浅谈水利工程塑性混凝土防渗墙设计

Word版本，下载可自由编辑浅谈水利工程塑性混凝土防渗墙设计塑性混凝土防渗墙具有低强度、低弹模和适应性等特性，因此被广泛应用在水利工程防渗加固中。本文结合汕头某水利防渗工程实例，利用分析其渗透缘由，对塑性混凝土防渗墙设计举行了分析。

1工程概况

某水电工程是一项中型跨流域调水发电工程，其水库枢纽通过自然 地形条件，封堵暗河以山体作坝建库。副坝基础古河道防渗与暗河拱堵头、山体防渗灌浆帷幕共同组成枢纽挡水建造物。该工程为Ⅲ等中型工程，挡水建造物为3级。

副坝位于暗河右侧的古河道，通过古河道的原状冲洪积层和两岸的崩坡积体作为坝体材料，经开挖和局部回填形成副坝，副坝坝顶高程1185m，坝顶长度210m，坝顶宽13m，最大坝高7m。古河道底基岩呈开敞“u”型。最低基岩面高程1137m。副坝防渗体采纳塑性混凝土防渗墙，墙顶高程1181.5m，墙长193.2m。墙厚0.8m，墙底最低高程1135.8m，平均墙深31.1m，最大墙深达45.7m。

2防渗体设计

2.1防渗体的型式及布置

防渗体采纳塑性混凝土防渗墙，墙顶高程按水库设计洪水位l180.68m加平安超高确定为1181.5m。墙底要求嵌入两岸及河床基岩内1.0m，墙底最低高程1135.8m。

2.2有限元计算

2.2.1基本数据

1)水库特征水位

校核洪水位：1185.2m(P=0.2%)

设计洪水位：1180.68m(P=2%)

正常蓄水位：1180m

汛限水位：1177m

死水位：1140m

2)塑性混凝土物理力学指标

容重：2.0～2.3t/m3

浮容量：1.0～1.3t/m3

抗压强度：2～3MPa

弹性模量：500～800MPa

水力梯度：60

抗渗：W6

平安系数：K=6

塑性混凝土非线弹性指标见表1。

表1防渗墙塑性混凝±非线性弹性参数

2.2.2计算工况及荷栽组合

计算工况为水库正常蓄水状况，并考虑坝体开挖施工过程。计算选用副坝0+118.5m桩号断面。

荷载组合为：施工过程荷载+墙体自重力+正常蓄水后的水作用力。

2.2.3应力、应变分析

1)塑性混凝土的力学模型

计算选用邓肯一张模型举行静力作用下的强度分析：强度准则采纳莫尔一库仑强度标准。

2)数值分析

计算采纳大型岩土工程数值分析软件系统FINAL源程序，容纳了非线性弹性，弹塑性，粘弹塑性、损伤断裂等岩土材料的多种本构模型.对岩土工程的施工办法和施工步骤可举行跟踪模拟分析。

①有限元模型及边界条件

在墙上游取100m，下游取45m，囫囵分成953个三角形6节点高精度等参元。89个高精度节理元，节点总数4120。

②节理单元参数

实际计算中节理单元参数如表2所示。

表2节理单元参数

③计算结果

考虑基岩为全风化状况，墙体弹模分离选500、800、1200MPa几种类型，依据前述参数及理论，计算正常蓄水时防渗墙的应力和变形。

由些可见，在墙体弹模为500MPa、墙体最大压应力σmax为2.778MPa，其值小于抗压强度指标3MPa;当墙体弹模为800MPa，σmax为3.399MPa，比抗压强度标准高13.3%：当墙体弹模为1200MPa时，σmax比抗压强度指标高32.3%;囫囵墙体均受压，不浮现拉应力。墙体位移：弹模愈小，变形愈大，且最大水平位移为216.4mm，浮现在淤泥层处。

2.3墙体材料设计

防渗墙深夹于古河道笼罩层中，其后有延长达3km的浓厚笼罩层作支承，下部为岩石基础，不存在整体破坏问题。为适应坝体和坝基不匀称沉陷引起的变形，并避开因强度不够发生局部开裂而影响防渗效果，参考国内外已成工程阅历，确定墙体材料采纳低弹、高强的塑性混凝土。

2.3.1塑性混凝土的设计指标

1)设计强度指标：抗压强度R90=4.0～5.0MPa抗折强度T1.5MPa

2)初始切线弹模：E=800～1000MPa

3)抗渗标号：W6

4)强度保证率：P=90%

5)强度离差系数：Cv=0.15

6)浇筑地点坍落度：18～22cm(塌落度保持16cm以上的时光应大于1h)。

7)蔓延度：34～40cm

8)凝聚时光：初凝6h，终凝24h

9)混凝土密度：2.1t/m3

2.3.2配比实验采纳的原材料

结合工地实际状况，实验所用的各种材料就近选用以降低工程造价。

1)水泥采纳勉县水泥厂所产425号一般硅酸盐水泥.质量应符合国标(GB2938—862)的各项技术要求。

2)砂料采纳勉县黄沙河砂场所采黄砂。细度模数2.4～2.8，含泥量1%。

3)粘土采纳工地附近土料场的粘土。含粘粒量50%、塑性指数20、含砂量5%。

4)膨润土采纳洋县产的膨润土，质量应符合石油工业部部颁标准《钻进液用膨润土》(SY5060—85)Ⅱ膨润土的要求。

5)骨料采纳工地现场加工而成的骨料，粒径5～20mm，含泥量0.4%。

6)用水应符合水工混凝土拌制用水质量要求。

7)为满足混凝土的各项技术要求，可使用缓凝剂高效减水剂、引气剂等混凝土外加剂，但应符合混凝土外加剂应用的有关技术规范，同时力求操作容易，易于控制施工质量。

2.3.3选定施工用协作比

混凝土防渗墙因为上下游为软基，为适应变形，原设计为粘土水泥塑性材料并举行了有限元计算。因为当地粘土不合格，改用膨润土塑性混凝土防渗墙，施工单位托付西北水科所举行实验，终于确定的配比是：水泥180kg/m3，碎石837kg/m3，砂707kg/m3，膨润土180kg/m3，水274kg/m3，混凝土性能R28=4.05MPa，抗渗≥S6。

3防渗墙施工的2个突破

混凝土防渗墙要穿透的古河道浓厚笼罩层下基岩起伏变化大，特殊是崩坡积层及湖积层砂卵石层块石含量大(最高70%)，石质坚硬，加之水下开挖爆破，难度极大。监理、设计和施工单位克服重重困难.不断修正设计.取得了胜利，并实现了2个突破：

1)人工成槽和机械成槽同时并举。修正后防渗墙全长201.3m，厚度80cm，共分33个槽段。2023年6月冲击钻试钻中，发觉抓斗成槽机在硬度高块体大的石中无法发挥效能，冲击钻极易发生孔斜、夹钻、掉钻等事故，因此，打算在古河道左右两岸崩坡积层中采纳人工开挖护壁成槽，为削减塌孔并将槽段长由8.4m、7.2m调节为以6m及6.8m为主

①机械成槽。中段18个槽段采纳机械成槽。15～20号槽段用CZ一30冲击钻，10号、12～14号、21～28号槽段用CZ一22冲击钻，钻头采纳2.5t，1.5t重的十字型冲击锤，先主孔后副孔，主孔间距1m。成槽时以膨润土泥浆护壁，泥浆参数随地层转变准时调节。槽内孤石采纳水下定向聚能爆破，施工中准时测斜并纠偏。清孔采纳抽渣桶抽浆、换浆的方法，二期槽段清孔前用刷子钻头刷壁，要求终于孔底沉淤厚度小于10cm。22～27号槽段最深达50m左右最高日平均进尺10m(23号)，因为塌孔事故处理或孤石含量大，最小日平均进尺仅0.76m(20号)。

②人工成槽。15个槽段采纳人工护壁开挖成槽施工，分离是2～9号，11，29～34号槽段。人工护壁采纳30cm厚钢筋(Φ12单层)混凝土护壁，护壁模板采纳平面钢模板，边护壁边支撑向下开挖。每循环进尺普通为1.3m，支撑用直径大于10cm的硬质圆木，每单元槽段共设4列支撑，间距1m左右。一期槽段两端设30cm厚的混凝土隔墙，隔墙在二期槽段开挖时拆除。在槽一端设钢梯供施工人员上下，槽内渗水由50m扬程水泵抽出。槽内孤石用防水乳胶炸药解小，再用0.25m3吊土斗配1.5t卷扬机出渣。灌注混凝土时自下而上，逐步分段拆除支撑。槽段最深47m(29号)，最高日平均进尺2.45m/d(5号)，最低1.3m/日(3号)。

2)超深灌浆管的埋设。防渗墙下的基岩要举行帷幕灌浆，若从中层灌浆洞向上打仰孔，难度大，质量难保证。从防渗墙顶向下钻孔，则孔斜可能打穿80cm厚的墙，高压灌浆可能破坏墙体结构。只能在墙体灌注混凝土过程中，预埋超高灌浆管。经仔细研讨，解决了这个问题。灌浆管直径Φ108，单节长6m，用法兰衔接。管与管间距2m。在机械成槽段，同一单元槽段内三根灌浆管并列相连，整体吊入.灌浆管上每隔3m设钢筋定位架，为加强底部定位架刚度，底部3层定位架钢筋加粗，同一高度的定位架用Φl2钢筋相连，吊人前，管底用两层5mmx5mm铁丝网绑罩，并在每根管底分离嵌套2块直径40cm厚10cm的混凝土块，以利管底稳定，使灌浆管垂直，终端管VI用铁板点焊。

该防渗墙自2023年5月1日开工，同年11月12日完工，共完成防渗墙造孔进尺9408m，防渗墙浇筑7