淺談攔河壩防滲墻設(shè)計(jì)

李曉平 樊 勇 聶衛(wèi)軍

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

淺談攔河壩防滲墻設(shè)計(jì)

李曉平 樊 勇 聶衛(wèi)軍

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

麻栗壩水庫樞紐工程攔河壩為均質(zhì)壩和分區(qū)壩，壩長1172m，基礎(chǔ)是上第三系含礫砂土，為無限深透水土基，土的壓縮系數(shù)小。通過方案比較和研究采用薄壁懸掛式混凝土防滲墻，結(jié)合三維有限元滲流穩(wěn)定分析和平面有限元滲流計(jì)算，根據(jù)施工區(qū)的水文地質(zhì)條件，開展工地現(xiàn)場試驗(yàn)，提出了切合實(shí)際的施工控制指標(biāo)和混凝土配合比，成功地解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下攔河壩基礎(chǔ)三維防滲和滲流穩(wěn)定以及防滲墻適應(yīng)地基變形的問題。5年的原型觀測成果表明：防滲效果好，無應(yīng)力計(jì)觀測其應(yīng)力無變化，防滲墻無變形變位。本文詳細(xì)介紹了麻栗壩水庫樞紐工程攔河壩基礎(chǔ)混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)和計(jì)算過程，旨在為相同地質(zhì)條件下的同類工程設(shè)計(jì)和施工提供有益經(jīng)驗(yàn)。

薄壁懸掛式混凝土防滲墻設(shè)計(jì)；施工控制指標(biāo)；三維有限元滲流穩(wěn)定分析；平面有限元滲流計(jì)算

1 工程概況

麻栗壩水庫位于云南省德宏州隴川縣境內(nèi)的南宛河上游，為大(2)型水庫，以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用。

水庫總庫容1.067億m3，攔河壩為土質(zhì)分區(qū)壩和均質(zhì)壩，最大壩高37.6m，壩頂軸線長1172m。攔河壩及防滲體為2級建筑物。工程的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，設(shè)計(jì)地震烈度為7度。

麻栗壩水庫于2003年開工建設(shè)， 2009年大壩下閘蓄水。目前大壩已安全運(yùn)行了5年。麻栗壩水庫在上第三系軟弱夾層互層的無限深透水地基內(nèi)采用懸掛式薄壁混凝土塑性防滲墻防滲的型式，這在國內(nèi)外尚無先例。

2 工程地質(zhì)

防滲體均位于上第三系(N)地層內(nèi)。上第三系地層為砂性土與黏性土相間分布，按巖性及工程地質(zhì)特征各分為15個巖組，由巨厚含礫砂土﹑黏土層構(gòu)成，呈互層狀，以含礫砂土為主，含礫砂土8層(N1、N3、N5、N7、N9、N11、N13、N15)，總厚度約205m，占77.65%；黏土7層(N2、N4、N6、N8、N10、N12、N14)，總厚度59m，占22.35%。

工程區(qū)上第三系含水層和隔水層相間分布，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件受巖層走向、埋藏條件、地形條件控制。

根據(jù)大型現(xiàn)場管涌試驗(yàn)，得到各巖組滲透變形形式及允許比降值，見表1。

表1 樞紐區(qū)巖土參數(shù)

3 防滲處理方案比較

大壩基礎(chǔ)沿深度和廣度分層較多，透水層和不透水層相互夾雜交錯，沿壩軸線水平向的地層分布較多、較復(fù)雜，壩基設(shè)垂直防滲體。

3.1 防滲范圍

兩岸防滲體邊界范圍按以下原則確定：

a.水庫正常蓄水位與蓄水前兩岸地下水位的交點(diǎn)為兩岸防滲邊界點(diǎn)。

b.水庫正常蓄水位與相對隔水層在兩岸的交點(diǎn)為兩岸防滲邊界點(diǎn)。

3.2 防滲方案比較

利用復(fù)雜三維滲流控制分析計(jì)算程序(SPGCR-3.FOR)成果，在滿足滲流穩(wěn)定需設(shè)防滲體的條件下，確定防滲處理的深度和范圍后，擬定高壓旋噴、混凝土防滲墻和薄壁混凝土塑性防滲墻三種方案作比較，見表2。

表2 壩基防滲方案比較

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，依據(jù)各處理方案及壩基沉降大的特點(diǎn)，采用工程造價相對較低、施工簡便的薄壁混凝土塑性防滲墻。

4 薄壁混凝土塑性防滲墻設(shè)計(jì)

溢洪道左岸壩段為黏土均質(zhì)壩，最大壩高12.1m，長度478m；右岸壩段為土質(zhì)分區(qū)壩，最大壩高37.6m。防滲墻沿壩軸線布置，河床段防滲墻最大深度為20.37m。

4.1 混凝土防滲墻墻體材料

由于攔河壩上第三系土基為中壓縮性土，防滲墻受外力作用時必須適應(yīng)土的變形，故首選塑性混凝土作為墻體材料。這種材料抗?jié)B性能好，變形模量低，極限應(yīng)變值大，適應(yīng)變形能力強(qiáng)。選用的塑性混凝土配合比見表3。

表3 塑性混凝土配合比 單位：kg

4.2 混凝土防滲墻墻體厚度確定和結(jié)構(gòu)布置

防滲墻的厚度應(yīng)滿足墻體抗?jié)B性、耐久性，以及墻體應(yīng)力和變形的要求，同時還應(yīng)考慮上第三系土基及施工設(shè)備等因素。

在設(shè)計(jì)時，根據(jù)防滲墻破壞時的水力坡降確定墻體厚度(δ)，計(jì)算公式為

δ=kh/J

式中δ——防滲墻厚度；

k——安全系數(shù)，取1.5；

h——壩前水深；

J——防滲墻運(yùn)行的水力梯度，取90。

經(jīng)計(jì)算，δ=0.25～0.45m即可滿足要求。

由于在施工期混凝土防滲墻要承受上部碾壓荷載，防滲墻厚度不能太薄，但為節(jié)約材料，降低成本，并考慮造孔機(jī)具限制，右岸、河床段的壩體承受水頭高，采用厚度為60cm的一般混凝土塑性防滲墻，設(shè)計(jì)指標(biāo)為： C10塑性混凝土，彈性模量E=8000～13000MPa，抗?jié)B等級為W6，抗壓強(qiáng)度不小于5MPa。

左岸壩體承受的水頭低，采用厚度為40cm的薄壁混凝土塑性防滲墻，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：C10塑性混凝土，彈性模量E=15000～13000MPa，抗?jié)B標(biāo)號為W6，抗壓強(qiáng)度不小于3MPa。

河床一般混凝土防滲墻段與兩岸的薄壁混凝土塑性防滲墻段的連接方式為：薄壁混凝土防滲墻段增加10m長度與一般混凝土防滲墻段進(jìn)行搭接。

防滲墻按8～10m分段。

混凝土防滲墻縱剖面結(jié)構(gòu)布置見圖1。

4.3 施工控制指標(biāo)、施工配合比

經(jīng)工地現(xiàn)場試驗(yàn)，施工控制指標(biāo)和施工配合比如下：

a.采用硅酸鹽水泥，不低于P.O42.5。

b.混凝土配比采用一級配，最大粒徑不大于20mm。

c.河砂的細(xì)度模數(shù)控制在2.4～2.8。

d.混凝土抗?jié)B等級大于W6。

圖1 混凝土防滲墻縱剖面結(jié)構(gòu)布置

e.混凝土允許水力坡降為50。

f.混凝土28d抗壓強(qiáng)度大于6MPa。

g.彈性模量小于13000MPa。

h.滲透系數(shù)小于(1～5)×10-8cm/s。

i.入槽坍落度18～22cm，擴(kuò)散度34～40cm，坍落度保持18cm的時間應(yīng)不低于1h；初凝時間應(yīng)不低于6h，終凝時間不宜大于24h。

j.水膠比不宜大于0.65。

考慮到河床段的防滲墻承受的水頭和產(chǎn)生的沉降較兩岸大，對防滲墻適應(yīng)基礎(chǔ)變形的要求更高，故在滿足抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B等級的設(shè)計(jì)前提下，應(yīng)盡量降低彈性模量。

4.4 防滲墻設(shè)計(jì)計(jì)算

采用復(fù)雜三維滲流有限元計(jì)算程序(SPGCR-3.FOR)，把整個大壩劃分為5萬多個單元體滲流場，在滲流場內(nèi)布置5個典型剖面，對防滲體的深度進(jìn)行了7種滲控布置的組合，按照固定網(wǎng)格迭代法進(jìn)行有限元滲流分析。經(jīng)有限元滲流分析，壩基垂直防滲深度，在河床部位以20m較為合適，滲流量為61萬m3/年，遠(yuǎn)小于興利庫容7205萬m3，僅為其0.85% 。

按以上防滲墻結(jié)構(gòu)布置，在復(fù)雜三維滲流控制總體分析的基礎(chǔ)上，采用平面滲流有限元分析軟件進(jìn)行局部的平面滲流穩(wěn)定計(jì)算。

4.4.1 計(jì)算斷面選擇

每隔100m選擇1個計(jì)算斷面，內(nèi)插地質(zhì)條件最差地段(即上第三系含礫砂土層N3-1、N3-3、N3-5、N5、N9、N13、N15)，共計(jì)12個斷面：0+200、0+300、0+400、0+500、0+600、0+700、0+800、0+860、0+928、1+050、1+180。其中內(nèi)插斷面樁號為0+860(土質(zhì)分區(qū)壩段、滲透系數(shù)較大前提下的最大壩高段)、0+928(土質(zhì)分區(qū)壩段、滲透系數(shù)較大地段)、1+050 (土質(zhì)分區(qū)壩段、滲透系數(shù)較大地段)。

4.4.2 滲流穩(wěn)定分析計(jì)算工況

共選擇3種工況。

a.上游正常水位與下游相應(yīng)的最低水位。

b.上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)水位。

c.上游校核洪水位與下游相應(yīng)水位。

4.4.3 壩基及壩體的允許滲透比降

經(jīng)對現(xiàn)場25組、室內(nèi)104組管涌試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，壩基土層的允許滲透坡降設(shè)計(jì)采用值見表4。

計(jì)算簡圖見圖2。

圖2 0+860校核洪水位穩(wěn)定滲流期計(jì)算簡圖

4.4.4 平面滲流穩(wěn)定計(jì)算成果

各斷面滲透比降計(jì)算成果表明：各斷面壩體下游統(tǒng)計(jì)的最大值為0.79，均小于壩體的含礫砂土區(qū)允許滲透比降0.8和黏土料區(qū)允許滲透比降1.5；上游校核洪水位與下游相應(yīng)水位為最不利工況，各斷面壩基出逸處滲透比降均小于出逸處土層的允許滲透比降。計(jì)算成果見表5。

表5 滲透比降計(jì)算成果

4.5 防滲墻觀測

在0+300、0+400、0+500、0+600、0+700、0+800、0+860、0+928、1+050、1+180共10個斷面的防滲墻上、下游各埋設(shè)一個滲壓計(jì)觀測滲流，各斷面的防滲墻上、下游的上、中、下部各埋設(shè)一個無應(yīng)力計(jì)觀測變形和變位。

5 無限深透水地基復(fù)雜地質(zhì)條件下的防滲設(shè)計(jì)結(jié)論

a.經(jīng)滲流穩(wěn)定分析、防滲工程方案比較，采用薄壁混凝土塑性防滲墻較好地解決了滲流穩(wěn)定和適應(yīng)基礎(chǔ)變形的問題。

b.在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，各斷面滲透比降計(jì)算成果與三維滲流穩(wěn)定分析的結(jié)論相符，壩體和壩基的滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

c.平面滲透計(jì)算成果表明：最不利工況下各斷面壩基出逸處滲透比降均小于出逸處土層的允許滲透比降。

d.經(jīng)5年的運(yùn)行觀測，滲流壓力保持穩(wěn)定，滲流量始終小于設(shè)計(jì)值，無應(yīng)力計(jì)觀測的應(yīng)力無變化，薄壁懸掛式混凝土塑性防滲墻無變形、變位。

懸掛式薄壁塑性混凝土防滲墻較好地解決了基礎(chǔ)三維防滲、滲流穩(wěn)定和適應(yīng)基礎(chǔ)變形問題，從滲流穩(wěn)定和適應(yīng)基礎(chǔ)變形的角度來看，防滲墻的設(shè)計(jì)是成功的。

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Discussion on Design of Cut-off Wall for Barrage

LI Xiaoping, FAN Yong, NIE Weijun

(YunnanWaterandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Kunming650021,China)

The barrage of Mali dam reservoir project is a homogeneous dam and zoned dam. The dam length is 1172m. The foundation is the Neogene system gravel sand. It is an infinite deep permeable soil foundation. The compressibility of this soil is small. The suspended concrete cut-off wall with thin-wall is adopted based on comparation and study for the scheme. It combines the three-dimensional finite element seepage stability analysis and plane finite element seepage calculation. The site test is conducted according to the hydrogeological conditions of the construction area. Put forward the practical construction control index and concrete mix ratio and successfully solved the three-dimensional auti-seepage and seepage stability of embankment dam foundation under complex geological conditions and the problem that the cut-off wall adapts to the foundation deformation. 5 years of prototype observation results show that: its anti-seepage effect is very good. There was no change in the stress observed using the stress-free gauge. The cut-off wall has no deformation and displacement. In this paper, the design and calculation process of the concrete cut-off wall of barrage foundation of Mali dam reservoir project is introduced in detail. It is intended to provide useful experiences for similar engineering design and construction under the same geological conditions.

Design of suspended concrete cut-off wall with thin-wall; construction control index; three-dimensional finite element seepage stability analysis; plane finite element seepage calculation.

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.006

TV640.31

B

1673-8241(2017)02- 0034- 06