灌洋水庫(kù)混凝土重力壩防滲加固措施

江慶鴻

(福建省龍巖市永定區(qū)陳東鄉(xiāng)水利工作站,福建 龍巖 364105)

0 引言

在時(shí)間不斷推移進(jìn)程中，灌洋水庫(kù)混凝土重力壩損傷、老化問(wèn)題不可避免，如：混凝土材料強(qiáng)度下降、重力壩出現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)展的裂縫、重力壩滲漏增大等。相關(guān)問(wèn)題的出現(xiàn)，導(dǎo)致灌洋水庫(kù)混凝土重力壩安全性、耐久性均出現(xiàn)不同程度的下降，關(guān)于混凝土重力壩防滲加固的系統(tǒng)性研究，始終是國(guó)內(nèi)外水工結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)?；诖?，對(duì)混凝土重力壩防滲加固的對(duì)策進(jìn)行適當(dāng)分析具有非常重要的意義。

1 灌洋水庫(kù)混凝土重力壩的防滲加固背景

灌洋水庫(kù)混凝土實(shí)體重力壩全長(zhǎng)為122 m，最大壩高48.00 m，共分為5個(gè)壩段。灌洋水庫(kù)混凝土實(shí)體重力壩始建于1970年，1986年蓄水至今已運(yùn)行近44 a，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。根據(jù)灌洋水庫(kù)工程技術(shù)應(yīng)用記錄、施工影像觀察，由于歷史原因，灌洋水庫(kù)大壩原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，施工質(zhì)量不佳。特別是在施工縫位置，存在較大的接縫漏水、壩體變形問(wèn)題。

2 灌洋水庫(kù)混凝土重力壩的防滲加固對(duì)策

2.1 灌洋水庫(kù)施工前壩體情況分析

(1)

式①中λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為kJ/(m·h·℃)。因熱量平衡將溫度升高所吸收的能量進(jìn)行化簡(jiǎn)后可以得出混凝土重力壩熱傳導(dǎo)方式為：

(2)

上述式子中a為導(dǎo)溫系數(shù)，為導(dǎo)熱系數(shù)與比熱、密度的商，τ為時(shí)間(混凝土齡期)，θ為混凝土的絕熱溫升。灌洋水庫(kù)混凝土重力壩中混凝土比熱、導(dǎo)熱系數(shù)分別取0.96 kJ/(kg·℃)、10.60 kJ/(m·h·℃)，而基巖比熱、導(dǎo)熱系數(shù)分別取0.97 kJ/(kg·℃)、8.60 kJ/(m·h·℃)。考慮到防滲墻施工混凝土為普通硅酸鹽C20常態(tài)混凝土，可以采用復(fù)合指數(shù)公式對(duì)其水化熱進(jìn)行計(jì)算，即：

Q(τ)=Q0(1-e-aτb)

(3)

上述公式中，Q(τ)為灌洋水庫(kù)混凝土齡期為Q0時(shí)的累積水泥水化熱，Q0為混凝土齡期趨近于無(wú)窮大時(shí)最終水泥水化熱，a、b均為無(wú)量綱系數(shù)，在Q0為330 J/kg時(shí)，a為0.69，b為0.56。

利用ANSYS非線性分析軟件，結(jié)合上述公式，對(duì)灌洋水庫(kù)混凝土重力壩防滲加固施工前期，以及施工(開(kāi)挖、澆筑)過(guò)程中結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、邊界條件、材料性能、荷載及結(jié)構(gòu)溫度變化、新澆筑混凝土熱力學(xué)影響進(jìn)行仿真分析，可以確定灌洋水庫(kù)整個(gè)動(dòng)態(tài)施工過(guò)程最佳施工進(jìn)度方案。通過(guò)對(duì)灌洋水庫(kù)混凝土重力壩加固前整體模型、分縫模型因水泥水化熱而出現(xiàn)的水平位移、豎向位移進(jìn)行對(duì)比可知，灌洋水庫(kù)大壩分縫位置變形處于不連續(xù)狀態(tài)，可以在各壩塊間出現(xiàn)相對(duì)滑移。

2.2 施工期壩體縱縫處理

灌洋水庫(kù)混凝土重力壩上游部位防滲加固基本思路為：利用靜態(tài)切槽技術(shù)，在靠近大壩上游部位縱縫位置切割一溫度適當(dāng)?shù)那徊?，將防滲性能較好的微膨脹混凝土回填到腔槽內(nèi)匝，促使其在灌洋水庫(kù)原壩體內(nèi)部形成一道具有阻水防滲作用的混凝土防滲墻，最大限度提高壩體整體安全性，降低壩體溶蝕、滲漏、凍脹問(wèn)題出現(xiàn)概率。同時(shí)混凝土重力壩防滲墻底部設(shè)置一灌漿帷幕及排水廊道(分層設(shè)置兩道或三道)、輻射狀排水孔，用于防滲墻高程以下的壩體加固。具體施工步驟為如圖1所示。

圖1 灌洋水庫(kù)混凝土重力壩防滲加固施工步驟圖

考慮到灌洋水庫(kù)防滲墻混凝土澆筑為自下而上跨縫施工，開(kāi)挖高度在37 m以上，底部需深入基巖100 cm以下，極易因挖洞、開(kāi)槽對(duì)壩體造成損傷，致使新老混凝土結(jié)合不良形成新的滲漏面，或者在施工期間出現(xiàn)涌水安全風(fēng)險(xiǎn)，影響大型施工設(shè)備投入應(yīng)用。因此，在壩體開(kāi)槽前，可以于部分壩段挖設(shè)水平進(jìn)入壩的交通廊道及施工豎井、投料豎井。灌洋水庫(kù)施工擬在15 d內(nèi)完成防滲墻第一層開(kāi)挖，在一個(gè)星期內(nèi)完成防滲墻第一層澆筑，在4 d內(nèi)、1 d內(nèi)分別完成其余2.50 m層開(kāi)挖、混凝土澆筑，在8 d、2 d內(nèi)完成其余4 m層每層開(kāi)挖、混凝土澆筑。

考慮到灌洋水庫(kù)大壩施工過(guò)程為跨縱縫施工，縱縫內(nèi)含填充物對(duì)壩體安全穩(wěn)定性具有較大不利影響，因此，在計(jì)算過(guò)程中可以選擇一層25 cm厚柔性較大的實(shí)體夾層單元，搭建模擬模型，最終得出施工期間灌洋水庫(kù)溢流壩段防滲壩頂、壩趾位移如表1所示。

表1 灌洋水庫(kù)實(shí)體夾層單元模型中壩頂、壩趾位移及應(yīng)力變化表

由上表可得，施工期間灌洋水庫(kù)壩體水平向下游位移呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，豎向沉降位移則出現(xiàn)增大趨勢(shì)，可能是由于混凝土澆筑后壩頂、壩下游體穩(wěn)定安全性有所提升。與此同時(shí)，在實(shí)體夾層單元模型中引入公式(2)、(3)，對(duì)灌洋水庫(kù)防滲墻混凝土施工階段溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，可以得出所采用的混凝土開(kāi)挖、澆筑尺寸與壩體整體安全穩(wěn)定性的關(guān)系。即從防滲墻局部范圍入手，綜合考慮新澆筑混凝土水化熱溫升等因素對(duì)新、老混凝土結(jié)合狀態(tài)的影響。為避免防滲墻新、老混凝土結(jié)合狀態(tài)受混凝土水化熱溫升而出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的拉、壓情況，施工技術(shù)人員可以在混凝土水化熱溫升因素影響明顯的位置進(jìn)行老混凝土鑿毛、鍵槽鋪設(shè)、錨筋埋設(shè)、砂漿鋪設(shè)作業(yè)，保障壩體長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。以第六層防滲墻混凝土澆筑完成為例，此時(shí)，新澆筑混凝土最大溫度升高為8.20℃所造成的開(kāi)挖周邊最大拉引力為0.35 MPa，可以按最小配筋率0.15%為標(biāo)準(zhǔn)，在混凝土(膨脹率為0.05%～0.06%)內(nèi)摻入相當(dāng)于水泥重量5.00%UEA膨脹劑后，鋪設(shè)間距為200 mm×200 mm的HRB335錨筋，達(dá)到限制拉應(yīng)力的目的。

2.3 灌洋水庫(kù)混凝土重力壩的防滲加固效果

由于施工階段需要在防滲墻開(kāi)挖澆筑下游側(cè)設(shè)置加錨筋、鍵槽等工具進(jìn)行壩體連結(jié)，為確定壩體加固后效果，可以對(duì)施工前后壩體壩頂、壩踵位移情況進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果如下。

表2 施工前后灌洋水庫(kù)混凝土重力壩體壩頂、壩踵位移情況對(duì)比表

由表2可知，因防滲墻加固作用，混凝土重力壩分縫模型水平向最大位移出現(xiàn)在壩頂位置，加固后壩塊出現(xiàn)協(xié)調(diào)變形，水平位移、豎向沉降位移均有所增大，且處于連續(xù)狀態(tài)，表明灌洋水庫(kù)防滲墻加固施工作業(yè)結(jié)束后壩塊處于完全協(xié)同狀態(tài)，可以改善壩體應(yīng)力狀態(tài)，提高壩體防滲能力。

3 總結(jié)

綜上所述，經(jīng)過(guò)防滲加固后的灌洋水庫(kù)混凝土重力壩的壩體廊道內(nèi)、背水坡壩身滲漏現(xiàn)象基本消除，擋水壩集中漏水口位置也基本干涸，達(dá)到了除險(xiǎn)加固目標(biāo)。因此，施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)灌洋水庫(kù)混凝土重力壩裂縫位置及特點(diǎn)，結(jié)合混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范及抗?jié)B等級(jí)要求，選擇恰當(dāng)?shù)姆罎B加固技術(shù)，科學(xué)施工，保證灌洋水庫(kù)混凝土重力壩防滲加固施工效果，提高灌洋水庫(kù)混凝土重力壩的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。