汾河二庫碾壓混凝土壩壩體抗?jié)B性評估

辛長青

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

汾河二庫碾壓混凝土壩壩體抗?jié)B性評估

辛長青

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

文中分析了碾壓混凝土壩滲水的原因和后果，較詳細地介紹了山西省汾河二庫碾壓混凝土壩壩體抗?jié)B性評估的方法及資料分析。

汾河二庫；碾壓混凝土；抗?jié)B性；壓水試驗

汾河二庫位于山西省太原市尖草坪區(qū)與陽曲縣交界的汾河干流上，下游距太原市約30 km。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長228 m，最大壩高88 m。大壩采用全斷面通倉薄層、連續(xù)攤鋪碾壓的施工方式，這種施工方式在施工方便快速的同時也會在壩體產(chǎn)生較多的層面和冷縫，如果處理不當容易形成滲漏通道，影響大壩的抗?jié)B性能，影響大壩的綜合質(zhì)量。特別是對于高壩來說，連續(xù)施工形成的層間結(jié)合面質(zhì)量的好壞對大壩抗?jié)B性和綜合質(zhì)量的影響特別重要，因此，如何在現(xiàn)場準確測量碾壓混凝土的滲透性，對碾壓混凝土大壩的防滲質(zhì)量控制意義重大。本文擬對汾河二庫碾壓混凝土壩壩體的抗?jié)B性評估做一簡單的介紹。

1 碾壓混凝土壩滲水的原因和后果

1）裂縫是導(dǎo)致碾壓混凝土大壩發(fā)生滲水現(xiàn)象的主要原因，分析國內(nèi)外已建碾壓混凝土大壩產(chǎn)生裂縫的原因，主要可以歸納為以下兩個方面:

（1）碾壓混凝土理化反應(yīng)造成的裂縫。一是碾壓混凝土的溫度應(yīng)力導(dǎo)致的細微裂縫，二是水泥的水化熱過大形成的裂縫[1]，三是由碾壓混凝土的徐變導(dǎo)致裂縫后產(chǎn)生的滲漏通道。

（2）碾壓混凝土施工原因造成的裂縫。一是施工中振動碾壓不密實形成的裂縫，二是骨料分離形成的裂縫，三是碾壓混凝土間歇層面接合不良產(chǎn)生的縫隙，四是在斜層平鋪施工中邊角以及建筑節(jié)點處置不良而形成滲漏通道，五是由于壩體止水帶周邊變態(tài)混凝土處置不當而形成縫隙滲漏[2]。

2）碾壓混凝土壩滲水導(dǎo)致的嚴重問題。碾壓混凝土壩滲水主要會導(dǎo)致三個方面的嚴重問題：一是滲透水從層面間進入并侵蝕壩體，降低壩體在該層面的抗剪強度，增大壩體的揚壓力和孔隙水壓力，導(dǎo)致大壩的抗滑穩(wěn)定性下降；二是滲透水會導(dǎo)致碾壓混凝土結(jié)構(gòu)中的游離鈣離子以及其它成份析出，對碾壓混凝土強度和耐久性產(chǎn)生不良影響；三是滲水導(dǎo)致碾壓混凝土內(nèi)的孔隙含水量過高會直接加劇碾壓混凝土的凍融破壞。

2 碾壓混凝土壩抗?jié)B性評估的目的、依據(jù)和方法

1）目的

抗?jié)B性是碾壓混凝土性能應(yīng)滿足的設(shè)計要求之一，是評價碾壓混凝土綜合質(zhì)量的一個重要指標。評估的目的是測定壩體滲透性能，評估壩體的抗?jié)B性是否滿足設(shè)計的要求，為壩體質(zhì)量的整體評價提供依據(jù)。

2）依據(jù)

（1）規(guī)程規(guī)范?！端つ雺夯炷潦┕ひ?guī)范》（SL53-94）和《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》（SL25-92）。

（2）設(shè)計要求。汾河二庫碾壓混凝土大壩設(shè)計呂榮值應(yīng)小于或等于1 Lu。

（3）方法。壩體滲透性測定的方法是鉆孔壓水試驗法，即采用呂榮（M.Lugeon）試驗作為常規(guī)性的壓水試驗方法。

3 主要試驗設(shè)備的選擇

根據(jù)汾河二庫的實際情況，主要試驗設(shè)備的選擇如表1所述：

表1 汾河二庫現(xiàn)場壓水試驗主要設(shè)備表

考慮到汾河二庫碾壓混凝土的性質(zhì)，試驗選用液壓回轉(zhuǎn)巖芯鉆機，使用金剛石鉆頭并配備兩臺泥漿泵?？紤]到單管頂壓式止水柱塞操作簡單，且在其他工程上使用較多，選用單管頂壓式止水柱塞封孔，柱塞外徑為75 mm，要求長度大于525 mm。試驗用的供水設(shè)備主要包括精密流量泵、穩(wěn)定空壓室、濾水器等，選用的精密流量泵最大壓力可以達到1.6 MPa，其壓力可以在0～1.6 MPa之間調(diào)節(jié)，流量可在0～1.3 L/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。流量儀選用湖南湘水基礎(chǔ)公司研制的H97-2型流量測試儀，該儀器能測出的最小滲流量可達到 1.3×10-5L/min。

4 碾壓混凝土現(xiàn)場壓水試驗的方法

4.1 壓水試驗方案

試驗采用自上而下分段壓水的方式進行，每個分段的長度要按照規(guī)范和設(shè)計文件要求確定，分段要包含層間結(jié)合面，試驗中如果發(fā)現(xiàn)滲透量較大時，要及時調(diào)整栓塞位置，減小試驗段長度來找出滲透量最大的部位，在完成全部試驗后，要對鉆孔進行灌漿封孔處理。

4.2 布置試驗孔位

壓水試驗鉆孔共布置4孔，孔深不同，孔徑均為Φ75 mm。在碾壓混凝土大壩的兩側(cè)擋水壩段和中部的引水壩段各布置一個鉆孔，三個孔位都位于碾壓混凝土二級配防滲區(qū)，距大壩上游面約1.5 m。第4個壓水試驗孔位于引水壩段的三級配壩區(qū)內(nèi)。布孔時要求避開壩體內(nèi)排水孔，不破壞壩內(nèi)預(yù)埋件，防止串孔發(fā)生。見圖1。

圖1 汾河二庫碾壓砼大壩壓水試驗鉆孔布置

4.3 試驗段長度的確定

汾河二庫碾壓混凝土的升程高度（滑模在分層澆注時每層的上升高度）是2.1 m，使用組合式滑模板壓水試驗的測試段長度根據(jù)該升程確定，每個壓水試驗段長基本按照升程高度的一半確定，均分后每個試驗段長度確定為1.05 m(個別段為1.4 m)，每一個升程中的一段不含間歇層縫面，另一段含間歇層縫面，各分段的底高程控制在間歇層下0.5～0.75 m之間。

4.4 試驗段試驗水壓力

《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》（SL25-92）要求巖體滲透試驗的最大壓力一般要達到1 MPa，如果試驗段距離地表較近時，要考慮巖體抬動變形致使試驗透水率失真的問題?？紤]到碾壓混凝土強度小于巖體，且試驗段距離混凝土外表面1.5 m，考慮到不能擾動或抬動碾壓混凝土，致使試驗透水率失真的問題，試驗段水壓力要控制在0.3～0.6 MPa之間。采用單點法壓水試驗后，每個鉆孔自上而下的第1、2、3、4段壓力確定為0.3 MPa，從第5段開始以下各段壓力確定為0.6 MPa，操作上要先在0.3 MPa的壓力下持續(xù)5～10min并仔細觀察無異常反應(yīng)后，方可升壓至0.6MPa。

4.5 試驗方法

4.5.1 鉆孔及清洗

壓水試驗的鉆孔采用巖芯鉆機，Φ75 mm金剛石鉆頭旋轉(zhuǎn)推進，鉆進深度按照計劃壓水試驗段長度確定。鉆孔前要將鉆機固定，確保鉆機立軸垂直，機座平穩(wěn)固定。在鉆至孔底后開啟注水泵至最大流量持續(xù)洗孔，在孔口回水變清且水中無巖粉時方可停止。

4.5.2 試驗段隔離裝置的安裝。

首先要確保止水膠塞完好，止水隔離裝置滑動正常，管接頭是否連接牢固等。檢查完畢后，將止水隔離裝置裝入孔內(nèi)，再安裝流量測試儀、壓力表、供水泵、濾水器、穩(wěn)定空氣室等設(shè)備。在每次壓水前，均需先進行檢查，確保止水隔離裝置不漏水后方可進行試驗。

4.5.3 壓水試驗設(shè)備調(diào)試

設(shè)備調(diào)試的順序是：在確認關(guān)閉調(diào)壓閥后，通過精密流量泵先向試驗孔段內(nèi)注水，排凈空氣，并且觀察到空口回水中無雜質(zhì)后，將止水隔離裝置壓入孔內(nèi)進行隔離，在檢查無誤后，使用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)孔內(nèi)壓力，在孔內(nèi)壓力穩(wěn)定在設(shè)計值時，先關(guān)閉供水閥，隨后打開流量測試儀并對調(diào)壓閥進行微調(diào)，使試驗段水壓力穩(wěn)定在設(shè)計值。

4.5.4 流量、壓力觀測讀數(shù)

依據(jù)鉆孔壓水試驗技術(shù)要求，在壓力穩(wěn)定后可以開始進行流量觀測。試驗中，用電子秒表每5 min測一次流量，連續(xù)測5次，其中最大值與最小值低于最終流量的10%時，可結(jié)束該段試驗并取最終值作為計算值。試驗中如果發(fā)現(xiàn)滲透量較大時，需不斷調(diào)整栓塞位置，逐漸減小壓水段長度，在通過水泵的水表來讀取數(shù)據(jù)，找出該段內(nèi)滲量最大的位置。

4.5.5 試驗后封孔

完成試驗后，封孔需要采用水泥砂漿分段灌漿，灌漿之前仍需先用0.4 MPa的壓力水洗孔。灌漿時采用不同的壓力，0～8 m段灌漿壓力采用0.4 MPa，8～16 m段灌漿壓力采用0.6 MPa，16 m以下灌漿壓力采用0.8 MPa，在孔內(nèi)漿液初凝后，再用M20水泥砂漿人工封堵孔口。

5 資料分析

《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》（SL25-92）給出了混凝土透水率的計算公式如下:

式中:q——壓水試驗段透水率，Lu；

L——壓水試驗段長度，m；

Q——流量，L/min；

P——試驗段壓力值，MPa。

每一孔的壓水試驗完成后，將每段的試驗成果匯編表，就是該孔的壓水試驗成果，引水壩段的試驗孔成果見表2：汾河二庫碾壓混凝土壩壓水試驗檢測成果表。

表2 汾河二庫大壩2#孔壓水試驗成果表

計算后對每段的試驗成果進行數(shù)理統(tǒng)計分析，透水率統(tǒng)計表一般按照透水率大小分五個范圍計算，綜合分析大壩的防滲狀況。分析成果見表3、表4、表5。

表3 汾河二庫二級配壓水試驗透水率統(tǒng)計表

表4 汾河二庫壓水試驗透水率匯總表

表5 汾河二庫壓水試驗透水率統(tǒng)計表

常規(guī)壓水試驗的P-Q曲線可以分為5種類型，依據(jù)碾壓混凝土分層施工的特點，碾壓混凝土的滲流狀態(tài)可視為層流，在進行壓水試驗過程中，有裂縫不可能隨著壓力的升高發(fā)生明顯變化。故其升壓曲線是一條通過原點的直線，其降壓曲線與升壓曲線基本處于重合狀態(tài)（如圖2）。

從壓水試驗成果可知全部試驗段最大值為0.054 Lu，90%以上的數(shù)據(jù)小于0.009 Lu，均遠小于設(shè)計要求的1 Lu，汾河二庫大壩碾壓混凝土抗?jié)B指標比較均勻，整體抗?jié)B性能較好。三級配碾壓混凝土的平均值大于二級配防滲層混凝土，在二級配防滲層碾壓混凝土中，最大透水率均發(fā)生在層間結(jié)合面，大于碾壓層中的透水率，這說明層間結(jié)合面處理是碾壓混凝土澆筑的關(guān)鍵，其他工程在施工中應(yīng)重點注意。

圖2 P-Q曲線類型及曲線特點圖

6 結(jié)語

1）汾河二庫碾壓混凝土壩壩體鉆孔壓水試驗，確定的最大試驗壓力為0.6 MPa，試驗呂榮值小于或等于1 Lu，是符合工程實際的，也是合理的。

最大試驗壓力值的確定，一是要符合規(guī)范的要求，二是在壓水試驗過程中，保證壩體結(jié)構(gòu)不受破壞或潛在的破壞。

試驗呂榮允許值的確定，一是要符合壩體結(jié)構(gòu)安全和運行安全的要求，二是使P-Q曲線呈線性，便于分析和預(yù)報。

2）鉆孔壓水試驗結(jié)果表明，試驗呂榮值遠小于設(shè)計要求值，上游面二級配碾壓混凝土的滲透系數(shù)可達10-10cm/s，可見壩體整體抗?jié)B穩(wěn)定性能良好，滿足設(shè)計要求。

［1］孫啟冀，侍克斌，李 捷.寒冷干旱地區(qū)高碾壓混凝土壩溫控防裂研究初探［J］.混凝土，2013（06）:150-151.

［2］孫啟冀，侍克斌，李玉建.寒冷干旱地區(qū)高碾壓混凝土壩裂縫成因分析［J］.人民黃河,2012（04）:100-101，105.

Assessment on Dam Body Impermeability of the Roller Compacted Concrete Dam of Fenhe Second Reservoir

XIN Chang-qing

The paper anlyzes the causes and consequences of weeping water from the dam body of the roller compacted concrete dam and more thoroughly introduces the assessment method and data analysis on the dam body impermeability of this dam type of Fenhe Second Reservoir.

Fenhe Second Reservoir；roller compacted concrete dam；impermeability；water pressure test

TV642.2

B

2017-03-24

2017-04-05

辛長青（1975-），男，2005年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，工程師。

1006-8139（2017）03-019-04