懸掛式薄壁低彈模混凝土防滲墻在楊梅嶺水庫副壩防滲加固中的應(yīng)用

黃祥志,朱朝陽

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 寧波 315192)

1 問題的提出

楊梅嶺水庫位于寧海縣城關(guān)鎮(zhèn)梅林管理區(qū)境內(nèi)鳧溪下游,是一座以防洪、灌溉、供水為主,結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。水庫正常蓄水位23.98m,相應(yīng)庫容833.2萬m3;設(shè)計洪水位25.43m,相應(yīng)庫容1 089萬m3;校核洪水位27.25m,相應(yīng)庫容1 509.2萬m3。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2 000 a一遇。水庫樞紐由大壩(主、副壩)、泄洪建筑物等組成。

維修加固的重點為第一副壩的防滲加固。對病險土石壩進行防滲加固處理的方法較多,針對壩體缺陷的防滲加固一般采用上游坡面防滲或壩體垂直幕墻防滲;針對壩基透水層防滲加固可根據(jù)滲流控制的要求不同而采用壩前水平鋪蓋防滲或垂直幕墻防滲。根據(jù)本工程特點擬定以壩頂為施工平臺,采用薄壁低彈?；炷练罎B墻對第一副壩重點存在滲漏隱患的壩段進行防滲加固[1].。

2 第一副壩工程地質(zhì)條件及評價

2.1 壩體填筑質(zhì)量

第一副壩斜墻由非分散性的含礫砂粉質(zhì)黏土及少量礫砂、風(fēng)化碎石填筑而成,大壩壩殼主要由砂卵石填筑而成。

壩殼,由松散～稍密的砂礫卵石填筑而成,填筑質(zhì)量一般。

2.2 壩體防滲性能

斜墻土現(xiàn)場注水試驗求得滲透系數(shù)均大于1.0×10-5cm/s,中等透水性,存在滲漏隱患。水庫多年運行中發(fā)現(xiàn),第一副壩下游側(cè)梅林陳村的幾處水坑和梅湖公園水池的水位升降與庫水位的升降有著良好的一致性。

河床段砂礫卵石壩基,屬中等透水性。其下含泥砂礫卵石為相對不透水層。砂礫卵石、含泥砂礫卵石最大厚度可達26.7m。典型地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

3 防滲加固

3.1 混凝土材料比選

混凝土防滲墻材料一般分普通混凝土和低彈?；炷?低彈模混凝土是指彈性模量低,其剛性介于塑性混凝土與普通混凝土之間的一種墻體。低彈模混凝土與土體變形協(xié)調(diào)性好,能夠克服普通混凝土防滲墻與土體彈模差異過大,不適應(yīng)土體變形的缺點,其和易性、穩(wěn)定性均好于普通混凝土,防滲墻選用低彈?；炷敛牧?。

3.2 抗?jié)B強度驗算

防滲墻墻厚擬用40 cm,頂高程27.70m,墻體材料為低彈?；炷?要求28 d抗壓強度不小于8.0MPa,滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s,彈性模量不大于6 000MPa。

式中:[J].允為允許水力梯度,取1/4極限水力坡降,[J].允=62.5;[J].為計算水力梯度;H為上下游水頭差,取H=7.25m;t為墻厚,以0.40m計。

經(jīng)計算,[J].=18.12＜62.5,滿足要求。

3.3 嵌入深度比選

嵌入端擬用2種:①底部嵌入弱風(fēng)化基巖不小于0.5 m,防滲墻最大墻深32.02 m;②底部嵌入相對不透水層含泥砂礫卵石不小于3m,防滲墻最大墻深22.04m。

3.3.1 2種嵌入深度滲流計算

計算參數(shù)見表1,加入低彈?；炷劣嬎銋?shù)后分別進行2種嵌入深度滲流計算,選取1+255m斷面按前述方法,計算設(shè)計洪水位25.43m下的運行工況,滲流計算成果見圖2、3。

表1 大壩各分區(qū)滲透系數(shù)表

圖2 設(shè)計洪水位滲流計算簡圖(封閉式)

圖3 設(shè)計洪水位滲流計算簡圖(懸掛式)

可見2種方案大壩的穩(wěn)定滲流形態(tài)均符合混凝土防滲墻壩滲流場分布規(guī)律,浸潤線位于現(xiàn)有地面高程以下,不出逸,土體滲透坡降降低,不存在土體滲透破壞。

3.3.2 2種嵌入深度有限元計算

采用河海大學(xué)工程力學(xué)系 (工程力學(xué)研究所)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANK v.5.6)二維有限元計算程序,對2種嵌入深度的低彈?；炷练罎B墻進行平面有限元應(yīng)力應(yīng)變分析[2].。

3.3.2.1 計算實體和范圍

新建混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)計算按照平面應(yīng)變問題考慮,計算的平面模型見圖4、5。地基土的計算深度為防滲墻以下12m,大壩兩側(cè)的計算范圍為壩體上下游外延20 m,斜墻、土層、防滲墻均采用四節(jié)點四邊形平面單元。

圖4 第一副壩封閉式防滲墻方案平面有限元計算模型圖

圖5 第一副壩懸掛式防滲墻方案平面有限元計算模型圖

3.3.2.2 材料參數(shù)

大壩各分區(qū)填筑料、壩基土的材料參數(shù)根據(jù)工程地勘資料并參照一般的工程計算經(jīng)驗選取,巖基的材料直接取用地勘資料成果。具體參數(shù)見表2。

表2 材料屬性表

3.3.2.3 計算工況及成果分析

2種方案均選取在設(shè)計洪水位25.43m下的工況,計算中考慮大壩已經(jīng)運行多年,其固結(jié)沉降已經(jīng)完成,在此不考慮原壩體豎向荷載包括其自重的影響。

2種嵌入深度的低彈?；炷练罎B墻的計算主要成果見表3。

表3 2種嵌入深度的低彈?；炷练罎B墻計算主要成果表

通過計算,主要得出以下結(jié)論:

(1)從上述計算中可以看出,2種方案中,心墻墻頂水平變位封閉式為2.25 cm,懸掛式為1.66 cm左右。

(2)封閉式中,墻身拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距離墻底3.0m左右的墻身上游面處(即強風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r的上界面處)。這是由于墻身周圍的土體在該界面處發(fā)生了較大的變化:在此界面之上,墻身周圍土體為彈模較小的含泥砂礫卵石,在此界面之下,墻身周圍土體則為彈模相對較大的強風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。在心墻的其它部位,墻身基本不受拉。

懸掛式中,墻身拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距離I3與II1界面1.0m左右的墻身上游處。這是由于墻身周圍的土體在此界面處彈模變化最大。

(3)通過應(yīng)力應(yīng)變分析,低彈?；炷列膲εc周圍土體共同承受水壓荷載協(xié)調(diào)變形的過程中,由于底彈模混凝土很“柔”,具有很強的適應(yīng)變形能力。作為水庫維修加固工程中解決水庫滲漏問題的控制性建筑物—防滲心墻,其對抗裂要求極其嚴格,這樣低彈模混凝土就顯示其優(yōu)越性了[3].。

(4)在高土石壩的應(yīng)力計算中,土體本構(gòu)關(guān)系一般采用非線性和彈塑性本構(gòu)模型,尤以鄧肯—張模型應(yīng)用最廣。但是非線性彈性和彈塑性模型,計算復(fù)雜,應(yīng)用參數(shù)較多且難以獲取,此計算中由于考慮到大壩壩體固結(jié)與沉降已經(jīng)基本完成,且計算所關(guān)注的是心墻的應(yīng)力分布,故土體模型直接采用了線彈性本構(gòu)關(guān)系。從計算結(jié)果可以看出,2種方案心墻應(yīng)力應(yīng)變分布符合一般規(guī)律,可以作為計算依據(jù)。

(5)對以上2種方案分別從防滲效果、施工工藝、土體最大滲透坡降、與土體協(xié)調(diào)變形能力、工程投資等多個方面進行經(jīng)濟技術(shù)比選。綜合比較,防滲墻底部深入基巖防滲效果較懸掛式防滲墻好,但從懸掛式防滲墻的滲流計算和有限元計算分析,懸掛式防滲墻已經(jīng)能夠滿足設(shè)計要求,并且較封閉式節(jié)省投資約27%。

4 施工、運行期情況

選取1+250m斷面,布置5根測壓管,每個測壓管放置1支滲壓計進行自動化觀測,測壓管位置見圖6。對防滲墻施工、運行期效果進行觀測,各測點水位與時間過程線見圖7[4].。

圖6 測壓管放置位置圖

圖7 測壓管測點水位與時間過程線圖

5 結(jié) 論

(1)雖然目前低彈?；炷练罎B墻普遍應(yīng)用于大壩防滲加固取得了良好的效果,但在寧波地區(qū)砂礫地基采用懸掛式防滲墻的工程尚屬首例。

(2)通過投資、二維有限元滲流計算及應(yīng)力應(yīng)變計算等論證了本工程采用懸掛式防滲墻較常規(guī)封閉式防滲墻合理。

(3)施工及正常運行期的良好運行狀況證實了本工程采用懸掛式防滲墻的合理性。

(4)對于上下游水位差較小、地基為透水層和相對不透水層較厚的砂礫地基的水庫大壩,在充分論證的基礎(chǔ)上考慮懸掛式防滲措施能夠節(jié)省投資,而且能夠達到防滲處理要求的效果。

[1].中華人民共和國水利部.SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]..北京:中國水利水電出版社,2001.

[2].中華人民共和國電力工業(yè)部.DL 5077—97水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范[S]..北京:中國電力出版社,1997.

[3].李景龍,李術(shù)才,王剛,等.土石壩加固中混凝土防滲墻的應(yīng)用 [J]..巖土力學(xué),2006(10):75-79.

[4].中華人民共和國水利部.SL 174—96水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范 [S]..北京:水利水電出版社,1996.