.2 m，巖性分布穩(wěn)定，僅局部夾薄層礫砂透鏡體，無(wú)淤泥、砂等軟弱夾層。該層天然密度1.96～2.13 g/cm3，相對(duì)密度Dr=0.35 ～0.69，縱波速度Vp=1 351 ～1 790 m/s。根據(jù)地震面波速度把河床覆蓋層自上而下分為3個(gè)小層:①表層(＞2.5 m)，結(jié)構(gòu)松散，面波速度 Vr=140～250 m/s;②中部(2.5～23 m)，結(jié)構(gòu)稍密 ～中密，面波Vr=260～550 m/s;③下部(＜23 m)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，面波Vr=800～880 m/s，具弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，該覆蓋層滲透系數(shù)2.32×10－2～7.52×10－3cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水性，做壩基應(yīng)采取防滲處理措施。壩基允許承載力400 kPa，變形模量35～45 MPa。工程區(qū)地震設(shè)防烈度Ⅷ度。

2 透水壩基防滲型式的選擇

在透水壩基防滲處理中，防滲型式大體上分為兩種:①水平防滲(主要是上游水平防滲鋪蓋);②垂直防滲(包括防滲墻、防滲帷幕灌漿以及兩者之間多種組合型式等)。水平防滲具有施工簡(jiǎn)便、建造成本低，但其只能起到延長(zhǎng)滲徑的作用，不能像垂直防滲設(shè)施那樣可以完全截阻滲流，防滲效果有一定限度，而且其運(yùn)行和后期維護(hù)都存在一些問(wèn)題，不適用于地層條件復(fù)雜、滲流系數(shù)較大且防滲要求較高的大中型工程;垂直防滲可以在壩基形成完整的墻(幕)體，能夠完全截?cái)鄩位鶟B流，而且地層的適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，也便于后期維護(hù)和檢修，是大多數(shù)水利工程采用的防滲型式。由于垂直防滲技術(shù)在深厚砂礫石層防滲處理方面具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在我國(guó)水庫(kù)大壩地基防滲處理中應(yīng)用較為廣泛。在技術(shù)可能、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用垂直防滲方案。

結(jié)合本水庫(kù)壩基河床段覆蓋層地層條件，壩基為強(qiáng)透水的深厚砂礫石覆蓋層，最深達(dá)58.2 m，且壩基防滲要求較高，因此本水庫(kù)工程壩基防滲推薦采用垂直防滲型式。結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建工程的成功經(jīng)驗(yàn)，本水庫(kù)工程壩基垂直防滲處理采用槽孔混凝土防滲墻和巖基帷幕灌漿兩者組合的型式。

3 槽孔混凝土防滲墻定義及優(yōu)缺點(diǎn)

混凝土防滲墻是在松散透水地基或土石壩(堰)壩體中連續(xù)造孔成槽，以泥漿固壁，在泥漿下澆筑混凝土而建成的，起防滲作用的地下連續(xù)墻，是保證地基穩(wěn)定和大壩安全的工程措施。槽孔是為澆筑防滲墻墻段而鉆鑿或挖掘的狹長(zhǎng)深槽。與其它防滲型式比較起來(lái)，混凝土防滲墻有如下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):①防滲性能和效果可靠;②墻體的滲透和力學(xué)性能可根據(jù)地層和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制;③成孔、成墻的垂直精度高，成墻的厚度有保證;④施工方法成熟，檢測(cè)手段比其它隱蔽工程成熟，可以確保達(dá)到預(yù)期的目標(biāo);⑤可適應(yīng)于各種地質(zhì)條件，盡管施工有難易之分，但以目前的技術(shù)都可建成防滲墻;⑥施工的技術(shù)要求較高，價(jià)格可能較高。

4 槽孔混凝土防滲墻墻體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定

4.1 墻體材料的選擇

槽孔混凝土防滲墻墻體材料根據(jù)其抗壓強(qiáng)度和彈性模量，可以分為剛性材料和柔性材料。剛性材料一般抗壓強(qiáng)度＞5 MPa，彈性模量＞2 000 MPa，有普通混凝土(包括鋼筋混凝土)、黏土混凝土、粉煤灰混凝土等。柔性材料一般抗壓強(qiáng)度＜5 MPa，彈性模量＜2 000 MPa，有塑性混凝土(砂漿)、自凝灰漿、固化灰漿等。結(jié)合本水庫(kù)工程壩基覆蓋層特點(diǎn)，覆蓋層較深，要求其防滲墻有較高的抗壓強(qiáng)度，還要有較強(qiáng)的適應(yīng)地基變形的能力，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)合理和混凝土澆筑施工方便等因素。而黏土混凝土是在混凝土中摻加一定量的黏土，不僅可以節(jié)約水泥用量，還可降低混凝土的彈性模量，使混凝土在保證較高抗壓強(qiáng)度的情況下具有更好的變形性能，同時(shí)也改善了混凝土拌和物的和易性，使?jié)仓r(shí)不易堵管。黏土混凝土早期強(qiáng)度較低，特別有利于接頭孔的鉆鑿，給施工帶來(lái)了很大的方便。在我國(guó)已修建的防滲墻中約76%用的是黏土混凝土，黏土的摻加率一般為水泥和黏土總重量的12%～20%。綜上所述，本水庫(kù)工程壩基槽孔混凝土防滲墻墻體材料推薦采用黏土混凝土。

4.2 墻體厚度的確定

墻體厚度主要由防滲要求、抗?jié)B耐久性、墻體應(yīng)力和變形以及施工設(shè)備等因素確定，其中最重要的是抗?jié)B耐久性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩個(gè)因素。防滲墻在滲透作用下，其耐久性取決于機(jī)械力侵蝕和化學(xué)溶蝕作用，由于這兩種侵蝕破壞作用都與水力梯度密切相關(guān)，因此目前在防滲墻設(shè)計(jì)中是根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力梯度來(lái)確定防滲墻厚度δ的，即:

式中:δ為防滲墻的墻體厚度，m;Jp為防滲墻的允許水力梯度;H為防滲墻的設(shè)計(jì)水頭，m。

本水庫(kù)工程防滲墻的設(shè)計(jì)水頭H=64.53 m;根據(jù)文獻(xiàn)［5］規(guī)定，黏土混凝土防滲墻允許水力梯度Jp為80～150。經(jīng)計(jì)算，δ=0.43～0.81 m。結(jié)合我國(guó)已建類似大型混凝土防滲墻工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，見(jiàn)表1，同時(shí)結(jié)合本工程壩基覆蓋層地層條件，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合比較分析，最終確定本水庫(kù)工程壩基槽孔混凝土防滲墻的厚度為0.8 m，最大墻深為54.0 m。

表1 我國(guó)部分已建大型混凝土防滲墻工程情況表 m

4.3 混凝土防滲墻抗壓強(qiáng)度及彈性模量的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［5］規(guī)定，黏土混凝土防滲墻抗壓強(qiáng)度為7.0～12.0 MPa、彈性模量為12 000～20 000 MPa。結(jié)合本工程壩基槽孔混凝土防滲墻特點(diǎn)，為保證其有較高的強(qiáng)度，同時(shí)還具有較高的適應(yīng)變形能力，經(jīng)室內(nèi)黏土混凝土防滲墻配合比試驗(yàn)和施工現(xiàn)場(chǎng)配合比復(fù)核，最終確定本水庫(kù)工程壩基槽孔混凝土防滲墻設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為10.0～12.0 MPa，設(shè)計(jì)彈性模量為12 000～18 000 MPa。

4.4 混凝土防滲墻抗?jié)B等級(jí)的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［5］規(guī)定，黏土混凝土防滲墻抗?jié)B等級(jí)≥W4、滲透系數(shù)≤7.8×10－9cm/s。結(jié)合本工程壩基槽孔混凝土防滲墻特點(diǎn)，壩前設(shè)計(jì)水頭為64.53 m，防滲要求較高，經(jīng)室內(nèi)黏土混凝土防滲墻配合比滲水試驗(yàn)和施工現(xiàn)場(chǎng)配合比復(fù)核，最終確定本水庫(kù)工程壩基槽孔混凝土防滲墻設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)為W8。

5 結(jié)論

截止發(fā)稿日，本水庫(kù)工程壩基槽孔混凝土防滲墻已施工完畢，經(jīng)開(kāi)挖檢查和現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)，防滲墻墻體厚度平均值為0.82 m，抗壓強(qiáng)度平均值為12.4 MPa，彈性模量平均值為15 567.15 MPa，滲透系數(shù)平均值為 1.81 ×10－9cm/s，均滿足設(shè)計(jì)要求。目前，本工程壩基槽孔混凝土防滲墻已順利通過(guò)隱蔽工程驗(yàn)收。2012年06月水庫(kù)蓄水后至今，防滲墻各方面運(yùn)行良好。

［1］高鐘璞.大壩基礎(chǔ)防滲墻［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2000.

［2］楊光熙.砂礫石層地基防滲工程［M］.北京:水利電力出版社，1993.

［3］宋玉才.砂礫石地基垂直防滲［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009.

［4］叢藹森.地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2000.

［5］DL/T 5199—2004水電水利工程混凝土防滲墻施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.