□張仕杰（五華縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室）

1.前言

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國在社會、經(jīng)濟(jì)、科技等各領(lǐng)域都出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的增長趨勢，而隨著我國在水利工程建設(shè)方面的發(fā)展日益增強(qiáng)，有關(guān)水利建設(shè)的技術(shù)與工具也在不斷地研發(fā)和創(chuàng)新，對水利建設(shè)工程最顯著的防滲墻加固方面的情況也已逐步解決。采用塑性混凝土防滲墻技術(shù)可成功改善水利工程防滲加固的問題，與傳統(tǒng)的混凝土防滲墻技術(shù)相比，它具有更強(qiáng)的應(yīng)變性，彈性模量也更低，可有效防止土質(zhì)壩基出現(xiàn)滲漏情況。

2.上壩水電站工程概況

上壩水電站工程的樞紐部分主要由地下廠房、左岸引水系統(tǒng)、碾壓混凝土重力壩等組成，壩址的河谷是走向顧，右岸是順向坡，坡度約44°，左岸是逆向坡，坡度約為44°，河面寬度在143～148m間，河面高程約為304m。大壩水電站壩高最大可達(dá)70.13m，壩頂長達(dá)155.28m，壩頂高達(dá)356m，壩頂寬達(dá)8m，壩基高達(dá)286m，壩底寬度最大可達(dá)54.42m。水庫建成的正常蓄水位是353m，全部集雨面積為2841km2，水電站裝機(jī)總?cè)萘繛?400kW，常年發(fā)電量平均為2217.19×104kW·h。

3.塑性混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)

3.1 防滲體的型式及布置

水電站的防滲體所采用的即是塑性混凝土防滲墻，在對墻頂高程進(jìn)行建設(shè)時(shí)，按照水庫洪水位設(shè)計(jì)為1180.38m，再加上安全超高的高度附加最終為1181.7m。水電站工程的墻底需要在河床與兩岸基巖中嵌入約1m，經(jīng)測量墻底高程最低為1135.6m。

3.2 有限元計(jì)算

3.2.1 基本數(shù)據(jù)

通過對上壩水電站的測量研究，得出以下基本數(shù)據(jù)：塑性混凝土物理力學(xué)指標(biāo)：浮容量：1.0～1.3t／m3；容重：2.0～2.3t／m3；彈模：500～800MPa；抗壓強(qiáng)度：2～3MPa；抗?jié)B：W6；水力梯度：60；安全系數(shù)：K=6。水庫特征水位：設(shè)計(jì)洪水位：1180.68m (P=2%)；校核洪水位：1185.2m(P=0.2%)；汛限水位：1177m；正常蓄水位：1180m；死水位：1140m。

關(guān)于塑性混凝土的非線彈性指標(biāo)見表1。

表1 防滲墻塑性混凝土非線性彈性參數(shù)表

3.2.2 計(jì)算工況及荷載組合

對上壩水電站工程的工況進(jìn)行計(jì)算的情況是水庫正常蓄水，且對壩體的開挖施工工程予以考慮。經(jīng)計(jì)算副壩可選用0+118.5m樁號的斷面。水電站工程的荷載組合主要為墻體自重力與施工過程荷載及正常蓄水后的水作用力。

3.2.3 應(yīng)力、應(yīng)變分析

塑性混凝土力學(xué)模型：在靜力作用下選用鄧肯-張模型進(jìn)行強(qiáng)度分析——強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)莫爾-庫侖的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。針對巖土工程在施工步驟與方法的實(shí)施，可對其進(jìn)行模擬跟蹤分析。

一是有限元模型及邊界條件：在防滲墻的上游部分取100m，下游部分取45m，將所有部分劃分為953個(gè)三角形狀高精度等參元，節(jié)點(diǎn)數(shù)6。高精度節(jié)理元89個(gè)，節(jié)點(diǎn)的總數(shù)是4120。

二是節(jié)理單元參數(shù)：對節(jié)理單元參數(shù)的實(shí)際計(jì)算如表2。

表2 節(jié)理單元參數(shù)表

三是計(jì)算結(jié)果：在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要對基巖的風(fēng)化情況予以考慮，防滲墻墻體的彈模一般選擇500MPa、800MPa、1200MPa等幾類，根據(jù)以上所述的理論與參數(shù)，對防滲墻在正常蓄水時(shí)的變形與應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墻體的彈性模量為500MPa，防滲墻的墻體最大壓應(yīng)力σmax即為2.778MPa，其值比抗壓強(qiáng)度指標(biāo)＜3MPa；當(dāng)墻體彈性模量為800MPa，σmax即為3.399MPa，高出抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)約13.3%：當(dāng)墻體彈性模量為1200MPa，σmax值高出抗壓強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)32.3%；所有墻體都受壓，無拉應(yīng)力。防滲墻墻體位移：彈性模量越小，變形就越大，水平位移最大值是216.4mm，在淤泥層處出現(xiàn)。

3.3 墻體材料設(shè)計(jì)

上壩水電站防滲墻嵌入于古河道覆蓋層內(nèi)，因其后部作為支撐的覆蓋層的延長達(dá)3km，下部的基礎(chǔ)為巖石層，所以不會出現(xiàn)整體破壞的情況。

3.3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

塑性混凝土在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循其設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要包括以下幾個(gè)方面：初始切線彈性模量：E=800～1000MPa；設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度R90=4.0～5.0MPa，抗折強(qiáng)度T＞1.5MPa；強(qiáng)度保證率：P=90%；抗?jié)B標(biāo)號：W6；澆筑地點(diǎn)坍落度：18～22cm(塌落度保持16cm以上的時(shí)間應(yīng)＞1h)；強(qiáng)度離差系數(shù)：Cv=0.15；凝結(jié)時(shí)間：初凝＞6h，終凝＜24h；擴(kuò)散度：34～40cm；混凝土密度：＞2.1t／m3。

3.3.2 配比試驗(yàn)采用的原材料

上壩水電站在建設(shè)工程中，需與施工的實(shí)際情況相結(jié)合，對所選用的材料應(yīng)采取就近原則從而減少工程建設(shè)費(fèi)用。

砂料：選要求含泥量＜1%，細(xì)度模數(shù)在2.4～2.8間，可選用沙河砂場的黃砂。

水泥：質(zhì)量要求需與國家標(biāo)準(zhǔn)(GB2938-862)相符合，可選用塔牌生產(chǎn)的4.25號普通硅酸鹽水泥。

膨潤土：質(zhì)量要求要與石油工業(yè)部頒布的標(biāo)準(zhǔn)《鉆進(jìn)液用膨潤土》(SY5060-85)Ⅱ膨潤土的要求相符合，可選用洋縣生產(chǎn)的膨潤土。

粘土：要求為含砂量＜5%，塑性指數(shù)＞20，含粘粒量＞50%，所采用的粘土為工地附近土料場所生產(chǎn)。

用水：必須與水工混凝土拌制所要求的質(zhì)量相符合。

骨料：含泥量＜0.4%，粒徑在5～20mm之間，可在工地現(xiàn)場進(jìn)行加工制作。

技術(shù)：混凝土的制作有一定的技術(shù)要求，在操作中除了要考慮操作程序的簡易度，控制好施工的質(zhì)量，還必須注重技術(shù)層面，根據(jù)規(guī)范要求使用引氣劑、高效減水劑、緩凝劑等外加劑，以確保質(zhì)量。

3.3.3 選定施工用配合比

上壩水電站混凝土防滲墻因上下游設(shè)計(jì)均為軟基，為了應(yīng)對變形問題，對粘土水泥塑性材料采取了有限元計(jì)算。后發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐恼惩敛⒉环弦?，于是轉(zhuǎn)而采用膨潤土塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)，西北水科所受水電站施工單位的委托對防滲墻施工進(jìn)行了試驗(yàn)，給出的材料最終配比為：水為274kg／m3，膨潤土為180kg／m3，砂為707kg／m3，碎石為837kg／m3，水泥為180kg／m3，抗?jié)B度≥S6，混凝土性能為R28=4.05MPa。

4.防滲墻成槽

經(jīng)過對防滲墻施工設(shè)計(jì)的修正，防滲墻槽段共為33個(gè)，全長達(dá)201.3m，其厚度為80cm。在2009年時(shí)通過試用沖擊鉆對巖體進(jìn)行施工，發(fā)現(xiàn)對于塊體大硬度高的巖體抓斗成槽機(jī)的效能根本無法充分發(fā)揮出來，而且還經(jīng)常出現(xiàn)掉鉆、夾鉆、孔斜等情況，嚴(yán)重拖沓了施工的進(jìn)度。

4.1 機(jī)械成槽

上壩水電站施工中段的18個(gè)槽段均是使用機(jī)械成槽的方法，10號、12～14號及21～28號的槽段選用的沖擊鉆為CZ-22，15～20號的槽段則選用CZ-30沖擊鉆，鉆頭的十字型沖擊錘分別為1.5t和2.5t，主孔為先之后是副孔，主孔應(yīng)保持間距為1m。

4.2 人工成槽

在一期槽段的兩端設(shè)置好混凝土隔墻，在二期槽段時(shí)再將隔墻拆掉。在槽段的一端設(shè)置供施工者上下的鋼梯，用50m揚(yáng)程水泵將槽內(nèi)滲水抽出。針對槽內(nèi)孤石可采用防水乳膠炸藥將之分解，隨后再用吊土斗配卷揚(yáng)機(jī)將之移除,在對混凝土進(jìn)行灌注時(shí)要由下至上，有秩序地進(jìn)行分段拆除。

上壩水電站防滲墻在2009年5月1日正式開工，2009年11月12日竣工，工程澆筑防滲墻7955m3，造孔進(jìn)尺為9408m。通過采用超聲波測量，發(fā)現(xiàn)波速平均為2760～3100m／s，強(qiáng)度為3～4MPa，離差系數(shù)平均＜5%，僅一個(gè)槽段＞5%，由此可見，塑性混凝土防滲墻的確具有較好的連續(xù)性與均質(zhì)性，無明顯缺陷，底部嵌巖與鄰近槽段銜接都非常好。

5.結(jié)語

與傳統(tǒng)的普通混凝土技術(shù)進(jìn)行比較，塑性混凝土明顯具有普通混凝土難以相比的優(yōu)勢，不僅塑性高、強(qiáng)度低，且彈模低、抗?jié)B性能也較好。塑性混凝土價(jià)格低廉,對變形有很強(qiáng)的適應(yīng)能力,而且施工操作簡單，不易產(chǎn)生突發(fā)狀況。施工人員運(yùn)用膨潤土塑性混凝土防滲墻技術(shù)成功將副壩防滲的問題予以解決，同時(shí)將機(jī)械成槽與人工成槽相結(jié)合，對超深灌漿管埋設(shè)的難題也予以成功解決。

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