大壩防滲加固試驗(yàn)研究

(宜豐縣水務(wù)局，江西 宜豐 336300)

大壩防滲加固試驗(yàn)研究

周鵬李攀

(宜豐縣水務(wù)局，江西 宜豐 336300)

大壩的邊界條件、受力特征及幾何形狀非常復(fù)雜，各種因素造成的大壩滲場(chǎng)局限性和不穩(wěn)定性，威脅壩體安全和正常運(yùn)行。本文結(jié)合實(shí)際案例對(duì)防滲加固工程進(jìn)行了研究，計(jì)算具有代表性的滲流模型，清晰直觀地描述大壩建筑物運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)大壩防滲加固工程的設(shè)計(jì)施工具有借鑒意義。

大壩；防滲；試驗(yàn)研究

由于大壩的邊界條件、受力特征及幾何形狀等較為復(fù)雜，因此，以現(xiàn)有的技術(shù)水平還無(wú)法通過理論分析法得出大壩滲場(chǎng)。為更加清晰直觀地表示大壩運(yùn)行情況，本文通過實(shí)際案例對(duì)防滲加固工程進(jìn)行研究，最終計(jì)算出具有代表性的滲流模型，為類似工程設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 工程概況

豐產(chǎn)水庫(kù)位于江西省宜春市宜豐縣，是一座中型水庫(kù)，大壩為3級(jí)均質(zhì)碾壓式土壩，迎水面為漿砌石護(hù)坡，背水面為草皮護(hù)坡，上下游壩坡比均為1∶3，設(shè)計(jì)壩頂寬7m，頂高程7.04m，大壩全長(zhǎng)14290m。防滲墻加固方案為全封閉高壓噴射灌漿方案。

2 試驗(yàn)工況

自然環(huán)境中，大壩受力狀況不僅受水位影響，而且受到水位變動(dòng)、風(fēng)力變化等許多復(fù)雜因素影響。考慮在室內(nèi)試驗(yàn)中，相關(guān)因素難于逐一考慮，故本試驗(yàn)集中考慮主要條件，即以水庫(kù)正常最大蓄水位作為主要工況進(jìn)行滲流試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)研究工況為上游迎水面正常蓄水位5.40m，下游背水面滲溝水位+1.00m。選取三個(gè)斷面模型進(jìn)行滲透試驗(yàn)，其斷面模型分別是1+200、3+500、7+000。

1+200和3+500特征斷面在未經(jīng)加固的情況下進(jìn)行滲透試驗(yàn)，7+000斷面包含了兩個(gè)試驗(yàn)：加固前的滲透試驗(yàn)和加固后的滲透試驗(yàn)。防滲加固模型試驗(yàn)的實(shí)際情況見表1。

表1 防滲加固模型試驗(yàn)的工況

由表1可見，7+000加固試驗(yàn)后共有五種防滲墻，其型號(hào)分別是FSQ10、FSQ12、FSQ15、FSQ17、FSQ20，這幾種防滲墻均以28天齡期計(jì)算滲透系數(shù)，并與設(shè)計(jì)滲透參數(shù)5×10-7cm/s進(jìn)行對(duì)比，最終得出FSQ10、FSQ12的滲透系數(shù)為8.3×10-7cm/s、6.90×10-7cm/s，由此可以確定這兩種防滲墻在28齡期時(shí)防滲系數(shù)要高于防滲墻設(shè)計(jì)滲透系數(shù)。FSQ15、FSQ17、FSQ20的滲透系數(shù)分別為4.50×10-7cm/s、8.20×10-8cm/s和3.90×10-8cm/s，均小于防滲墻設(shè)計(jì)滲透參數(shù)。

3 防滲墻制作

從高壓噴射灌漿防滲墻材料看出：水泥、黏土及膨潤(rùn)土等均可作為防滲墻墻體填筑材料，由于每層墻體成分都有所差別，因此無(wú)法在通過模擬試驗(yàn)的方式還原實(shí)際防滲墻體。想要控制大壩滲漏，就應(yīng)該有效控制防滲墻的滲透系數(shù)，這也是防滲墻制作的關(guān)鍵，無(wú)論設(shè)計(jì)階段還是施工階段都必須嚴(yán)格遵循，只有這樣才可以確保防滲墻質(zhì)量滿足要求。此次研究除了計(jì)算防滲墻的防滲能力外，還測(cè)試了不同型號(hào)、含量水泥制作而成的防滲墻差別，并通過對(duì)比分析方式得出理想的防滲墻配比，以控制水泥的方式控制防滲墻滲透系數(shù)。

為防止縫隙過大而出現(xiàn)接觸沖刷現(xiàn)象，必須保證模型槽與模型大壩之間接觸緊密，大壩填筑前應(yīng)在槽壁內(nèi)部涂刷一層水泥黏土漿，確保水泥硬化后再進(jìn)行填筑，否則將大大影響試驗(yàn)效果，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。若縫隙過大還可以在中間涂抹一層凡士林，一方面提高了墻體穩(wěn)定性，另外一方面也提高了防滲性能(見圖1)。

圖1 箱壁與防滲墻連接部位

4 防滲墻防滲試驗(yàn)

為清晰直觀研究防滲墻的防滲效果，對(duì)部分防滲墻進(jìn)行了滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中把壩基底部的不透水層作為試驗(yàn)底層，然后把防滲墻墻體嵌入這一層中，抹平、壓實(shí)以后，開始向模型槽中注水。先對(duì)FSQ10進(jìn)行試驗(yàn)，蓄水池剛注入水時(shí)，無(wú)論是墻體還是外側(cè)都沒有出現(xiàn)滲水，但過了4h后，防滲墻開始逐漸向外滲水，而且在防滲墻的一側(cè)形成了積水，這說(shuō)明達(dá)不到設(shè)計(jì)防滲的要求。對(duì)FSQ20和FSQ15 防滲墻防滲性能進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)4h后防滲墻有稍微滲水痕跡，但是外側(cè)沒有出現(xiàn)積水，24h后，下游部分土地較濕潤(rùn)，但是沒有明顯的透水痕跡，表明FSQ20和FSQ15防滲墻防滲性能較好。

5 防滲試驗(yàn)效果分析

5.1 加固效果初步分析

1+200、3+500及7+000斷面在沒有加固前，無(wú)論是測(cè)壓管數(shù)據(jù)還是試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象都十分相似，滲透情況比較明顯，模型下游有較大積水現(xiàn)象。從而可推斷出整個(gè)大壩未加固前滲漏嚴(yán)重，已影響了正常使用，同時(shí)也給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大威脅。經(jīng)過加固后，滲流路徑有所延長(zhǎng)，而且滲漏處還要經(jīng)過防滲墻，因此之前的滲漏、積水現(xiàn)象有了很大改善，加固后能夠獲得理想的防滲效果。

5.2 防滲墻對(duì)滲流的影響分析

此次試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的防滲墻進(jìn)行防滲效果檢測(cè)，對(duì)不同的防滲效果進(jìn)行全面剖析。當(dāng)在FSQ20、FSQ15、FSQ17及FSQ12工況下，處在最外部的平臺(tái)是非常干燥的，這種現(xiàn)象正是在防滲墻作用下而產(chǎn)生的。但是當(dāng)處于FSQ10工況下時(shí)，防滲墻的作用就會(huì)大打折扣，最外側(cè)的平臺(tái)雖然無(wú)明顯積水，但其始終處于濕潤(rùn)狀態(tài)，這就表明仍然存在輕微滲水現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，防滲墻中水泥比例越高則其防滲能力越強(qiáng)，滲水量也越小，反之則相反(見圖2)。從圖2可以看出，當(dāng)防滲墻中水泥量占整體的比例達(dá)到一定值時(shí)，如果繼續(xù)加大水泥用量則滲流量變得不太明顯，因此，在防滲墻中只有加入適當(dāng)?shù)乃嗖拍芗扔辛己玫姆罎B效果，也可以降低造價(jià)成本。

圖2 7+000斷面各種工況下的滲流量

5.3 對(duì)比分析

5.3.1 加固前后兩種情況比較

圖3是1+200斷面在加固前與加固后兩種不同情況下斷面計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比圖形，仔細(xì)觀察圖形可發(fā)現(xiàn)測(cè)壓管D的試驗(yàn)值與計(jì)算值相差比較明顯，其中最大相差可以達(dá)到14%左右，但從整體來(lái)看加固前測(cè)壓管水位的試驗(yàn)值和計(jì)算值相差不大，曲線基本處于重合狀態(tài)；加固后與加固前相比其測(cè)壓水管的水位計(jì)算值有了明顯的變化，上、下游測(cè)壓水管水位也截然不同，前者明顯有所提升，后者下降非常明顯，由此可發(fā)現(xiàn)，加固后的防滲效果得到了顯著提升。

圖3 1+200斷面試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

對(duì)3+500斷面在加固前及加固后的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行比較分析，依照?qǐng)D形可發(fā)現(xiàn)在加固前測(cè)壓水管水位試驗(yàn)值和計(jì)算值沒有太大差異，曲線圖形基本重合，但測(cè)壓管D試驗(yàn)值和計(jì)算值相差比較明顯，且其最大差值可以達(dá)到17%，但是整體差異并不大；加固后與加固前對(duì)測(cè)壓水管水位進(jìn)行比較，則明顯有了很大的改變，上、下游測(cè)壓水管水位也各不相同，前者明顯提升，后者大幅度降低，這表明在加固后其防滲效果與加固前相比有了非常明顯提升。而7+000斷面在FSQ15工況狀態(tài)下，分析加固前后的滲流狀況能夠發(fā)現(xiàn)在加固前測(cè)壓水管水位試驗(yàn)值和計(jì)算值并無(wú)太大的差異，曲線圖也基本重合，其中最大相差值可達(dá)到14%左右。在加固后其計(jì)算值和試驗(yàn)值與加固前一樣并沒有明顯差異，但是其最大差值達(dá)到了26%。實(shí)際測(cè)量數(shù)值要比試驗(yàn)值和計(jì)算值兩者要高出很多，前者相差達(dá)到24%，后者達(dá)到了42%。加固后與加固前進(jìn)行比較，其測(cè)壓水管水位值變化比較明顯，上、下游的測(cè)壓水管水位各不相同，前者水位得到了提升，后者則下降比較明顯，由此可發(fā)現(xiàn)，在加固后其抗?jié)B能力能到了明顯的加強(qiáng)。

5.3.2 不同狀況計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

同樣根據(jù)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)FSQ20防滲墻兩種數(shù)值亦基本相等，圖形也基本處于重合狀態(tài)，其中平均相差達(dá)到19%，最大相差達(dá)到29%左右。

把FSQ17、FSQ15、FSQ10這三種防滲墻大壩的計(jì)算值和試驗(yàn)值分別進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)三者圖形可發(fā)現(xiàn)各防滲墻大壩試驗(yàn)值與計(jì)算值處于一種漸漸趨近狀態(tài)，曲線也基本處于重合狀態(tài)，但其計(jì)算值和試驗(yàn)值最大相差和平均相差則各不相同：FSQ17防滲墻大壩分別是34%、25%；FSQ15防滲墻大壩分別是26%、15%；FSQ10防滲墻大壩分別是39%、29%。通過上述比較結(jié)果可發(fā)現(xiàn)水泥用量在整體結(jié)構(gòu)中所占的比例越高其計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合度也越高，如果防滲墻中水泥量較少，則不但墻的承受能力差、防滲效果不明顯，而且也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的差異較大，但是水泥用量也不能太高，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定水泥的摻入比，從而使其兼顧各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

5.3.3 不同狀況試驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值比較

7+000斷面不同防滲大壩實(shí)際測(cè)量值和試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果在表2中得到了很好的展示。

表2 不同狀況試驗(yàn)與實(shí)測(cè)的測(cè)壓管讀數(shù)

由表2可知，在大壩內(nèi)側(cè)A列中當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)漸漸變小時(shí)，測(cè)壓水位是處于增長(zhǎng)狀態(tài)的，但B、C、D三列與之截然相反，從此結(jié)論可發(fā)現(xiàn)防滲墻在實(shí)際防滲漏水方面起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)整體試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，F(xiàn)SQ17、FSQ15、FSQ20與其它類型防滲墻相比其抗?jié)B能力尤為突出，同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果要比實(shí)際水庫(kù)防滲墻防滲效果要好得多。另外，F(xiàn)SQ12防滲墻試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量情況比較相似，存在防滲效果不明顯的缺點(diǎn)，而由于水泥的摻量比較低，F(xiàn)SQ10的抗?jié)B能力偏低。

6 結(jié) 語(yǔ)

模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析比較表明：這三種方式所得試驗(yàn)結(jié)果非常相似且重合程度較高，說(shuō)明試驗(yàn)所采用的方式是科學(xué)合理的，但由于各種因素會(huì)造成其存在一定的局限性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致三者的最終結(jié)果并不完全相等；把利用三種方式在加固前后斷面滲流變化方面所得到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)其抗?jié)B能力都得到了明顯的提高且滲流量明顯下降，極大改善了水庫(kù)大壩滲漏量大的問題，同時(shí)下游段滲透坡降和出口坡降的平均值都得到了顯著降低，分別達(dá)到了47%和42%，前者表明滲透要求符合標(biāo)準(zhǔn)，后者表明水力比降達(dá)到了滲透變形所需求的范圍，表明采用此類方式加固可使防滲效果更加良好且安全可靠。

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ExperimentalStudyofDamImpermeableReinforcement

ZHOU Peng, LI Pan

(YifengCountyWaterBureau,Yifeng336300,China)

The boundary conditions, force characteristics and geometrical shapes of the dam are very complicated. The limitations and instability of dam seepage field caused by various factors threaten the safety and normal operation of the dam. In the paper, actual cases are combined for studying anti-seepage reinforcement projects. The typical seepage models are calculated. The running state of the dam building is described intuitively and clearly, thereby the paper has reference significance for design and construction of dam anti-seepage reinforcement projects.

dam; anti-seepage; test

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.011.009

TV640.31

A

1673-8241(2017)011-0034-04