塑性混凝土防滲墻的設計分析

鄧騰飛

（陜西水環境工程勘測設計研究院,陜西 西安 710018）

1 項目概況

團結水庫位于定軍山鎮溝口村茨角壩村,養家河左岸二級支流青山溝上,青山溝匯入廟溝河,壩址以上流域面積5.46 km2,主河道長5.17 km,平均比降64‰；本次復核總庫容125.15 萬m3,是一座以灌溉為主,兼有防洪、水產養殖效益的Ⅳ等小（1）型水庫。團結水庫灌溉面積1700 畝,水庫防洪標準為30 年設計、300 年校核。主要由大壩、溢洪道、放水設施等建筑物組成。水庫現狀最大壩高25.5 m,為粘土心墻土壩,壩頂高程755.33 m～755.60 m,壩頂寬度4.0 m～5.5 m,壩頂長71.5 m。

2 大壩防滲墻設計

2.1 大壩滲流復核

根據調洪計算成果,在設計洪水位及校核洪水位工況下,水庫均可在短時間內完成泄洪,壩內無法形成穩定滲流,因此本次計算根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）及本工程實際情況,確定大壩計算工況為：1）上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；2）校核水位降落時上游壩坡穩定最不利的情況。根據地質章節壩體土力學性質指標和建議值,以及地質經驗值,滲流計算參數和抗滑穩定計算參數見表1和表3。

表1 滲流計算參數表

復核現狀壩體滲流計算結果見表2。

表2 本次復核現狀壩體滲流計算結果

（1）壩體穩定滲流工況下,最大單寬滲漏量為13.54 m3/（d·m）,壩長71.5 m,壩體總滲漏量為968 m3/d,壩體坡面無出逸點,浸潤線經過排水棱體中下部延伸至下游。

（2）壩體非穩定滲流工況下,最大單寬滲漏量為15.51 m3/（d·m）,壩長71.5 m,壩體總滲漏量為1109 m3/d,壩體坡面無出逸點,浸潤線經過排水棱體中下部延伸至下游。

綜上,在各工況下壩體坡面無出逸點,浸潤線經過排水棱體中下部延伸至下游,壩體滲流安全。

2.2 大壩穩定復核

大壩穩定計算參數按照本次《地質報告》提供的參數進行復核,經過計算,抗滑穩定計算結論與安全鑒定結論一致,均滿足規范要求。

大壩抗滑穩定分析計算按《碾壓式土石壩設計規范》要求,采用簡化畢肖普法,采用“河海大學力學研究所工程力學系開發的AutoBank7.3.7”計算軟件進行計算,計算公式如下：

式中：b 為條塊寬度；w 為土條重量；v 為垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）；u 為作用于土條底面的空隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R 為圓弧半徑；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標。

根據《碾壓式土石壩設計規范》及本工程實際情況,確定大壩計算工況為：①正常蓄水位穩定滲流時上、下游壩坡穩定計算；②校核洪水位至正常蓄水位降落期上游壩坡穩定計算；③正常運用條件下遇地震的上、下游壩坡穩定計算。計算參數取值見表3,計算結果見表4。

表3 大壩穩定計算參數

表4 大壩穩定復核結果表

復核計算各種工況的大壩穩定,上下游壩坡穩定安全系數均滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》規定的相應安全系數要求值。

綜上,本次復核,上下游壩坡穩定安全系數均滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》和《碾壓式土石壩設計規范》規定的相應安全系數要求值。

2.3 塑性混凝土防滲墻設計

防滲墻軸線平行于壩頂軸線在壩頂上游側布置,墻體厚度0.60 m。混凝土澆筑前泥漿性能指標見表5。

配置泥漿用水按規范《混凝土用水標準》（JGJ 63-2006）規定,泥漿拌制方法及時間通過試驗確定。

考慮到成槽槽孔經過粘土、石渣、基巖等地層,采用鉆抓成槽法。槽孔孔斜率不大于4‰。槽孔建造結束后,應進行終孔質量檢驗,合格后再進行清孔。清孔檢驗合格后,應于4 小時內開澆混凝土。混凝土終澆高程高于設計墻高（754.40 m）0.5 m～1.0 m,不低于754.90 m。

塑性混凝土設計抗壓強度標準值采用5 MPa,塑性混凝土配置強度Cv值0.29,保證率取97.7%,概率度系數2.0,塑性混凝土配置強度宜為12 MPa 以下。防滲混凝土墻彈性模量為地基彈性模量1～5 倍,一般不大于2000 MPa,極限變形1%～5%。一期槽段混凝土7d 強度不宜大于10 MPa。28 天抗壓強度宜為1 MPa～5 MPa,初始切線模量300 MPa～600 MPa（最大1000 MPa）,彈強比為150～500。滲透系數不大于1×10-6cm/s。滲透破壞坡降200 以上。墻體材料擴散度為330 mm～450 mm,入孔坍落度為190 mm～210 mm,塌落度保持150 mm 以上的時間不小于1h；初凝不小于6 h,終凝不宜大于24 h；塑性混凝土膠凝材料不少于240 kg/m3,水膠比不大于0.65,其中砂率不小于45%,膨潤土用量不少于40 kg/m3,水泥用量不少于80 kg/m3,水泥與膨潤土的合計用量不少于160 kg/m3,塑性混凝土采用一級配骨料。

壩體下游壩坡滲漏問題,設計采用塑性混凝土防滲墻措施,與壩體左側塑性防滲墻連接,壩前形成一道完整的貫通左右的塑性混凝土防滲墻。壩體防滲墻接設計樁號0+035（壩中踏步右側電桿處）,右側溢洪道邊墻（0+000）,長35 m（0+000～0+035）。防滲墻深度至基巖面,防滲墻頂部高程不低于校核洪水位754.40 m。

采用塑性混凝土防滲墻,墻厚0.60 m,塑性混凝土防滲墻設計抗壓強度標準值采用5 MPa,配置強度12 MPa 以下,28 天抗壓強度1 MPa～5 MPa。采用鉆抓成槽法。

塑性混凝土比普通混凝土彈性模量小太多,其與周邊巖土體變形模量相接近,極大地減小了墻體內的應力,避開了墻體開裂,節約水泥材料。優點：塑性混凝土技術比較成熟；墻厚可達0.6 m～2.0 m,適應各種地層,施工簡便,結構可靠、防滲效果好,在國內外得到了廣泛應用。結構可靠、防滲效果好、適應各類地層條件、施工簡便以及造價低等優點,尤其是在處理壩體滲漏、壩后流土、管涌等滲透變形隱患問題上效果良好,一般在處理水利水電覆蓋層及土石壩體或土石圍堰等有防滲壓力的防滲處理措施首選防滲墻。耐久性較好,防滲效率較高,安全可靠。缺點：墻體偏厚,塑性防滲墻強度和抗滲性較低,施工現場場面鋪設過大、對原壩體擾動較大、速度慢、施工工期偏長。

塑性混凝土防滲墻方案能夠解決粘土心墻質量差,壩殼填筑質量差產生的滲漏問題,以及壩后滲水問題,心墻頂部高程不足產生的滲漏問題等,技術成熟,截滲質量可靠,效果好。

3 結語

勉縣團結水庫出險加固工程對壩體防滲方案進行了多方案比選,塑性混凝土防滲墻是由多種建筑材料拌和而成,水泥用量很少,具有低強度、低彈模、大應變和大流動性等特性的混凝土地下防滲墻。通過降低浸潤線起到壩體防滲的目的,通過國內外類似工程實踐證明其投資相對較小,結構可靠、防滲效果好、適應各類地層條件、施工簡便。尤其是在處理壩體滲漏、壩后流土、管涌等滲透變形隱患問題上效果良好,一般在處理水利水電覆蓋層及土石壩體或土石圍堰等有防滲壓力的防滲處理措施首選防滲墻。