重力壩壩內置換混凝土防滲墻技術探討

徐德芳

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院,浙江 杭州 310014)

1 重力壩壩內置換混凝土防滲墻思路

壩內置換混凝土防滲墻是老壩防滲處理的一種有效方法,具體是在壩體中間適當位置開鑿貫穿壩體的空腔槽體,再在其中澆筑具有較好防滲性能的微膨脹混凝土,形成一道防滲墻,以提高壩體的防滲能力.

防滲墻可以是懸掛式,也可以直達壩基.其施工方法為:在大壩下游面向壩體內開挖水平向交通洞,挖至準備修筑防滲墻部位,然后開挖豎直工作井,其高度大于預建防滲墻的高度.在工作井底部(防滲墻最低位置),沿壩軸線方向開挖防滲墻隧道,其高度含防滲墻第一層混凝土高度加上振搗和開挖施工作業所需高度.開挖斷面與老混凝土連接部位可做成鍵槽,斷面可為長方形或其他形狀.澆第一層膨脹高強混凝土,待其凝結并具有一定強度后開挖第二層隧道,澆第二層混凝土,開挖一層回填一層,以此類推,直到形成整個防滲墻.為避免施工過程中可能存在的上游面突發涌水和局部失穩的情況,在防滲墻開挖前需進行壩體帷幕灌漿,截住施工期防滲墻上游滲水,并在運行期形成防滲墻與帷幕灌漿相結合的新防滲體系,在防滲墻下游可做排水措施,達到最佳防滲效果.重力壩壩內置換混凝土防滲墻方案見圖1.目前,國內外尚無工程實例.

2 研究內容

2.1 防滲墻材料

混凝土防滲墻墻體材料主要有剛性和柔性之分.不同的墻體材料能夠承受的荷載及抵抗變形和滲透的能力各不相同,在受到相同水頭以及外力條件下,墻厚也不同.剛性墻體材料發展較早,在實際工程中應用也最廣,主要有普通混凝土、黏土混凝土、粉煤灰混凝土.柔性墻體材料主要有塑性混凝土、自凝灰漿、固化灰漿.

大壩防滲體系的可靠性是關系到大壩安全的關鍵性技術問題之一.為滿足混凝土防滲墻墻體的抗滲性和抗裂性要求,墻體材料既要有較高的強度抵抗高應力,又要成墻混凝土材料分布均勻,避免因施工質量波動而出現薄弱環節.

圖1 重力壩壩內置換混凝土防滲墻方案示意

對于重力壩壩內置換混凝土防滲墻,因結構受力的需要應選用剛性混凝土.置換部位的混凝土應達到 "高強度、高抗滲、微膨脹、低水化熱"的要求,使新老混凝土有機的結合為一體,有效地限制混凝土收縮,防止裂縫的發生,從而使置換部位形成一道新的防滲體系.

為了保證工程安全,實際運用中還需進行其他必要的工程措施,以避免防滲墻在高應力和存在缺陷情況下發生局部損壞而造成失事.結合對國內某工程置換混凝土防滲墻材料的研究,其混凝土技術參數見表1.

表1 置換混凝土技術參數

2.2 防滲墻厚度

在混凝土的設計系數確定之后,合理選擇混凝土防滲墻厚度是個重要問題.防滲墻厚度過大,會造成材料浪費;偏小則不能滿足功能要求,甚至會危及大壩安全.影響防滲墻厚度確定的主要因素有墻體材料、抗滲及耐久性能要求、防滲結構應力應變要求、地質條件、施工條件、環境水質以及類似工程經驗等.在此基礎上,提出防滲墻厚度的確定方法和步驟,通過防滲墻抗滲穩定計算、結構應力應變計算初步確定墻厚,再考慮其他因素后綜合確定防滲墻厚度.

2.2.1 按抗滲及耐久性要求計算厚度

防滲墻的主要功能是防止庫水大量滲漏和由此引起的滲水危及大壩安全,因此防滲墻必須滿足抗滲性和耐久性要求.

防滲墻在滲透壓力作用下,其耐久性取決于機械力侵蝕和化學溶蝕作用,由于這兩種侵蝕破壞作用都與水力坡降密切相關,因此,首先應根據其破壞時的水力梯度來計算防滲墻的厚度B:

式中,H為防滲墻承受的最大水頭;J為防滲墻的允許水力梯度,J=Jmax/K;Jmax為防滲墻破壞時的極限水力梯度;K為安全系數,國內一般采用K=5.

混凝土的極限水力梯度主要取決于水泥用量的大小.剛性混凝土防滲墻的抗滲等級為W4~W8,相應的水力梯度為267~533,考慮安全系數后我國的剛性混凝土防滲墻允許水力梯度采用80~100.

按抗滲性和耐久性計算的墻體厚度是防滲要求的最小厚度,也是墻體初選厚度.參考SL 314-2004《碾壓混凝土壩設計規范》關于防滲層有效厚度的規定及考慮方便施工,一般壩內置換混凝土防滲墻厚度應不小于水頭的1/30~1/15,且不小于2.0 m.

2.2.2 防滲墻厚度對壩體應力和變形的影響

結合國內某工程,對初選的防滲墻厚度按4、3、2 m 3種情況進行有限元仿真計算,然后檢查輸出的防滲墻壓應力、拉應力、剪應力和應變是否超過允許值.如果未超過,說明初選厚度滿足強度要求,否則說明強度不滿足,需逐步加大墻厚重新計算,直到滿足為止.

從防滲墻厚度對壩體變形、壩體應力、壩體抗滑穩定性影響的敏感性分析,可以得出結論:①在施工中,壩頂和壩踵處的水平位移比豎向位移變化要大;隨著墻厚減小,壩頂水平位移的變化呈降低趨勢.這主要是因為墻越厚開挖空間越大,壩體剛度的降低越趨明顯,所以壩體變形也就越大.②施工中,不同的墻厚壩體應力幾乎處于同一水平;施工完成后,結合面上的各向應力也基本處于同一水平,應力值不大.③不同的墻體厚度對整個大壩的抗滑穩定性的影響并不明顯.

根據以上分析成果,混凝土防滲墻厚度選擇4、3、2 m都可行,從大壩加固工程經濟角度出發,壩內置換混凝土防滲墻厚2 m已能滿足抗滲和施工空間要求,且工程量相對較小,經濟上相對合理.

2.3 防滲墻結構布置

防滲墻結構布置是沿壩軸線方向在老壩體內開挖回填形成混凝土防滲墻作為一道新的防滲體系.由于歷史原因,一些老壩混凝土澆筑質量較差,混凝土防滲墻布置不宜太靠近上游面,應有一定的安全距離;也不宜在壩頂直接開挖防滲墻槽口,而應選擇從大壩下游面進洞開挖方式.

防滲墻可以是懸掛式,也可以直達壩基.直達壩基的防滲墻,其基礎面應清理至完整基巖,其底部伸入基礎深度根據基巖地質情況以不小于0.5 m確定.防滲墻強度等級應與老壩相近,一般為C20W8F100.為了使新老混凝土協同工作,在防滲墻上游面布置錨筋和鍵槽,下游面布置鍵槽,可不設錨筋.

壩內布置防滲墻時,橫縫布置與原壩體相同.防滲墻所有橫縫止水在離防滲墻上游面0.5 m處開始布置2道紫銅止水片.防滲墻后與老混凝土間設多孔排水管,管徑9 cm,間距3.0 m,施工時應保持排水設施通暢.排水管管頂在防滲墻頂部,管底均與防滲墻后新設的灌漿廊道同高并與之連通,形成一道密集的壩體排水管幕.在混凝土防滲墻后基礎部位,在壩體防滲墻下游面增設一條縱貫全壩的基礎灌漿廊道,廊道上游壁距上游防滲墻面的距離為2~3 m,并在廊道內新增基礎帷幕灌漿和基礎排水孔.防滲墻滲水通過新增設的灌漿廊道內排水孔排向壩下游.

為了解防滲墻運行是否正常及水平施工縫、新老混凝土的結合情況、新混凝土變形及周邊老混凝土的應力、新澆筑混凝土溫度、混凝土內應變等,在防滲墻內應埋設一定數量的觀測儀器進行觀測.

3 置換混凝土防滲墻與原壩體協同工作分析

為了保證施工后置換的混凝土防滲墻與壩體能夠共同工作,需研究新老混凝土的協同工作性能.根據置換混凝土防滲墻工程的特點和既有的新老混凝土之間協同工作的試驗和理論,結合面的工作性能由抗剪能力所決定.而新老混凝土結合面的抗剪性能又隨摩擦系數和材料間粘結力而改變,研究防滲墻與原壩體協同情況,需計算并分析不同結合面粘結性能下壩體的應力和變形分布情況,重點關注防滲墻部位上、下游側位置處的應力情況 (含正應力和剪應力的變化),從而確定新老混凝土之間的粘結性能和相互作用關系.

同濟大學針對國內某工程對置換混凝土與壩體協同工作性能進行了數值模擬,并以應力狀況和壩體的變形協調為判定的依據,比較不同計算工況的協同工作性能,包括無鍵槽和設置鍵槽工況.

3.1 性能評價標準

(1)粘結面粘結狀態分析.如果置換混凝土防滲墻和壩體混凝土的粘結面與壩體混凝土粘結狀態好,無相對滑移,則協同工作性能最好.如果粘結面有相對滑移,要分析相對滑移的位移大小和粘結面開裂位置,從而定性的說明壩體的協同工作性能.

(2)壩體應力分析.通過計算得到結合面的最大剪應力,與結合面的抗剪能力進行比較,判斷結合面剪應力是否在承載范圍內.分析壩體應力分布是否均勻,比較各種計算工況下受拉區面積和結合面上主應力的大小,受力均勻且沒有較大的受拉區的工況整體性比較好.

(3)壩體位移分析.主要分析壩體的垂直方向的位移,觀察壩體變形云圖是否圓滑連續,是否有相對位移.壩體整體變形協調,且原有裂縫受到惡化影響小的為優選工況.

3.2 主要研究成果

(1)粘結面受力情況.①通過主應力的對比分析,壩體的置換混凝土結合面均以受壓為主,且上游面主應力比下游面大.有鍵槽工況的主壓應力高于無鍵槽工況,主要是由于設置鍵槽后,壩體的整體性能大為提高,壩體應力傳遞更為完全.②通過剪應力的對比分析,壩體防滲墻中間位置剪應力最大.有鍵槽結合面能很好地傳力,增加鍵槽會大大降低結合面的剪應力,提高結合面抗剪性能.

(2)粘結面變形結果.①從結合面單元的結合情況上分析,壩段無鍵槽和有鍵槽工況均存在不同程度的結合面開裂和相對滑移,但有鍵槽工況相對較好.②從壩體的整體變形協調的角度分析,協同工作性能好的工況壩體變形協調,變形曲線連續結合面無相對滑移.壩體的整體變形曲線隨著結合面粘結性能提高而越加連續.③從粘結面變形分析,壩段的結合面結合狀況還不能滿足新老混凝土的協同工作的要求,應設置鍵槽提高結合面的粘結能力,增強其協同工作性能.

綜上所述,對于不同的摩擦系數和有無粘結力作用工況比較分析,在無粘結作用情況下,新老混凝土結合面抗剪承載力無法抵抗界面剪應力.考慮粘結力時 (粘結力達到0.3 MPa的工況需要摩擦系數達到0.4以上,粘結力達到0.5 MPa的工況只要摩擦系數達到0.1以上即可抵抗界面剪應力),新老混凝土結合面協同工作性能良好.若粘結面性能達不到上述要求,可設置鍵槽以提高置換混凝土壩的協同工作性能.

對于設置鍵槽的工況,大壩整體受力均勻且粘結面粘結變形協調,僅在局部位置產生較小的拉應力.從改善混凝土粘結性能和有效提高壩體整體性能出發,建議防滲墻設置鍵槽.

對于新老混凝土結合面,0.3 MPa的粘結力就能達到抗剪切的要求,不需要增加界面粘結劑.同時根據不同鍵槽深度工況的對比可知,0.3 m深的鍵槽足以使置換混凝土工程達到良好協同工作的要求.同時,考慮施工因素,建議上游面新老混凝土之間設置錨筋.

4 結 語

目前國內外尚無重力壩壩內置換混凝土防滲墻的工程實例,本文提出的技術思路是一種新的綜合性病險壩修復措施,方案的施工可行性、置換混凝土防滲墻后的防滲效果、防滲墻與壩體協調作用、溫控及防裂技術、新材料新工藝的應用等一些關鍵技術問題仍需進行深入研究和論證.

[1] 中國水電顧問集團華東勘測設計研究院.混凝土重力壩綜合治理關鍵技術研究成果報告[R].杭州:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院,2012.

[2] 同濟大學.典型壩段置換混凝土防滲墻與壩體協同工作數值分析[R].上海:同濟大學,2008.