堆石混凝土重力壩壩體防滲設(shè)計(jì)

陳煥民

黔東南州水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州凱里 556000

0 前言

某水庫(kù)工程主要任務(wù)是提供灌溉用水和生活用水，水庫(kù)總庫(kù)容1 518萬(wàn)m3，大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高71 m，壩頂總長(zhǎng)148 m，壩頂寬6 m；壩體設(shè)有永久性橫縫，橫縫間距為15～20 m，由壩基貫通壩頂；壩體上游防滲層為二級(jí)配C25高自密實(shí)混凝土，厚0.80 m，防滲等級(jí)W10，抗凍等級(jí)F100?；A(chǔ)排水廊道為城門(mén)洞形，斷面尺寸1.80 m×2.50 m，全長(zhǎng)106 m，采用50 cm 厚C25 高自密實(shí)混凝土襯砌；基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)岸坡段采用C15高自密實(shí)混凝土，厚0.60 m，防滲等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F50；其余部位采用C15堆石混凝土，防滲等級(jí)W4，抗凍等級(jí)F50。

1 壩體防滲設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 678-2014（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“導(dǎo)則”）第5.5 節(jié)對(duì)膠結(jié)顆粒料壩（包括堆石混凝土壩和膠凝砂礫石壩兩種壩型）的壩體防滲做出了具體規(guī)定，其中第5.5.2 條提出膠結(jié)顆粒料壩防滲設(shè)計(jì)的共性要求，第5.5.4 條是在共性要求的基礎(chǔ)上提出堆石混凝土壩防滲設(shè)計(jì)的具體要求。此工程采用防滲自密實(shí)混凝土與防滲堆石混凝土共同構(gòu)建大壩防滲體系的設(shè)計(jì)方案。

1.1 防滲層材料抗?jié)B等級(jí)及防滲層厚度確定

根據(jù)導(dǎo)則第1.0.3條規(guī)定，當(dāng)堆石混凝土壩的壩高超過(guò)70 m時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充必要的專(zhuān)題論證。因此在第5.2.2 條防滲設(shè)計(jì)的一般規(guī)定中，僅針對(duì)防滲層承壓水頭H＜30 m和30 m≤H＜70 m這兩種情況提出了抗?jié)B等級(jí)分別不低于W4 和W6 的要求，而未對(duì)H≥70 m時(shí)防滲層的抗?jié)B等級(jí)進(jìn)行規(guī)定。

本水庫(kù)大壩防滲層最大承壓水頭為70 m，結(jié)合現(xiàn)行水利行業(yè)規(guī)范針對(duì)70 m壩高的壩體防滲層材料抗?jié)B等級(jí)采用W10相對(duì)安全。試驗(yàn)研究表明自密實(shí)混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能，在強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí)其抗?jié)B等級(jí)也較高，因此選定W10作為此工程防滲自密實(shí)混凝土的抗?jié)B等級(jí)。此外，第5.2.2條還規(guī)定了防滲層底部厚度宜為最大水頭的1/30～1/60，此工程從偏安全考慮出發(fā)，將大壩防滲層厚度取為2.50 m，為最大水頭的1/28。

1.2 防滲自密實(shí)混凝土厚度確定

根據(jù)導(dǎo)則第5.5.4 條規(guī)定，防滲自密實(shí)混凝土厚度宜為0.30～1 m。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，自密實(shí)混凝土的膠凝材料用量較高，水化熱溫升和自生體積變形較大，若防滲自密實(shí)混凝土過(guò)厚容易增加其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，此工程防滲自密實(shí)混凝土厚度取0.50 m，對(duì)應(yīng)由同標(biāo)號(hào)自密實(shí)混凝土填充的防滲堆石混凝土厚度為2 m，如圖1所示。

圖1 防滲層示意圖

防滲層澆筑采用自密實(shí)混凝土與堆石混凝土一體化澆筑工藝，澆筑過(guò)程中部分防滲自密實(shí)混凝土流入壩體內(nèi)部普通堆石混凝土區(qū)域，進(jìn)而增加壩體防滲層厚度的安全裕度。

1.3 壩體防滲層水平施工縫技術(shù)要求

自密實(shí)混凝土和堆石混凝土本體均具有優(yōu)良的抗?jié)B性能，壩體防滲的薄弱環(huán)節(jié)是堆石混凝土水平施工縫面。堆石混凝土拱壩對(duì)層間結(jié)合性能要求更高，為了提高層間堆石裸露面積，拱壩工程多數(shù)采用塔吊進(jìn)行堆石，水平施工縫面處理效果良好，大壩堆石混凝土的密實(shí)性、防滲性和層間結(jié)合質(zhì)量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，部分蓄水拱壩工程壩體壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 部分蓄水拱壩工程壩體壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于堆石混凝土重力壩，考慮汽車(chē)入倉(cāng)堆石與倉(cāng)面塊石外露之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，提出壩體防滲層水平施工縫技術(shù)要求：

在施工縫面的上、下游側(cè)設(shè)置堆石外露區(qū)，外露堆石高出混凝土澆筑面50～150 mm，露出部分不超過(guò)堆石自身高度的1/3，堆石露出的投影面積不小于外露區(qū)面積的20%；

堆石外露區(qū)在平行壩軸線(xiàn)方向貫穿整個(gè)壩段，分別布置于上、下游側(cè)，每側(cè)的范圍不小于2.50 m，具體布置參見(jiàn)圖2。

圖2 水平施工縫面堆石外露區(qū)平面示意圖

2 壩體防滲設(shè)計(jì)復(fù)核

根據(jù)上述擬訂方案，復(fù)核設(shè)計(jì)的防滲層抗?jié)B等級(jí)與厚度是否滿(mǎn)足SL 319-2018及SL 678中的相關(guān)規(guī)定要求。

2.1 滿(mǎn)足SL 319-2018防滲層混凝土水力坡降與防滲等級(jí)的要求

SL 319-2018 第8.5.4 條規(guī)定了防滲層混凝土抗?jié)B等級(jí)應(yīng)根據(jù)其所在部位的水力坡降i確定，根據(jù)本工程防滲設(shè)計(jì)方案，分別從下列3種情況進(jìn)行復(fù)核：

假設(shè)2.50 m 防滲層均勻承擔(dān)全部水頭，計(jì)算水力坡降i=28，根據(jù)SL 319-2018的規(guī)定，防滲層材料抗?jié)B等級(jí)取W6即可滿(mǎn)足要求。此工程防滲層抗?jié)B等級(jí)取W10，表明防滲設(shè)計(jì)方案足夠安全。

假設(shè)防滲自密實(shí)混凝土和防滲堆石混凝土各自承擔(dān)部分水頭，已知自密實(shí)混凝土抗?jié)B等級(jí)為W10，堆石混凝土的抗?jié)B性能相較于自密實(shí)混凝土稍有下降（骨料粒徑過(guò)大后，過(guò)長(zhǎng)的膠結(jié)面使得抗?jié)B性能有所降低），防滲堆石混凝土抗?jié)B等級(jí)取W6。計(jì)算二者可抵御的水頭高度見(jiàn)表2，結(jié)果顯示此防滲設(shè)計(jì)方案至少能夠抵抗85 m 水頭，表明此防滲設(shè)計(jì)方案足夠安全。

表2 防滲自密實(shí)混凝土取不同水力坡降下防滲設(shè)計(jì)方案可抵御水頭高度表

僅考慮0.50 m防滲自密實(shí)混凝土防滲的最不利工況，對(duì)應(yīng)水力坡降i=140＞50，其抗?jié)B設(shè)計(jì)等級(jí)W10也滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.2 滿(mǎn)足SL 678承壓水頭與防滲厚度的要求

SL 678 規(guī)定在堆石混凝土重力壩的上、下游側(cè)的水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)域均宜設(shè)置防滲區(qū)，防滲區(qū)由自密實(shí)混凝土防滲面層和堆石混凝土防滲區(qū)組成，并同步整體澆筑。

水庫(kù)大壩最大承壓水頭為70 m，防滲層厚2.50 m，其中自密實(shí)混凝土防滲面層寬度為0.50 m，防滲區(qū)自密實(shí)混凝土抗?jié)B等級(jí)統(tǒng)一采用W10，滿(mǎn)足SL 678要求。

3 結(jié)論

綜上所述，此水庫(kù)工程大壩防滲層設(shè)計(jì)為0.50 m 的W10防滲自密實(shí)混凝土和2 m 的同標(biāo)號(hào)自密實(shí)混凝土填充的防滲堆石混凝土共同構(gòu)成，不僅符合SL 678 和SL 319 的規(guī)定，而且經(jīng)過(guò)復(fù)核留有富裕的安全保障。此外，在此水庫(kù)大壩施工縫面的上、下游側(cè)需設(shè)置不小于防滲區(qū)寬度的堆石外露區(qū)，進(jìn)一步提高堆石混凝土重力壩的層間結(jié)合性能。