淺析通江縣方田壩槽孔混凝土心墻土石壩擴建工程

向輝+張舒婷+羅喬

摘 要：方田壩水庫位于通江縣方山村內，屬于在建小（1）型水庫，具有城鄉供水、農業灌溉及抗旱應急等功能。大壩正常蓄水位577.5m，壩頂高程581m，頂寬6m，壩長365m，最大壩高41.5m，最大壩底寬194.9m，心墻位于壩體中部偏上游1.5m，厚0.8m。土石壩壩體在老壩基礎上填筑而成，剛性混凝土心墻作為新建土石壩的增強體在國內屬首例，無相應參考資料和設計規范。現有設計規范和傳統施工工藝無法滿足擴建工程需要，所以大壩設計、施工、監測均面臨挑戰。

關鍵詞：混凝土心墻；國內首例；創新挑戰

近幾年，農村水利水電工建設正在不斷深入，其工程都有壩體不高、工程周期短、地形地質條件復雜、交通不便、運輸成本高等特點，受各種因素制約，土石壩成為最具競爭力的壩型。但是60%以上土石壩都存在滲漏、穩定、裂縫、白蟻侵蝕等各種病險隱患。國內土石壩心墻多采用瀝青心墻、瀝青混凝土心墻、粘土心墻等，其大多出現變形開裂及水力劈裂破壞等現象，滲漏嚴重。本工程采用先填筑壩體自然沉降3月后掏槽澆筑心墻方法，剛性混凝土增強體土石壩的興建目前缺乏可借鑒經驗，在設計經驗、施工程序和技術、檢測監測及運營管理均需開展研究，尤其壩體及心墻的滲流穩定安全問題。其興建和研究有助于四川乃至全國類似土石壩新建提供參考和指導。

1 本工程特點

（1）一種新型工藝，槽孔混凝土心墻作為新建土石壩增強體屬國內首例，既是防滲體系，又是結構體，不僅利于提高土石壩防滲及安全穩定性能，同時能夠發揮受力及變形性能，無參考資料和設計規范可尋。

（2）壩體以砂巖為填筑料，其遇水易軟化，壩殼與心墻變形協調性問題突出。

（3）80cm厚砼心墻及壩體承受40m高水頭壓力，心墻面臨滲流和水力劈裂等問題。

（4）壩址區右岸邊坡高陡、覆蓋層厚達10m，壩體本身呈左窄右寬棒球桿形，壩體與心墻的變形不僅受到自身變形特性和形狀影響，還受兩岸壩肩的約束和覆蓋層固結沉降的影響。

（5）本工程為擴建工程，大壩是在老壩上填筑，受老壩建造時技術、經濟條件限制，壩肩壩基繞滲問題突出。

（6）大壩采用先整體填筑壩殼料，后通過中間掏槽泥漿固壁下澆筑心墻新施工工藝。受空間限制，混凝土心墻澆筑、儀器埋設及成活率保證均面臨挑戰。

2 研究方向及思路

（1）增強體土石壩三維變形協調研究：探究初期蓄水砂巖料遇水軟化后壩體穩定性問題，心墻與柔性壩殼料及壩基覆蓋層和壩肩之間的變形協調性。

借助于三維激光掃描技術、壩坡變形觀測墩及壩體內沉降環等監測設備，通過NURBS算法和空間向量差值計算思想，獲取大壩“三維變形情況”，尤其壩體與壩肩接觸部位、壩殼區與心墻區變形協調問題。分析“三維變形場”演化規律，為壩體變形穩定與協調性作出風險評價。

壩體與心墻變形受自身特性和形狀的影響，還受兩岸壩肩的約束和覆蓋層固結沉降作用，且心墻與壩肩、壩基、防滲帷幕相連也會受到變形影響，因此必將壩體、壩肩、壩基、防滲帷幕作為一個整體，研究其聯合變形協調性。

本工程壩體各分區材料不過渡，剛性砼心墻增強體和柔性壩殼區變形特性相差大，接觸面必定存在較大錯動變形，不能按連續變形考慮，這里引入離散元思想，將壩殼區與心墻區考慮成有接觸面的分離式變形體，通過3DEC結合三維激光掃描獲取三維模型，采用離散元仿真模型研究壩體變形協調性。

（2）槽孔砼心墻增強體土石壩施工及運行期滲流與穩定性分析：研究壩體防滲體系完好和增強體變形開裂兩種情況下大壩滲流問題，為大壩初期蓄水期運行穩定及滲流穩定提供理論支持。

防滲體系完好情況下，通過大壩幾個典型斷面先進行二維滲流分析，考慮不同工況下防滲體系類別、心墻體系及厚度對壩體滲流量、浸潤線、孔隙水壓等的影響。進一步通過三維滲流穩定分析心墻-帷幕聯合體系下整體三維滲流穩定，研究滲流對壩體壩坡變形和穩定性影響，論證槽孔混凝土作為新建土石壩心強的可行性。防滲體系開裂情況下，主要考慮心墻、帷幕變形開裂和接頭處理不當情況下開裂規模、程度及裂紋分布情況對大壩滲流穩定的影響。

通過填筑料大三軸試驗、鉆孔取芯、現場點荷載、聲波測試、滲透試驗等獲取各個區域應力應變曲線、強度、滲流參數等現場數據，采用離散元和有限元相結合計算模式，對聯合防滲體進行變形穩定及滲流穩定三維數值仿真計算。

（3）槽孔砼心墻結構變形開裂及水力劣化研究：通過心墻增強體在施工期和運行期應力應變特性分析，可能出現變形、水力劈裂等，論證心墻的安全性以及為為預防補救提供措施。

通過鉆孔取芯，進行心墻混凝土抗拉強度試驗，獲得計算參數，結合現場測斜、應力測試數據，分析心墻應力變形特性。同時采用非線性三維有限元數值仿真計算方法，考慮壩肩約束、覆蓋層對心墻影響，建立心墻-壩體-地基耦合系統，從而心墻安全性做出評估。

心墻在澆筑過程中難免會產生微裂紋、蜂窩麻面等質量缺陷，由于水的存在，一是裂紋尖端的斷裂韌度劣化，二是水會在裂紋內部產生向外的擴展應力，加劇心墻開裂。對此，采用非線性有限元模擬微裂紋的數目、寬度、分布情況等砼心墻的水力劣化效應。同時根據現場監測，改進計算模型和參數，直到計算結果符合實際情況。

3 心墻施工難點及措施

（1）強漏失地層難成槽。壩基覆蓋層存在架空漏漿地層，心墻施工易發生漏漿甚至塌孔現象。本工程心墻施工標段期間，發生大大小小塌孔漏漿數十次，造成工程進度滯后，損耗大量材料，人力和設備。對此，心墻施工采用固壁泥漿采用新型MMH正電膠、合理劃分單幅槽段、回填黃土，膨潤土堵漏或利用地質鉆機鉆孔灌漿、鉆抓法成糟避免主副孔漏漿連帶效應等措施。

（2）孔斜率難控制。深墻造孔中易偏斜超標，孔斜率由主孔主導，每鉆進不超過2m必測孔斜率是否超標。

（3）陡坡嵌巖。右壩肩心墻處存在陡坡基巖面，沖擊鉆進時，鉆頭易偏斜，溜鉆。施工時采用平底鉆頭，低沖程沖擊，單幅槽段基巖面由高到低部位鉆進；施工至覆蓋層基巖陡坡段，孔內下設定位器、爆破筒，爆破產生臺階或凹坑，用XY-Z型地質鉆機，下置爆破筒，提升進行爆破，后用沖擊鉆粉碎至終孔。

（4）壩體為新填筑土石壩，存在較大變形沉降，心墻接頭連接是施工關鍵。本工程采用“接頭管法”，即一期槽孔清孔換漿后，在槽孔端頭下設接頭管，并保證孔斜率不超標，混凝土澆筑后根據混凝土初凝情況起拔接頭管形成終孔，二期槽段澆筑混凝土時，接頭孔靠近一起槽孔側壁形成圓弧形接頭，墻段形成有效連接。

方田壩剛性混凝土土石壩工程施工是結合當地地質，施工條件等實踐了得新技術，給當地人名帶來福利的同時，也為以后此類壩型設計、施工、運行等提供了理論支持。

參考文獻

[1]崔金鐵.土石壩澆筑式瀝青混凝土心墻設計與施工技術研究[D].大連理工大學，2002.

[2]付明.土石壩澆筑式瀝青混凝土防滲心墻施工新技術的應用[J].黑龍江水利科技，2013，41（06）：34-36.