膠凝砂礫石壩防滲措施及應(yīng)力分析

張鳳德，李秀文，彭云楓，王萬順

（1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

膠凝砂礫石壩防滲措施及應(yīng)力分析

張鳳德1，李秀文2，彭云楓3，王萬順2

（1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

由于膠凝砂礫石材料抗?jié)B性能較差，采用其筑壩時需專門設(shè)計防滲措施進(jìn)行壩體擋水。本文對膠凝砂礫石壩鋼筋混凝土面板防滲措施，及新提出的高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板和高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜兩種新型防滲措施進(jìn)行滲流分析、考慮滲流作用的應(yīng)力分析。計算結(jié)果表明：鋼筋混凝土面板防滲效果較好，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲效果較差；鋼筋混凝土面板主應(yīng)力最大、壩趾應(yīng)力集中較為明顯，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板和高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜應(yīng)力分布較為均勻。

膠凝砂礫石壩；防滲措施；滲流分析；應(yīng)力分析

1 研究背景

膠凝砂礫石壩使用放寬要求的貧碾壓混凝土，或稱為碾壓膠結(jié)砂石材料，壩體體型介于堆石壩和混凝土重力壩之間［1-2］。由于筑壩的膠凝砂礫石材料中水泥等膠結(jié)材料用量較低、骨料級配離散等原因，材料抗?jié)B性能較差，材料滲透系數(shù)在10-6m/s量級左右，因此需要在壩體上游迎水面選擇適宜的防滲措施實(shí)現(xiàn)擋水功能。壩體防滲措施通常設(shè)計為防滲層，防滲層材料可以采用常規(guī)混凝土、碾壓混凝土、富漿膠凝砂礫石材料［3］等。賈金生等［4-5］通過試驗(yàn)研究得出，變態(tài)膠凝砂礫石、富漿膠凝砂礫石均具有良好的力學(xué)性能及抗?jié)B、抗凍和耐久性能，可作為膠凝砂礫石壩上、下游防滲保護(hù)層及基礎(chǔ)墊層。劉文拯等［6］認(rèn)為，上游設(shè)置垂直防滲墻或鋪蓋式灌漿后，壩基的滲流基本能夠控制，如果還在壩踵處設(shè)置排水孔，壩體的浸潤線將會大幅度降低，壩基和壩體各處的滲透坡降減小，而面板和防滲墻或鋪蓋承擔(dān)的坡降增大。

膠凝砂礫石材料抗?jié)B透溶蝕能力較弱，需要做好上游面的防滲保護(hù)，避免滲透溶蝕危及大壩安全，另外考慮到溫度等環(huán)境荷載的作用，應(yīng)設(shè)置保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)。實(shí)際工程中一般將防滲層與保護(hù)層綜合考慮，例如土耳其的Cindere壩［7］，當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件相當(dāng)復(fù)雜，冬季寒冷多雨雪，夏季高溫干燥，壩體上游防滲系統(tǒng)由PVC防滲膜和PVC上覆1 m厚的預(yù)制混凝土面板構(gòu)成。日本的膠凝砂礫石壩［8］多采用混凝土防滲層進(jìn)行防滲，土耳其Oyuk膠凝砂礫石壩［9］的上游防滲保護(hù)層采用鋼筋混凝土面板。膠凝砂礫石壩壩體防滲措施除滿足抗?jié)B要求外，還應(yīng)滿足應(yīng)力、穩(wěn)定等要求。已建工程中，膠凝砂礫石壩的防滲方式主要有鋼筋混凝土面板、常態(tài)混凝土和變態(tài)碾壓混凝土。

基于以上分析，本文提出高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板、高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜兩種膠凝砂礫石壩新型防滲措施，并通過滲流、應(yīng)力計算分析對比鋼筋混凝土面板防滲措施與新型防滲措施的防滲和受力效果，后期供膠凝砂礫石壩設(shè)計時參考。

2 膠凝砂礫石壩防滲措施

2.1鋼筋混凝土面板面板防滲只在壩體上游面設(shè)置防滲鋼筋混凝土面板和排水系統(tǒng)，壩體內(nèi)部不做任何處理，在面板后設(shè)置滲漏收集管道，集中到上游面板后的排水管道中。面板下的排水系統(tǒng)要保證膠凝砂礫石材料干燥并避免揚(yáng)壓力發(fā)展，防止由于浸析作用而導(dǎo)致材料老化，本文計算時將排水系統(tǒng)按照排水孔處理。面板在膠凝砂礫石壩體完成后利用滑模在寬12 m豎板形成的分塊內(nèi)澆筑，面板在壩肩處與壩基面相連，在河床處與普通混凝土塊相連。面板厚度采用下式計算：

式中：t為面板厚度，m；H為距壩頂?shù)木嚯x，m。

鋼筋混凝土面板防滲膠凝砂礫石壩設(shè)計壩高100 m，上游水位95 m，下游5 m，壩體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板目前，膠凝砂礫石壩防滲層采用常態(tài)混凝土防滲層的較多，鋼筋混凝土面板雖然相對可靠性高，對施工干擾較小，但其造價較高，通常較少采用。

碾壓混凝土壩防滲除了常態(tài)混凝土防滲和二級配碾壓混凝土防滲外，防滲方式還有薄膜、瀝青砂漿層等，目前已有不少研究，這對于研究膠凝砂礫石壩的防滲具有較大的參考價值。對于膠凝砂礫石壩，防滲措施既能達(dá)到良好的防滲效果，又能減小對施工的干擾，從而使成本最小化，符合膠凝砂礫石壩的發(fā)展趨勢。在二級配混凝土防滲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，參考日本的“金包銀”結(jié)構(gòu)，本文采用全斷面碾壓的“銀包銀”結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 鋼筋混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)（單位：m）

圖2 “銀包銀”防滲結(jié)構(gòu)（單位：m）

這種斷面形式按功能的不同進(jìn)行材料分區(qū)：Ⅰ區(qū)為表面防護(hù)層，主要起保護(hù)內(nèi)部膠凝砂礫石材料作用，兼起防護(hù)作用，需要具有較高耐久性；Ⅱ區(qū)為墊層，主要起抗滑作用，兼起防護(hù)作用，需要具有較高的抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B耐久性；Ⅲ區(qū)為上游防滲層，主要起防滲作用，兼起防護(hù)作用，所以需要具有較高的抗?jié)B、抗凍及耐久性。膠凝砂礫石材料制備時，骨料選用級配良好的天然砂石料，加大膠凝材料用量，同時控制好水膠比，摻入適量的減水劑等外加劑，從而使配制出來的膠凝砂礫石材料強(qiáng)度達(dá)到C10的混凝土強(qiáng)度水平，該材料能滿足下游保護(hù)層Ⅰ區(qū)和墊層Ⅱ區(qū)的強(qiáng)度要求。在此基礎(chǔ)上，通過控制最大骨料粒徑為40 mm，嚴(yán)格進(jìn)行層面處理，可以配制出抗?jié)B等級W6以上的高強(qiáng)度膠凝砂礫石防滲材料，滿足防滲層Ⅲ區(qū)對材料的要求。這種結(jié)構(gòu)可以采用全斷面碾壓，施工不同于“金包銀”，可稱為“銀包銀”結(jié)構(gòu)。

基于“銀包銀”結(jié)構(gòu)思想，本文提出高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲膠凝砂礫石壩。設(shè)計壩高100 m，上游高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板的厚度3 m，采用排水孔排水。上游水位95 m，下游5 m，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜目前世界上己建最高的膠凝砂礫石壩是107 m的土耳其Cindere壩，其上游的防滲面板是混凝土面板加PVC膜防滲，在PVC膜后設(shè)置滲漏收集管道，集中到上游面板后的排水管道中，取得了較好的防滲效果。本文考慮采用高強(qiáng)度膠凝砂礫石材料替換混凝土面板，在高強(qiáng)度膠凝砂礫石材料面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜，土工膜與膠凝砂礫石之間用5 cm左右的薄層細(xì)礫或者無砂混凝土作為墊層。

高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲膠凝砂礫石壩設(shè)計壩高100 m，上游防滲層的厚度1 m，采用排水孔排水。上游水位95 m，下游5 m，等效處理復(fù)合土工膜厚度后，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲結(jié)構(gòu)（單位：m）

圖4 高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)（單位：m）

3 計算理論

3.1滲流計算理論對于二維穩(wěn)態(tài)滲流，其控制方程為：

式中，h為水頭，m；kx、ky分別為沿x、y方向的滲透系數(shù)，m/s。

當(dāng)滲透系數(shù)各向同性并取常數(shù)時，式（2）可寫為Laplace方程：

常用邊界條件有已知水頭邊界及已知流量邊界。

（1）已知水頭邊界：

（2）已知流量邊界：

式中：kn為滲透系數(shù)m/s；n為邊界條件的外法線方向；Γ1、Γ2分別為水頭和流量邊界；q0為單位寬度上的流量。

3.2復(fù)合土工膜當(dāng)量滲流系數(shù)在本文中，復(fù)合土工膜按照1∶0.7的坡比鋪設(shè)，厚度僅有1 mm。為保證計算精度，要求單元的長寬比不能太懸殊，所以網(wǎng)格劃分時考慮適當(dāng)增大復(fù)合土工膜的計算厚度，運(yùn)用斜墻壩滲流計算理論計算通過土工膜的單寬滲流量［10］。

斜墻的單寬滲流量計算以浸潤線高度為界，分為上、下兩部分，設(shè)其分別q1、q2，計算公式為［11］：

式中：q1為浸潤線以上斜墻單寬滲流量；q2為浸潤線以下斜墻單寬滲流量；ke為斜墻滲透系數(shù)；H1為壩前水位高度；h為浸潤線高度；δ為斜墻的厚度；θ為斜墻中心軸與水平面的夾角。

浸潤線上、下部分之和即為總的單寬滲流量q：

從式（8）可以得出，與復(fù)合土工膜有關(guān)的只有其滲透系數(shù)ke和厚度δ，如果ke和δ同時擴(kuò)大相應(yīng)的倍數(shù)對于滲流量沒有影響。因此，在網(wǎng)格劃分的時候可以擴(kuò)大復(fù)合土工膜的厚度以避免產(chǎn)生畸形單元［10］。為了便于網(wǎng)格劃分，將復(fù)合土工膜厚度擴(kuò)大1000倍，其滲透系數(shù)也相應(yīng)的由1×10-9cm/s擴(kuò)大為1.0×10-6cm/s。

4 不同防滲措施計算分析

4.1滲流計算分析地基計算范圍：上游下游及底部均取為壩高的2倍，防滲帷幕取壩高的1/3，各材料的滲透系數(shù)如表1所示，計算模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

表1 材料滲透系數(shù)

圖5 滲流計算網(wǎng)格劃分

滲流計算得出的壩軸線處單寬滲流量、逸出點(diǎn)高程滲流逸出坡降如表2所示，總水頭分布如圖6所示。

由表2和圖6可以看出：（1）采用“銀包銀”結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲的單寬滲流量最大，鋼筋混凝土面板防滲的單寬滲流量最小，兩者相差4.55×10-6m2/s。由于處在相同的地基條件下，所以相對而言，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲時水會在壩體中有較多滲漏；（2）鋼筋混凝土面板防滲的逸出點(diǎn)高度最低，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲的逸出點(diǎn)高度最高。這是由于在3種防滲措施中，上游水頭在鋼筋混凝土面板內(nèi)下降最多，在壩體滲透系數(shù)相同時滲流逸出點(diǎn)高程鋼筋混凝土面板的最低；（3）高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)的逸出坡降最大，鋼筋混凝土面板防滲的逸出坡降最小。這是由于地基的滲透系數(shù)小于壩體滲透系數(shù)，水頭在壩體內(nèi)降低較小，下游有水時采用復(fù)合土工膜防滲的逸出坡降相比較最大；（4）設(shè)置排水孔后，有相當(dāng)一部分入滲水流繞過防滲墻后進(jìn)入排水孔排出，壩體浸潤線大大的降低，排水孔的設(shè)置對降低壩體浸潤線的作用較為明顯。

綜合以上結(jié)果可以得出，鋼筋混凝土面板的防滲效果最好，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜次之，單純采用高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲效果最差。但由于水頭在鋼筋混凝土面板中下降較快，會產(chǎn)生水壓力的應(yīng)力集中，且滲透坡降也較大；高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲效果雖然不如其他2種防滲措施，但是其完全可以滿足壩體正常運(yùn)行時的防滲要求。故對該3種防滲層進(jìn)行考慮滲流作用的應(yīng)力分析，評價3種防滲層的力學(xué)性能。

表2 滲流計算結(jié)果

圖6 總水頭分布（單位：m）

4.2考慮滲流作用的應(yīng)力分析考慮滲流作用的應(yīng)力分析原理是將滲流計算得出的孔隙水壓力先變?yōu)楣?jié)點(diǎn)位移荷載并導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計算中，計算時將節(jié)點(diǎn)位移荷載調(diào)整為節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力荷載。采用這種方法進(jìn)行計算，可以較為真實(shí)的模擬壩體結(jié)構(gòu)及壩基中的水壓力作用。

膠凝砂礫石材料屈服條件采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，壩基與混凝土材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型。應(yīng)力計算結(jié)果壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。防滲層和壩體應(yīng)力最值情況如表3所示，各防滲措施防滲層及壩體的最大主應(yīng)力分布情況如圖7所示。

表3 應(yīng)力最值 （單位：MPa）

由表3及圖7可以得出，鋼筋混凝土面板防滲時，在防滲層和壩體部分的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力的最大值都最大，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜次之，“銀包銀”結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板最小。

圖7 最大主應(yīng)力分布（單位：MPa）

在防滲層部分，由于鋼筋混凝土面板最薄，滲透系數(shù)最小，相對于其他兩種防滲層的水壓力分布較密、較陡，應(yīng)力集中，從而主應(yīng)力最大；高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板厚度最大，滲透系數(shù)最小，相對應(yīng)力分布均勻，主應(yīng)力較小。在壩體部分，鋼筋混凝土面板防滲壩大部分區(qū)域處于非飽和狀態(tài)，壩體上半部分主要受自重作用，在壩體底部受上、下游水壓力和自重作用，壩趾處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲層和高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板防滲層的防滲效果相對弱一些，壩體主要受到水壓力和自重的作用，在防滲層的逸出點(diǎn)區(qū)域和下游壩體的逸出點(diǎn)區(qū)域，該部分的水壓力相對增大，會有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)的拉應(yīng)力比較小。

5 結(jié)論

（1）三種防滲措施中，鋼筋混凝土面板的防滲效果最好，高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜次之，單純采用高強(qiáng)度膠凝砂礫石防滲效果最差；（2）在防滲層部分，鋼筋混凝土面板相對于其他兩種防滲層的水壓力分布較密、較陡，主應(yīng)力最大；高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板相對應(yīng)力分布均勻，主應(yīng)力較小。在壩體部分，面板防滲層壩趾處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲層和高強(qiáng)度膠凝砂礫石面板應(yīng)力分布較為均勻，在壩趾和壩踵小部分區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)的拉應(yīng)力也較小；（3）本文僅從滲流、應(yīng)力角度對各防滲措施進(jìn)行了分析，實(shí)際工程選擇應(yīng)用時還應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、防滲可靠性、施工便利等因素，有待于進(jìn)一步研究。

［1］ 彭云楓，何蘊(yùn)龍，萬彪.Hardfill壩——一種新概念的碾壓混凝土壩［J］.水力發(fā)電，2008，34（2）：61-63，70.

［2］ 劉俊林，何蘊(yùn)龍，熊壟，等.Hardfill材料非線性彈性本構(gòu)模型研究［J］.水利學(xué)報，2013，44（4）：451—461.

［3］ 鄭璀瑩，賈金生，楊會臣，等.守口堡膠凝砂礫石壩防滲保護(hù)方案研究［C］//堆石壩建設(shè)和水電開發(fā)的技術(shù)進(jìn)展——中國大壩協(xié)會2013學(xué)術(shù)年會暨第三屆堆石壩國際研討會論文集.昆明，2013.

［4］ 賈金生，馬鋒玲，馮煒，等.膠凝砂礫石壩配合比設(shè)計及防滲保護(hù)層研究［C］//水庫大壩建設(shè)與管理中的技術(shù)進(jìn)展——中國大壩協(xié)會2012學(xué)術(shù)年會論文集.成都，2012.

［5］ 馮煒，賈金生，馬鋒玲.膠凝砂礫石壩壩體和保護(hù)層材料的耐久性能研究［C］//第八屆全國混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會論文集［C］.杭州，2012.

［6］ 劉文拯，何蘊(yùn)龍，尹鵬.Hardfill壩滲流場數(shù)值分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2008，41（2）：5-10.

［7］ A A.Balkema，Rotterdam.Cindere dam-107 m high roller compacted Hardfill dam（RCHD）in Turkey［C］//Pro?ceedings 4th International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams.Madrid，2003，121-126.

［8］ T-Hirose，et al.Design concept of trapezoid-shaped CSG dam［C］//Proceedings 4th International Symposiunm on Roller CoMPacted Concrete Dams．Madrid，2003：457—464．

［9］ 巴特馬茲S.土耳其奧尤克壩的設(shè)計［J］.水利水電快報，2004，25（14）：3-6.

［10］ 李秀文，周宜紅，彭云楓，等.考慮非飽和區(qū)的復(fù)合土工膜防滲壩滲流分析［J］.水電能源科學(xué)，2013，31（5）：46-48，215.

［11］ 麥家煊.水工建筑物［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005．

Analysis of stress and seepage control measures in the Cement sand gravel dam

ZHANG Fengde1，LI Xiuwen2，PENG Yunfeng3，WANG Wanshun2
（1.Sanjiang Engineering Construction Management Bureau of Heilongjiang Province，Harbin 150081，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Due to the poor anti-seepage of the cement sand gravel materials,special seepage control mea?sures should be designed for the water retaining requirement of the dam.In this paper,both seepage and stress analysis under seepage condition were carried out for the cement sand gravel dam with seepage con?trol measures.Reinforced concrete panel and two novel measures：high strength cementations sand grav?el panel and high strength cementations sand gravel panel with laying composite geomembrane were consid?ered. Numerical results show that reinforced concrete panel perfoms well in seepage control while high strength cementations sand gravel concrete panel acts relatively poorly.The maximum principal stress ap?pears in the reinforced concrete panel and stress concentration at the dam toe is obvious.The stress distri?bution is more uniform in high strength cementations sand gravel panel and high strength cementations sand gravel panel with laying composite geomembrane.

cement sand gravel dam；anti-seepage measure；seepage analysis；stress analysis

TV31

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.03.007

1672-3031（2015）03-0194-07

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2014-10-22

張鳳德（1965-），男，吉林乾安人，碩士，高級工程師，主要從事水利工程管理研究。E-mail：zhangfengde626@126.com