黃祥志,朱朝陽(yáng)

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 寧波 315192)

1 問(wèn)題的提出

楊梅嶺水庫(kù)位于寧?？h城關(guān)鎮(zhèn)梅林管理區(qū)境內(nèi)鳧溪下游,是一座以防洪、灌溉、供水為主,結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)正常蓄水位23.98m,相應(yīng)庫(kù)容833.2萬(wàn)m3;設(shè)計(jì)洪水位25.43m,相應(yīng)庫(kù)容1 089萬(wàn)m3;校核洪水位27.25m,相應(yīng)庫(kù)容1 509.2萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2 000 a一遇。水庫(kù)樞紐由大壩(主、副壩)、泄洪建筑物等組成。

維修加固的重點(diǎn)為第一副壩的防滲加固。對(duì)病險(xiǎn)土石壩進(jìn)行防滲加固處理的方法較多,針對(duì)壩體缺陷的防滲加固一般采用上游坡面防滲或壩體垂直幕墻防滲;針對(duì)壩基透水層防滲加固可根據(jù)滲流控制的要求不同而采用壩前水平鋪蓋防滲或垂直幕墻防滲。根據(jù)本工程特點(diǎn)擬定以壩頂為施工平臺(tái),采用薄壁低彈?；炷练罎B墻對(duì)第一副壩重點(diǎn)存在滲漏隱患的壩段進(jìn)行防滲加固[1].。

2 第一副壩工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

2.1 壩體填筑質(zhì)量

第一副壩斜墻由非分散性的含礫砂粉質(zhì)黏土及少量礫砂、風(fēng)化碎石填筑而成,大壩壩殼主要由砂卵石填筑而成。

壩殼,由松散～稍密的砂礫卵石填筑而成,填筑質(zhì)量一般。

2.2 壩體防滲性能

斜墻土現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)求得滲透系數(shù)均大于1.0×10-5cm/s,中等透水性,存在滲漏隱患。水庫(kù)多年運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),第一副壩下游側(cè)梅林陳村的幾處水坑和梅湖公園水池的水位升降與庫(kù)水位的升降有著良好的一致性。

河床段砂礫卵石壩基,屬中等透水性。其下含泥砂礫卵石為相對(duì)不透水層。砂礫卵石、含泥砂礫卵石最大厚度可達(dá)26.7m。典型地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

3 防滲加固

3.1 混凝土材料比選

混凝土防滲墻材料一般分普通混凝土和低彈模混凝土,低彈?；炷潦侵笍椥阅Ａ康?其剛性介于塑性混凝土與普通混凝土之間的一種墻體。低彈?；炷僚c土體變形協(xié)調(diào)性好,能夠克服普通混凝土防滲墻與土體彈模差異過(guò)大,不適應(yīng)土體變形的缺點(diǎn),其和易性、穩(wěn)定性均好于普通混凝土,防滲墻選用低彈模混凝土材料。

3.2 抗?jié)B強(qiáng)度驗(yàn)算

防滲墻墻厚擬用40 cm,頂高程27.70m,墻體材料為低彈?；炷?要求28 d抗壓強(qiáng)度不小于8.0MPa,滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s,彈性模量不大于6 000MPa。

式中:[J].允為允許水力梯度,取1/4極限水力坡降,[J].允=62.5;[J].為計(jì)算水力梯度;H為上下游水頭差,取H=7.25m;t為墻厚,以0.40m計(jì)。

經(jīng)計(jì)算,[J].=18.12＜62.5,滿(mǎn)足要求。

3.3 嵌入深度比選

嵌入端擬用2種:①底部嵌入弱風(fēng)化基巖不小于0.5 m,防滲墻最大墻深32.02 m;②底部嵌入相對(duì)不透水層含泥砂礫卵石不小于3m,防滲墻最大墻深22.04m。

3.3.1 2種嵌入深度滲流計(jì)算

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1,加入低彈?；炷劣?jì)算參數(shù)后分別進(jìn)行2種嵌入深度滲流計(jì)算,選取1+255m斷面按前述方法,計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位25.43m下的運(yùn)行工況,滲流計(jì)算成果見(jiàn)圖2、3。

表1 大壩各分區(qū)滲透系數(shù)表

圖2 設(shè)計(jì)洪水位滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖(封閉式)

圖3 設(shè)計(jì)洪水位滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖(懸掛式)

可見(jiàn)2種方案大壩的穩(wěn)定滲流形態(tài)均符合混凝土防滲墻壩滲流場(chǎng)分布規(guī)律,浸潤(rùn)線(xiàn)位于現(xiàn)有地面高程以下,不出逸,土體滲透坡降降低,不存在土體滲透破壞。

3.3.2 2種嵌入深度有限元計(jì)算

采用河海大學(xué)工程力學(xué)系 (工程力學(xué)研究所)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANK v.5.6)二維有限元計(jì)算程序,對(duì)2種嵌入深度的低彈?；炷练罎B墻進(jìn)行平面有限元應(yīng)力應(yīng)變分析[2].。

3.3.2.1 計(jì)算實(shí)體和范圍

新建混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算按照平面應(yīng)變問(wèn)題考慮,計(jì)算的平面模型見(jiàn)圖4、5。地基土的計(jì)算深度為防滲墻以下12m,大壩兩側(cè)的計(jì)算范圍為壩體上下游外延20 m,斜墻、土層、防滲墻均采用四節(jié)點(diǎn)四邊形平面單元。

圖4 第一副壩封閉式防滲墻方案平面有限元計(jì)算模型圖

圖5 第一副壩懸掛式防滲墻方案平面有限元計(jì)算模型圖

3.3.2.2 材料參數(shù)

大壩各分區(qū)填筑料、壩基土的材料參數(shù)根據(jù)工程地勘資料并參照一般的工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)選取,巖基的材料直接取用地勘資料成果。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料屬性表

3.3.2.3 計(jì)算工況及成果分析

2種方案均選取在設(shè)計(jì)洪水位25.43m下的工況,計(jì)算中考慮大壩已經(jīng)運(yùn)行多年,其固結(jié)沉降已經(jīng)完成,在此不考慮原壩體豎向荷載包括其自重的影響。

2種嵌入深度的低彈?；炷练罎B墻的計(jì)算主要成果見(jiàn)表3。

表3 2種嵌入深度的低彈模混凝土防滲墻計(jì)算主要成果表

通過(guò)計(jì)算,主要得出以下結(jié)論:

(1)從上述計(jì)算中可以看出,2種方案中,心墻墻頂水平變位封閉式為2.25 cm,懸掛式為1.66 cm左右。

(2)封閉式中,墻身拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距離墻底3.0m左右的墻身上游面處(即強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r的上界面處)。這是由于墻身周?chē)耐馏w在該界面處發(fā)生了較大的變化:在此界面之上,墻身周?chē)馏w為彈模較小的含泥砂礫卵石,在此界面之下,墻身周?chē)馏w則為彈模相對(duì)較大的強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。在心墻的其它部位,墻身基本不受拉。

懸掛式中,墻身拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距離I3與II1界面1.0m左右的墻身上游處。這是由于墻身周?chē)耐馏w在此界面處彈模變化最大。

(3)通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變分析,低彈模混凝土心墻與周?chē)馏w共同承受水壓荷載協(xié)調(diào)變形的過(guò)程中,由于底彈?；炷梁堋叭帷?具有很強(qiáng)的適應(yīng)變形能力。作為水庫(kù)維修加固工程中解決水庫(kù)滲漏問(wèn)題的控制性建筑物—防滲心墻,其對(duì)抗裂要求極其嚴(yán)格,這樣低彈?；炷辆惋@示其優(yōu)越性了[3].。

(4)在高土石壩的應(yīng)力計(jì)算中,土體本構(gòu)關(guān)系一般采用非線(xiàn)性和彈塑性本構(gòu)模型,尤以鄧肯—張模型應(yīng)用最廣。但是非線(xiàn)性彈性和彈塑性模型,計(jì)算復(fù)雜,應(yīng)用參數(shù)較多且難以獲取,此計(jì)算中由于考慮到大壩壩體固結(jié)與沉降已經(jīng)基本完成,且計(jì)算所關(guān)注的是心墻的應(yīng)力分布,故土體模型直接采用了線(xiàn)彈性本構(gòu)關(guān)系。從計(jì)算結(jié)果可以看出,2種方案心墻應(yīng)力應(yīng)變分布符合一般規(guī)律,可以作為計(jì)算依據(jù)。

(5)對(duì)以上2種方案分別從防滲效果、施工工藝、土體最大滲透坡降、與土體協(xié)調(diào)變形能力、工程投資等多個(gè)方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。綜合比較,防滲墻底部深入基巖防滲效果較懸掛式防滲墻好,但從懸掛式防滲墻的滲流計(jì)算和有限元計(jì)算分析,懸掛式防滲墻已經(jīng)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,并且較封閉式節(jié)省投資約27%。

4 施工、運(yùn)行期情況

選取1+250m斷面,布置5根測(cè)壓管,每個(gè)測(cè)壓管放置1支滲壓計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè),測(cè)壓管位置見(jiàn)圖6。對(duì)防滲墻施工、運(yùn)行期效果進(jìn)行觀測(cè),各測(cè)點(diǎn)水位與時(shí)間過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖7[4].。

圖6 測(cè)壓管放置位置圖

圖7 測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)水位與時(shí)間過(guò)程線(xiàn)圖

5 結(jié) 論

(1)雖然目前低彈?；炷练罎B墻普遍應(yīng)用于大壩防滲加固取得了良好的效果,但在寧波地區(qū)砂礫地基采用懸掛式防滲墻的工程尚屬首例。

(2)通過(guò)投資、二維有限元滲流計(jì)算及應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算等論證了本工程采用懸掛式防滲墻較常規(guī)封閉式防滲墻合理。

(3)施工及正常運(yùn)行期的良好運(yùn)行狀況證實(shí)了本工程采用懸掛式防滲墻的合理性。

(4)對(duì)于上下游水位差較小、地基為透水層和相對(duì)不透水層較厚的砂礫地基的水庫(kù)大壩,在充分論證的基礎(chǔ)上考慮懸掛式防滲措施能夠節(jié)省投資,而且能夠達(dá)到防滲處理要求的效果。

[1].中華人民共和國(guó)水利部.SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]..北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

[2].中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL 5077—97水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S]..北京:中國(guó)電力出版社,1997.

[3].李景龍,李術(shù)才,王剛,等.土石壩加固中混凝土防滲墻的應(yīng)用 [J]..巖土力學(xué),2006(10):75-79.

[4].中華人民共和國(guó)水利部.SL 174—96水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范 [S]..北京:水利水電出版社,1996.