塑性混凝土心墙坝在砂砾石地基上的新技术应用研究

塑性混凝土心墙坝在砂砾石地基上的新技术应用研究中文摘要：本文以威宁县抱都水库工程为例，在深砂砾石地基上采用粘土心墙与塑混凝土防渗墙相结合的方法进行防渗，通过先采用碾压填筑砂砾石层的方法，抬高施工作业面，为粘土心墙的施工提供干燥的施工平台的设计技术方案，并且运用数学模型软件进行模拟验证可行性，通过分析验证了此种方法经济可行，施工方便快捷；对以后在砂砾石基础上筑坝防渗有一定的参考价值。中文关键词：塑性混凝土心墙坝、黏土心墙、砂砾石地基、防渗、施工1引言塑性混凝土防渗墙[1]由于其较低的弹模和良好的柔性，可以很好的适应砂卵石地基的变形，从而调高了防渗墙的抗裂性，增强了其整体的防渗效果。由于塑性混凝土在砂砾石覆盖层的防渗中的显著优势，其受到人们的广泛关注，进而在塑性混凝土防渗技术上取得了大量的研究成果[2-4]。刘世煌[5]等以沙湾水电站运行状况为例研究深厚覆盖层闸坝变形及塑性混凝土防渗墙的防渗效果，提出了一些在设计永久性建筑物下超深塑性混凝土防渗墙时，进行结构稳定分析的建议；司政等[6]分析了坝基为砂砾石的均质土坝防渗体的应力应变的变化特性，为砂砾石坝基的防渗设计提供指导意见；李金玉等[7]通过溶蚀试验对混凝土耐久性和使用年限做了相应的计算和评估；李永琳[8]在辽宁红沿河核电厂的临时围堰施工实践中，提出了几种解决抛石堤上施工防渗墙难题的关键技术。目前，塑性混凝土防渗墙被广泛的应用到水利工程防渗中[9,10]。本文结合具体工程实例情况，提出在深砂砾石层基础上筑坝防渗的新技术，并建立数学模型论证该方案的可行性。2工程概况2.1地质条件抱都水库工程位于威宁彝族回族苗族自治县么站镇抱都村，水库枢纽位于北盘江水系可渡河左岸一级支流岔河上。坝址以上流域面积为18.3km²，最大坝高27m，总库容477.95万m³。抱都水库坝址砂砾石层属于冲洪积层（Qal+pl），成分为砂砾石夹中细砂层，厚度为19.8～26.3m，平均直径为3～5cm，以次圆状及次棱角状为主，由重力触探可知上部呈松散状，下部呈中密～密实状。基岩为二叠系上统峨眉山玄武岩组(P2β)，岩性为深灰、暗绿色隐晶至细晶玄武岩。强风化玄武岩，岩芯一般呈块状，短柱状，节理裂隙较发育，裂隙被方解石充填；中风化玄武岩，岩芯一般呈柱状～长柱状，局部机械破碎呈块状。裂隙被方解石充填，基本成闭合状态。2.2坝体结构布置本工程坝体为心墙砂砾石结构，心墙采用粘土心墙与塑性混凝土心墙相结合的方式，坝体上部心墙为坡残积粘土，上下游坡度均为1:0.75，压实度0.97，底部高程为2155.60m，粘土心墙顶与防浪墙连接，心墙底接塑性混凝土防渗墙，防渗墙顶高程2165.00m；坝壳采用砂砾料，压实相对密度不小于0.75，上下游坝坡均采用1:2.75。施工临时围堰结合永久坝体布置在上游，根据施工临时洪水和库区地形条件布置，上游坡为1:3.0，顶高程2160.00m，宽度根据施工条件和坝体填筑时作为临时道路要求设置为5.0m，围堰堰体采用砂砾石填筑，相对密度要求同坝体为不小于0.75。具体尺寸见图1图1.坝体结构布置图3施工方法在施工过程中，先填筑围堰。本工程的围堰布置在大坝上游坝脚，距大坝轴线约60m，上游围堰作为大坝坝体的一部分，结合主体工程中坝体设计的要求，堰顶高程确定为2160.00m。考虑施工机械的交通要求，围堰堰顶宽5.0m，围堰长142.7m，上游坡比为1:2.75，与上游坝坡相同，下游坡比为1:2。为增加渗径，上游坡脚顺边坡向下、向前开挖深度2.0m，在迎水坡铺设复合土工膜，其上再用抛石护坡，抛石坡比为1:3。在围堰填筑之后，清除坝基上的地表壤土，回填碾压坝体砂砾石料到高程2155.60m，为粘土心墙施工提供干燥的施工平台。由于防渗墙施工技术较为成熟，且在施工过程中不受地下水位和流速的影响，是垂直截渗砂砾石层施工简单有效的一种防渗方式。4模拟分析4.1施工可行性分析为了分析施工围堰的挡水作用，现采用加拿大geo-studio软件的seep/w模块来进行分析施工围堰建成后，坝体内部浸润线的分布位置。本工程在施工过程中，最大上游施工洪水位为2159.04。计算参数见表1。表1堰体及堰基材料渗透系数指标土类渗透系数K(cm/s)坝体砂砾石2.80×10-2坝体心墙1.38×10-7坝基砂砾石2.80×10-2坝基中细砂8.0×10-3土工膜1.0×10-10强风化玄武岩15lu经计算当上游水位2159.04m时，浸润线在粘土心墙位置处的高程低于粘土心墙的填筑高程，满足设计要求，设计方案具有可行性。计算结果见图2图2围堰防渗计算结果4.2防渗效果分析为了进一步分析水库防渗效果，现采用加拿大geo-studio软件的seep/w模块来进行分析水库的防渗效果。根据坝段地形特点、坝基地质等情况，选用大坝桩号0+080断面（最大坝高断面）进行渗流计算，计算参数见表2。表2坝体及坝基材料渗透系数指标土类渗透系数K(cm/s)坝体砂砾石2.80×10-2坝体心墙1×10-6坝基砂砾石2.80×10-2坝基中细砂8.0×10-3强风化玄武岩15lu中风化玄武岩5lu塑性混凝土防渗墙5.0×10-7基岩帷幕灌浆5×10-5根据[12]渗流计算要求，抱都水库渗流计算工况如下：工况1：库内校核洪水位2177.04m，下游相应水位2152.87m；工况2：库内设计洪水位2176.36m，下游相应水位2152.46m；工况3：库内兴利水位2175.00m，下游相应水位2151.50m1）渗流量计算根据渗流计算结果，兴利水位下渗漏量为3.942m3/d/m，按大坝长度159m计算，年渗漏量为22.8万m3，占兴利水位库容（305.9万m3）的7.48%。设计洪水位下渗漏量为3.864m3/d/m，年渗漏量为22.42万m3，占相应水位库容(447.22万m3)的5.01%。校核洪水位水位下渗漏量为4.379m3/d/m，年渗漏量为25.41万m3，占相应水位库容（477.95万m3）的5.32%。计算结果见表3。表3大坝渗流量计算成果表工况断面校核洪水位设计洪水位兴利水位m3/d/mm3/d/mm3/d/m坝体坝基坝体坝基坝体坝基0+0800.1323.810.1143.750.2494.132）大坝渗流比降计算根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）心墙为坡残积红粘土，根据以往经验取值为0.20，出逸点处为砂砾石和中粗砂，按无粘性土取值为0.25，塑性混凝土防渗墙国内外取值稍有差别，国内取值一般为80～100，国外取值一般为50～60，为安全起见，本次允许值取值为60。经计算，各种工况下，大坝渗透稳定满足规范要求。结果见表4。表4大坝渗透稳定计算成果表断面工况0+080防渗墙心墙下游出逸点计算值允许值计算值允许值计算值允许值工况115.5500.150.200.030.25工况215.3500.140.200.020.25工况314.5500.130.200.020.253）大坝等势线计算结果从各水位下的等势线图分析，可以看出粘土心墙与塑性混凝土防渗墙可以很好的起到防渗效果，浸润线在通过防渗体时，水势都明显降低。计算结果见图3~图5图30+080校核洪水位等势线图图40+080设计洪水位等势线图图50+080正常蓄水位等势线图5结论(1)本论文是在实践工程的基础上，提出在砂砾石地基上采用粘土心墙与塑混凝土防渗墙相结合的方法进行防渗，通过先采用碾压填筑砂砾石层的方法，抬高施工作业面，为粘土心墙的施工提供干燥的施工平台的技术方案；(2)工程设计方案可以有效的降低了防渗墙的面积，降低防渗墙自身带来应力应变问题，并且充分的利用当地的粘土材料作为防渗体，经济合理。（3）通过采用geo-studio软件的seep/w模块建立模型分析，本文提出的施工方法可以达到预期的目标和效果，可以很好的降低工程造价，保证施工质量，具有显著的经济效益价值；（4）本工程的设计思路为以后在砂砾石层基础筑坝提供参考。参考文献[1]于玉贞,濮家骝,刘凤德.土石坝基础塑性混凝土防渗墙材料力学特性研究[J].水利学报,1995(08):21-27+20[2]苏渊.塑性混凝土防渗墙对土石坝稳定性的影响分析[D].山东大学,2013.[3]孙文杰.ANSYS热分析模块对土石坝的渗流分析与研究[D].华北水利水电大学,2016.[4]宋帅奇.塑性混凝土强度和变形性能及其计算方法[D].郑州大学,2015.[5]刘世煌.深厚覆盖层闸坝变形及塑性混凝土防渗墙的防渗效果——以沙湾水电站运行状况为例[J].西北水电,2013(03):31-37.[6]司政,陈尧隆,李守义.土石坝坝基塑性混凝土防渗墙应力变形分析[J].水力发电,2008(02):32-35.[7]李金玉,徐文雨,曹建国,林莉.塑性混凝土防渗墙耐久性的研究和评估[J].水利水电技术,1995(02):52-58.[8]李永琳.辽宁红沿河核电厂塑性混凝土防渗墙施工关键技术[J].武汉大学学报(工学版),2010,43(S1):348-351.[9]刘杰，谢定松.我国土石坝渗流控制理论发展现状[J].岩土工程学报,2011(5).[10]闫永平.塑性混凝土防渗墙施工技术在水利工程中的应用[J].水利规划与设计,2017(06):109-111.[12]宗敦峰,刘建发,肖恩尚,陈祖煜.水工建筑物防渗墙技术60年Ⅰ:成墙技术和工艺[J].水利学报,2016,47(03):455-462.[13]《碾压式土石坝设计规范》（SL274-20