吉音水利樞紐大壩防滲結(jié)構(gòu)選型

(新疆吉音水利樞紐工程建設(shè)管理局, 新疆 和田 848000)

吉音水利樞紐大壩防滲結(jié)構(gòu)選型

楊樹(shù)紅

(新疆吉音水利樞紐工程建設(shè)管理局, 新疆 和田 848000)

因壩址選擇受地形地質(zhì)條件、天然建筑材料分布和儲(chǔ)量制約，為保證大壩防滲結(jié)構(gòu)滿足質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、安全和施工布置等要求，土石壩在深切河槽段內(nèi)的防滲結(jié)構(gòu)形式選擇經(jīng)常成為工程規(guī)劃爭(zhēng)執(zhí)的焦點(diǎn)。本文從分析吉音水利樞紐大壩不同防滲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)應(yīng)力變形、填筑材料、施工方法和經(jīng)濟(jì)性比較，確定最優(yōu)大壩防滲結(jié)構(gòu)，為同類工程設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。

大壩； 防滲結(jié)構(gòu)； 比選

1 工程地形地質(zhì)概況

吉音水利樞紐位于新疆于田縣境內(nèi)的克里雅河上，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高124.50m，壩頂長(zhǎng)489m。壩址處河床深切，兩岸邊坡陡峭，河谷寬高比約為1∶1.7，屬于典型的窄深式下切河槽(詳見(jiàn)圖1)?；鶐r巖性為斜長(zhǎng)角閃片巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3m，呈碎裂結(jié)構(gòu)；弱風(fēng)化巖體厚8～10m，巖體較完整[1]。

圖1 吉音工程壩址斷面

2 大壩深河槽內(nèi)防滲結(jié)構(gòu)形式分析

針對(duì)工程現(xiàn)狀河床段地形地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外成熟的防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，分析比較深河槽段內(nèi)不同防滲結(jié)構(gòu)形式的要求及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 “4+X”平趾板防滲結(jié)構(gòu)方案(方案一)

“4+X”平趾板屬于常規(guī)混凝土面板土石壩的防滲結(jié)構(gòu)，即由與基巖結(jié)合的4m寬標(biāo)準(zhǔn)平趾板和中間的X塊內(nèi)趾板組成(見(jiàn)圖2)。標(biāo)準(zhǔn)平趾板與基巖連接，兼作灌漿蓋板。內(nèi)趾板的作用是滿足深切河槽滲徑增長(zhǎng)的防滲需求，是混凝土面板的延伸部分。平趾板坐落在弱風(fēng)化或新鮮巖層上，其寬度、厚度和強(qiáng)度、抗凍、抗?jié)B指標(biāo)以地基容許水力梯度確定。為防止溫度變化引起防滲面板干縮裂縫，在趾板適當(dāng)位置布置鋼筋抑制裂縫。采用鋼筋錨桿將平趾板錨固在基巖上，增加附著力和整體穩(wěn)定性，周邊防滲采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。該方案優(yōu)點(diǎn)是單向坡開(kāi)挖，便于布置施工和鉆孔灌漿作業(yè)通道，混凝土施工可采用滑模技術(shù)。缺點(diǎn)是邊坡開(kāi)挖量大，經(jīng)濟(jì)性差；深河槽兩岸邊坡陡峭，施工難度較大，進(jìn)度緩慢。

圖2 “4+X”平趾板防滲結(jié)構(gòu)

2.2 高趾墻防滲結(jié)構(gòu)方案(方案二)

高趾墻防滲結(jié)構(gòu)可有效改善下切深河槽段大壩面板的受力形態(tài)及應(yīng)力條件，使面板、趾板布置平順(見(jiàn)圖3)。高趾墻基礎(chǔ)需建在堅(jiān)硬的新鮮巖層或弱風(fēng)化巖層上，保證承載能力，周邊采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿；趾墻兩側(cè)嵌入到邊坡基巖上開(kāi)鑿的齒槽內(nèi)，提高趾墻與河槽基巖咬合力和穩(wěn)定性。趾墻頂部通過(guò)連接板與趾板和防滲面板連接，達(dá)到布置平順的目的。趾墻中間設(shè)垂直伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水，避免由于混凝土溫度變化使墻體產(chǎn)生溫度裂縫。為防止蓄水后墻體兩側(cè)因受基巖約束和堆石體自身變形造成趾墻開(kāi)裂，根據(jù)應(yīng)力情況在趾墻上下游側(cè)布置適當(dāng)鋼筋抗裂。壩料填筑時(shí)墻體兩側(cè)要同時(shí)上升，使墻體受力均衡。周邊采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。若趾墻過(guò)高，水平跨度較大時(shí)，在趾墻下游適當(dāng)位置增加扶臂支墩，改善墻體受力條件。扶臂的位置、數(shù)量和結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)墻體最不利應(yīng)力條件確定。該方案優(yōu)點(diǎn)是：面板、趾板、連接板布置平順，受力條件好；開(kāi)挖、填筑工程量小，經(jīng)濟(jì)性好；趾墻與兩岸和基底接觸良好，剛性大、變形小、抗滑穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是：墻體混凝土施工質(zhì)量要求高，下游壩料填筑需待趾墻的混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定要求后才能進(jìn)行，施工周期較長(zhǎng)，碾壓質(zhì)量不易控制，需采用小型夯板進(jìn)行局部特殊處理，墻體的扶臂更增加了壩料填筑難度。

圖3 高趾墻防滲結(jié)構(gòu)

2.3 砂礫石膠結(jié)填筑體防滲結(jié)構(gòu)方案(方案三)

砂礫石膠結(jié)填筑體防滲結(jié)構(gòu)是當(dāng)大壩面板布置受下切窄深河槽地形條件制約時(shí)，為改善面板形態(tài)及應(yīng)力條件，解決面板、趾板布置的平順問(wèn)題，采取的防滲結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)下頁(yè)圖4)。砂礫石膠結(jié)填方體為受力體，防滲體為在受力體外包裹的混凝土防滲面板和與基巖結(jié)合的防滲底板，趾板直接坐落在膠結(jié)填方體上。當(dāng)前填筑體膠凝材料主要以水泥為主，膠凝材料用量要滿足填筑體本身抗剪強(qiáng)度需求和施工期填筑體坡面穩(wěn)定。填筑體基礎(chǔ)為防滲底板，需建在弱風(fēng)化或新鮮基巖上，以滿足抗滑穩(wěn)定和地基承載力要求?；追罎B面板的厚度、強(qiáng)度要滿足固結(jié)灌漿、帷幕灌漿蓋重和滲徑要求，使其與基巖形成防滲整體，封閉基底及周邊滲漏通道，避免填筑體與地基間發(fā)生沖蝕破壞。同時(shí)，填筑體表面混凝土防滲面板要滿足強(qiáng)度、抗?jié)B和抗凍等要求，面板間應(yīng)進(jìn)行分縫處理。因面板受到的最大拉、壓應(yīng)變遠(yuǎn)小于混凝土極限應(yīng)變值，防滲面板需布設(shè)單層雙向鋼筋抵抗溫度裂縫。該方案優(yōu)點(diǎn)是：兩側(cè)邊坡及基底的土石方開(kāi)挖量較小，施工準(zhǔn)備期短，施工方法簡(jiǎn)單，易于施工布置和質(zhì)量控制，防滲結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是：填筑工程量較大，經(jīng)濟(jì)性一般；施工周期較長(zhǎng)。

圖4 砂礫石膠結(jié)體防滲結(jié)構(gòu)

2.4 雙防滲墻防滲結(jié)構(gòu)方案(方案四)

雙防滲墻防滲結(jié)構(gòu)是在深河槽內(nèi)堆填一定寬度、高度的土石料體，然后在填筑體中打雙排槽孔混凝土防滲墻，面板與防滲墻頂部連接，以彌補(bǔ)地形條件對(duì)面板應(yīng)力的影響(見(jiàn)圖5)。土石料選擇跟大壩填筑料一樣，填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)可略高于壩體填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)。填筑體內(nèi)設(shè)置雙排槽孔混凝土防滲墻，填筑體的寬度要滿足雙排槽孔混凝土防滲墻施工布置、壩體穩(wěn)定和深河槽以上壩體填筑斷面施工要求，防滲墻寬度根據(jù)巖石地基容許水力梯度和滲透水壓力計(jì)算確定。填筑體施工時(shí)，應(yīng)在槽孔混凝土墻的位置預(yù)填筑一定寬度的墊層料(墊層料碾壓密實(shí)性大、填充性好、易施工控制)，使槽孔位于墊層料斷面中間，降低槽孔開(kāi)挖難度，提高槽孔周圍填筑體壓實(shí)度，減小不均勻沉降。槽孔混凝土防滲墻澆筑時(shí)上下游填筑體要達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)指標(biāo)，同時(shí)防滲墻必須伸入河槽基礎(chǔ)強(qiáng)風(fēng)化層底部透水性很小的基巖內(nèi)，采用帷幕灌漿和固結(jié)灌漿將基底、兩岸邊坡與槽孔混凝土防滲墻形成防滲整體。該方案優(yōu)點(diǎn)是：土石方開(kāi)挖量最小，施工方法、施工布置簡(jiǎn)單，前期準(zhǔn)備周期短，施工進(jìn)度較快。缺點(diǎn)是：土石方填筑工程量大，河槽段壩體沉降變形大，易發(fā)生不均勻沉降，在填筑體中開(kāi)挖雙排深防滲槽孔施工較難控制。

圖5 雙防滲墻防滲結(jié)構(gòu)

3 防滲結(jié)構(gòu)形式綜合比選

根據(jù)工程區(qū)的自然地理?xiàng)l件，結(jié)合工程施工布置、質(zhì)量、進(jìn)度要求，從應(yīng)力變形、填筑材料、施工方法、工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比較分析，確定吉音水利樞紐工程深切河槽段大壩防滲結(jié)構(gòu)形式最優(yōu)方案。

3.1 應(yīng)力和變形比較分析

由于工程區(qū)河谷深切，若采用方案一進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)布置，則右岸伸入下切河槽中的面板數(shù)量很少，且伸入部位的面板受力情況復(fù)雜，壩體和面板的位移分布不對(duì)稱，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外河槽兩岸填筑體地基特性差異較大，堆石體本身在該部位的不均勻沉降和變形比較明顯，容易使面板發(fā)生脫空、斷裂破壞，方案一對(duì)大壩面板的應(yīng)力和變形的不利影響因素多，降低了面板的防滲性能。方案二、三防滲結(jié)構(gòu)均采用重力式，主要依靠自身重量維持穩(wěn)定，上下游采用天然砂礫料回填碾壓，可保證結(jié)構(gòu)體在施工期和運(yùn)行期能適應(yīng)來(lái)自上下游不同方向的壓力和變形。尤其是方案三，填筑主體為砂礫石膠結(jié)填方，對(duì)上游防滲面板變形和應(yīng)力分布的均勻性有利，可降低應(yīng)力變化梯度，減少應(yīng)力集中，有效提高防滲性能。方案四在深切河槽內(nèi)先填筑天然砂礫料模擬深覆蓋層，回填的砂礫石層在上部壩體的作用力下，易產(chǎn)生下凹的沉降變形，但回填砂礫石層底部受基巖剛性約束，導(dǎo)致垂直防滲體在竣工期向上游方向的變位。蓄水期，防滲墻受上游水荷載的推力作用，防滲墻墻體位移指向下游方向。但防滲墻底部受基巖約束，因此，防滲墻頂端變形量和拉應(yīng)力最大，同時(shí)底部也將出現(xiàn)拉應(yīng)力。方案二、三、四的壩體面板底高程均位于垂直防滲體頂部，面板體型較為對(duì)稱，兩岸壩體和面板的位移分布對(duì)稱，面板拉應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力變化梯度和應(yīng)力集中降低，提高了面板防滲效果。鑒于應(yīng)力與變形的情況分析，方案二、三最優(yōu)，方案一、四次之。

3.2 填筑材料比較分析

方案一趾板后填筑料與壩體其余部位相同，無(wú)需單獨(dú)制備填筑料，因此，在填筑材料的加工制備上較為便利。方案二除在高趾墻和扶臂墻周邊碾壓設(shè)備不容易壓實(shí)的區(qū)域內(nèi)需采用本身變形較小的填筑材料外，其余部位均為天然砂礫料填筑，但特種料的工程量非常小，相應(yīng)的加工制備工作量也較小。方案三為常規(guī)混凝土和砂礫石膠結(jié)填方，膠結(jié)填方的膠凝材料以水泥、粉煤灰為主，需投入相應(yīng)的拌制設(shè)備系統(tǒng)，增大工程投資。方案四為預(yù)填的砂礫石墊層料，要控制好相關(guān)參數(shù)，且參數(shù)指標(biāo)要求過(guò)高，無(wú)法從天然砂礫石料中直接獲得，需人工篩分制備，工程造價(jià)較高。因此從填筑材料上來(lái)看，方案一最優(yōu)，方案二次之，方案三、四較差。

3.3 施工方法比較分析

方案一的施工方法與常規(guī)面板壩的施工方法相同，為了保證深河槽與階地之間的沉降量控制在一定差值范圍內(nèi)，必須從壩料級(jí)配、鋪料厚度、加水量、碾壓遍數(shù)等方面來(lái)提高堆石料壓實(shí)密度，填筑參數(shù)需通過(guò)多次碾壓實(shí)驗(yàn)確定。方案二為避免高趾墻產(chǎn)生不平衡壓應(yīng)力，高趾墻兩側(cè)堆石料填筑要平衡上升。高趾墻混凝土施工要沿高度方向分段澆筑，增加了高趾墻的施工工序，各工序間也存在一定的干擾。高趾墻兩側(cè)較近距離范圍內(nèi)無(wú)法用重型碾壓機(jī)械碾壓，堆石料的壓實(shí)指標(biāo)不易控制，施工難度較大。方案三的施工方法是先開(kāi)挖好深切河槽段邊坡和基礎(chǔ)后，進(jìn)行砂礫石膠結(jié)填筑，再在膠結(jié)填方體上澆筑防滲面板，待此膠結(jié)填方體和防滲面板達(dá)到一定強(qiáng)度后，最后填筑上下游堆石料。填筑料需人工拌制，但施工工序簡(jiǎn)單，難度較小。方案四的施工方法是在深切河槽段內(nèi)先填筑堆石料再開(kāi)槽澆筑混凝土，其堆石料的碾壓指標(biāo)易控制，填筑質(zhì)量高，并且防滲墻施工方法與原狀地基防滲墻的施工方法相同，施工難度較小，各工序間相互干擾較小。但是墻體為地下隱蔽工程，采用旋挖鉆機(jī)和液壓抓斗施工成槽，鋼導(dǎo)管澆筑混凝土，預(yù)埋管灌漿，墻體混凝土質(zhì)量不易控制。因此從施工方法方面綜合分析，方案三、四最優(yōu)，方案一、二最差。

3.4 經(jīng)濟(jì)性比較分析

經(jīng)濟(jì)性比較主要依據(jù)各方案的設(shè)計(jì)工程量和《水利建筑工程預(yù)算定額》及《水利工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》確定，以此來(lái)比較各方案的優(yōu)劣[2][3]。具體工程量和工程造價(jià)匯總對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 主要工程量及工程造價(jià)對(duì)比

續(xù)表

從經(jīng)濟(jì)性比較得出，方案二最優(yōu)，方案一次之，方案三、四較差。

4 防滲結(jié)構(gòu)方案確定

從以上四方面的比選分析結(jié)果來(lái)看，各方案均有優(yōu)劣，因此，最優(yōu)方案的確定需綜合考慮各方面的因素，本文采用權(quán)重綜合評(píng)分法計(jì)算分析，具體權(quán)重根據(jù)應(yīng)力變形、填筑材料、施工方法和經(jīng)濟(jì)性在工程質(zhì)量、安全、經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度中的合理性和重要性來(lái)確定，計(jì)算與分析結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 權(quán)重分值計(jì)算分析

以上綜合計(jì)算分析結(jié)果表明，方案二為吉音水利樞紐大壩深河槽段防滲結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

高趾墻為吉音水利樞紐大壩防滲體系，相當(dāng)于明挖全封閉厚防滲墻，端部約束剛性，但趾墻拉應(yīng)力較大，均分布在壩底局部范圍，因此，即便發(fā)生局部微小裂縫，其防滲性能、整體性和施工質(zhì)量仍明顯優(yōu)于其他防滲結(jié)構(gòu)。高趾墻防滲結(jié)構(gòu)在解決深切河槽內(nèi)的大壩應(yīng)力變形問(wèn)題、降低工程造價(jià)等方面效果明顯，其經(jīng)濟(jì)性好，安全性、可靠性高，在深切河槽內(nèi)大壩防滲結(jié)構(gòu)中具有較好的實(shí)踐應(yīng)用與發(fā)展前景。

[1] 陳雯龍，等.新疆吉音水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].烏魯木齊：水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

[2] 水利部.水利建筑工程預(yù)算定額[S].2002.

[3] 水利部.水利工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額[S].2002.

Jiyin Water Control Dam Anti-seepage Structure Model Selection

YANG Shu-hong

(Xinjiang Jiyin Water Control Project Construction Authority, Hetian 848000, China)

Since dam site selection is limited by topographic and geologic conditions, natural building material distribution and reserves, anti-seepage structure form selection of earth dam in deep river channel section always becomes a focus argued in project plan in order to ensure dam anti-seepage structure can meet requirements in quality, economy, safety, construction layout, etc. In the paper, advantages and disadvantages of different anti-seepage structures in Jiyin water control dam are analyzed, optimal dam anti-seepage structure is determined through stress deformation, filling materials, construction methods and economic comparison, thereby providing reference for design and construction of similar projects.

dam; anti-seepage structure; comparison

TV543

B

1005-4774(2014)12-0053-05