堆石混凝土重力壩壩體防滲設計

陳煥民

黔東南州水利投資（集團）有限責任公司，貴州凱里 556000

0 前言

某水庫工程主要任務是提供灌溉用水和生活用水，水庫總庫容1 518萬m3，大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高71 m，壩頂總長148 m，壩頂寬6 m；壩體設有永久性橫縫，橫縫間距為15～20 m，由壩基貫通壩頂；壩體上游防滲層為二級配C25高自密實混凝土，厚0.80 m，防滲等級W10，抗凍等級F100。基礎排水廊道為城門洞形，斷面尺寸1.80 m×2.50 m，全長106 m，采用50 cm 厚C25 高自密實混凝土襯砌；基礎強約束區岸坡段采用C15高自密實混凝土，厚0.60 m，防滲等級W6，抗凍等級F50；其余部位采用C15堆石混凝土，防滲等級W4，抗凍等級F50。

1 壩體防滲設計方案

現行行業標準SL 678-2014（以下簡稱“導則”）第5.5 節對膠結顆粒料壩（包括堆石混凝土壩和膠凝砂礫石壩兩種壩型）的壩體防滲做出了具體規定，其中第5.5.2 條提出膠結顆粒料壩防滲設計的共性要求，第5.5.4 條是在共性要求的基礎上提出堆石混凝土壩防滲設計的具體要求。此工程采用防滲自密實混凝土與防滲堆石混凝土共同構建大壩防滲體系的設計方案。

1.1 防滲層材料抗滲等級及防滲層厚度確定

根據導則第1.0.3條規定，當堆石混凝土壩的壩高超過70 m時，應補充必要的專題論證。因此在第5.2.2 條防滲設計的一般規定中，僅針對防滲層承壓水頭H＜30 m和30 m≤H＜70 m這兩種情況提出了抗滲等級分別不低于W4 和W6 的要求，而未對H≥70 m時防滲層的抗滲等級進行規定。

本水庫大壩防滲層最大承壓水頭為70 m，結合現行水利行業規范針對70 m壩高的壩體防滲層材料抗滲等級采用W10相對安全。試驗研究表明自密實混凝土具有優良的抗滲性能，在強度等級較低時其抗滲等級也較高，因此選定W10作為此工程防滲自密實混凝土的抗滲等級。此外，第5.2.2條還規定了防滲層底部厚度宜為最大水頭的1/30～1/60，此工程從偏安全考慮出發，將大壩防滲層厚度取為2.50 m，為最大水頭的1/28。

1.2 防滲自密實混凝土厚度確定

根據導則第5.5.4 條規定，防滲自密實混凝土厚度宜為0.30～1 m。結合以往工程經驗，自密實混凝土的膠凝材料用量較高，水化熱溫升和自生體積變形較大，若防滲自密實混凝土過厚容易增加其開裂風險。因此，此工程防滲自密實混凝土厚度取0.50 m，對應由同標號自密實混凝土填充的防滲堆石混凝土厚度為2 m，如圖1所示。

圖1 防滲層示意圖

防滲層澆筑采用自密實混凝土與堆石混凝土一體化澆筑工藝，澆筑過程中部分防滲自密實混凝土流入壩體內部普通堆石混凝土區域，進而增加壩體防滲層厚度的安全裕度。

1.3 壩體防滲層水平施工縫技術要求

自密實混凝土和堆石混凝土本體均具有優良的抗滲性能，壩體防滲的薄弱環節是堆石混凝土水平施工縫面。堆石混凝土拱壩對層間結合性能要求更高，為了提高層間堆石裸露面積，拱壩工程多數采用塔吊進行堆石，水平施工縫面處理效果良好，大壩堆石混凝土的密實性、防滲性和層間結合質量均滿足設計要求，部分蓄水拱壩工程壩體壓水試驗數據統計見表1。

表1 部分蓄水拱壩工程壩體壓水試驗數據統計表

對于堆石混凝土重力壩，考慮汽車入倉堆石與倉面塊石外露之間的協調關系，提出壩體防滲層水平施工縫技術要求：

在施工縫面的上、下游側設置堆石外露區，外露堆石高出混凝土澆筑面50～150 mm，露出部分不超過堆石自身高度的1/3，堆石露出的投影面積不小于外露區面積的20%；

堆石外露區在平行壩軸線方向貫穿整個壩段，分別布置于上、下游側，每側的范圍不小于2.50 m，具體布置參見圖2。

圖2 水平施工縫面堆石外露區平面示意圖

2 壩體防滲設計復核

根據上述擬訂方案，復核設計的防滲層抗滲等級與厚度是否滿足SL 319-2018及SL 678中的相關規定要求。

2.1 滿足SL 319-2018防滲層混凝土水力坡降與防滲等級的要求

SL 319-2018 第8.5.4 條規定了防滲層混凝土抗滲等級應根據其所在部位的水力坡降i確定，根據本工程防滲設計方案，分別從下列3種情況進行復核：

假設2.50 m 防滲層均勻承擔全部水頭，計算水力坡降i=28，根據SL 319-2018的規定，防滲層材料抗滲等級取W6即可滿足要求。此工程防滲層抗滲等級取W10，表明防滲設計方案足夠安全。

假設防滲自密實混凝土和防滲堆石混凝土各自承擔部分水頭，已知自密實混凝土抗滲等級為W10，堆石混凝土的抗滲性能相較于自密實混凝土稍有下降（骨料粒徑過大后，過長的膠結面使得抗滲性能有所降低），防滲堆石混凝土抗滲等級取W6。計算二者可抵御的水頭高度見表2，結果顯示此防滲設計方案至少能夠抵抗85 m 水頭，表明此防滲設計方案足夠安全。

表2 防滲自密實混凝土取不同水力坡降下防滲設計方案可抵御水頭高度表

僅考慮0.50 m防滲自密實混凝土防滲的最不利工況，對應水力坡降i=140＞50，其抗滲設計等級W10也滿足規范要求。

2.2 滿足SL 678承壓水頭與防滲厚度的要求

SL 678 規定在堆石混凝土重力壩的上、下游側的水位變動區和水下區域均宜設置防滲區，防滲區由自密實混凝土防滲面層和堆石混凝土防滲區組成，并同步整體澆筑。

水庫大壩最大承壓水頭為70 m，防滲層厚2.50 m，其中自密實混凝土防滲面層寬度為0.50 m，防滲區自密實混凝土抗滲等級統一采用W10，滿足SL 678要求。

3 結論

綜上所述，此水庫工程大壩防滲層設計為0.50 m 的W10防滲自密實混凝土和2 m 的同標號自密實混凝土填充的防滲堆石混凝土共同構成，不僅符合SL 678 和SL 319 的規定，而且經過復核留有富裕的安全保障。此外，在此水庫大壩施工縫面的上、下游側需設置不小于防滲區寬度的堆石外露區，進一步提高堆石混凝土重力壩的層間結合性能。