陳立寶,楊 智,羅珠蓮,張 丞,宋廣鑫
(1.四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610065;2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610000;3.四川岷嘉工程管理有限公司,四川 成都 610000;4.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610065)
土石壩作為一種傳統(tǒng)壩型,由于技術(shù)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、適應(yīng)性強(qiáng)從建造之初就廣受工程界喜愛[1]。到了現(xiàn)代,土石壩技術(shù)理論已經(jīng)日臻完善,無(wú)論是計(jì)算理論、防滲型式、施工技術(shù)、筑壩材料等等,都已經(jīng)發(fā)展得很完備。作為一種成熟壩型,能充分利用當(dāng)?shù)夭牧?,土石壩?shù)量及壩高在已建工程中均占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是隨著工程運(yùn)行,傳統(tǒng)土石壩也面臨著三個(gè)問(wèn):一是滲漏問(wèn)題,傳統(tǒng)土石壩由于填筑、基礎(chǔ)、材料、白蟻、洪水等多方面影響在運(yùn)行一定年限后都存在不同程度的滲漏問(wèn)題;二是病險(xiǎn)問(wèn)題,大部分中小型水利工程,尤其是上世紀(jì)修建的一些水庫(kù)工程均存在滑坡、開裂、滲漏等問(wèn)題,而且反復(fù)治理,反復(fù)發(fā)??;三是應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水的防御能力較低。尤其是洪水漫頂,對(duì)于土石壩而言,“漫頂即潰頂”,超標(biāo)準(zhǔn)洪水一直是懸在土石壩安全頭上的一把劍。而且傳統(tǒng)土石壩為了充分利用當(dāng)?shù)夭牧?,壩坡普遍較緩,不具有最大的經(jīng)濟(jì)性??v向增強(qiáng)體大膽地提出了“剛?cè)嵯酀?jì)”的壩型,以期增強(qiáng)土石壩的防滲、受力和抵抗變形能力,降低土石壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),延長(zhǎng)土石壩安全運(yùn)行周期[2]。
縱向增強(qiáng)體土石壩壩體簡(jiǎn)圖如圖1,本文主要從增強(qiáng)體心墻的材料、壩體設(shè)計(jì)、心墻設(shè)計(jì)及施工等幾方面對(duì)該壩型進(jìn)行介紹。
圖1 壩體斷面簡(jiǎn)圖
增強(qiáng)體心墻采用混凝土或鋼筋混凝土材料,內(nèi)設(shè)灌漿鋼管,形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)?;炷敛捎贸R?guī)混凝土,一般強(qiáng)度等級(jí)不低于C20,抗?jié)B等級(jí)應(yīng)達(dá)到W6~W8,抗凍指標(biāo)也應(yīng)達(dá)到相應(yīng)地區(qū)心墻防滲混凝土的抗凍指標(biāo)。混凝土原材料與常規(guī)混凝土基本一致,混凝土骨料級(jí)配宜按2~3級(jí)配進(jìn)行制備,其顆粒粒徑不宜超過(guò)40~60 mm,含泥量應(yīng)不大于1.0%。混凝土的膠凝材料用量不宜少于350 kg/m3,水膠比不宜大于0.60,砂率不宜小于40%,根據(jù)需要可以加入高效減水劑或引氣劑?;炷恋男阅軕?yīng)具有良好的流動(dòng)性和擴(kuò)散性,并具有足夠的重度,混凝土入槽坍落度應(yīng)為180~220 mm。
增強(qiáng)體心墻內(nèi)需要預(yù)埋灌漿鋼管兼做鋼管混凝土內(nèi)部骨架,鋼管外徑不小于φ108mm,壁厚4~18 mm并以滿足施工灌漿條件為準(zhǔn)。鋼管采用鋼桁架進(jìn)行固定,桁架采用槽鋼和角鋼焊接,必須要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求,不得變形。鋼管灌漿后采用細(xì)石混凝土封孔。封閉后,心墻混凝土、鋼管混凝土、鋼桁架共同形成增強(qiáng)體。
縱向增強(qiáng)體心墻土石壩除心墻外,其他壩體設(shè)計(jì)與《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定基本相同,亦可參照《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL228-2013)有關(guān)規(guī)定執(zhí)行??v向增強(qiáng)體心墻土石壩宜分為增強(qiáng)體功能區(qū)、上游過(guò)渡層區(qū)、下游過(guò)渡層區(qū)、上游壩殼填筑料(堆石)區(qū)、下游壩殼填筑料(堆石)區(qū)、下游排水體區(qū)(如下游壩殼料為石渣料時(shí),可設(shè)排水體或排水帶)、上下游壩體護(hù)坡、增強(qiáng)體心墻底部帷幕灌漿體等區(qū)。
上游壩殼填筑料宜分為兩個(gè)區(qū),壩體死水位以下應(yīng)盡量利用各種開挖料,可永臨結(jié)合利用上游圍堰(需滿足永久填壩的材料及填筑標(biāo)準(zhǔn)),死水位以上水位消落區(qū)壩殼材料宜選用透水性較好的填筑料。上、下游過(guò)渡區(qū)也要“上軟下硬”,上游過(guò)渡區(qū)主要起輔助防滲和便于成槽的作用;下游堆石區(qū)起到支撐、反濾、過(guò)渡的作用。下游壩殼填筑料(堆石)區(qū)為心墻主支撐區(qū),該區(qū)需要選擇好料(硬巖新鮮料)進(jìn)行填筑。若采用軟巖進(jìn)行填筑,其濕抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于15~20MPa,軟化系數(shù)不小于0.75。壓實(shí)后的顆粒級(jí)配應(yīng)良好連續(xù),小于5 mm顆粒含量不宜超過(guò)35%,小于0.075 mm顆粒含量不宜超過(guò)15%??稍谲泿r填筑料內(nèi)設(shè)置垂直向和水平向排水體(帶),排水體(帶)應(yīng)合理連接保持排水通暢,并與下游排水棱體相連。
壩體滲流計(jì)算采用碾壓土石壩規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,增強(qiáng)體心墻的厚度設(shè)計(jì)值,采用技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的公式計(jì)算,并以此確定下游壩體水平寬度和滲透水量等值。
壩體穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)滿足兩種理論計(jì)算方法。其一是碾壓土石壩規(guī)范規(guī)定的壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法理論,其二是縱向混凝土心墻受力安全系數(shù)法。從研究來(lái)看墻體受力安全系數(shù)與土石壩的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)之間有著必然的內(nèi)在聯(lián)系,具有同一性。
縱向增強(qiáng)體心墻土石壩完建后,宜采用有限元計(jì)算分析各種工況下壩體的應(yīng)力與變形狀態(tài),有限元計(jì)算應(yīng)按施工填筑和蓄水模擬加荷過(guò)程,增強(qiáng)體心墻與上下游過(guò)渡料界面宜按接觸面單元進(jìn)行模擬。目前由于增強(qiáng)體心墻土石壩實(shí)施案例較少,因此均建議采用有限元計(jì)算對(duì)壩體應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算,隨著工程案例的逐漸增多,經(jīng)驗(yàn)的積累,可以逐步減少有限元的分析計(jì)算,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度。
縱向增強(qiáng)體土石壩的施工過(guò)程為:先進(jìn)行圍堰填筑,圍堰也可以作為壩體的一部分;上下游填筑區(qū)和上下游過(guò)渡區(qū)同步分層碾壓填筑,直至壩頂通填區(qū);壩體沉降期,一般3~4個(gè)月,壩體沉降基本穩(wěn)定;縱向增強(qiáng)體心墻采用地下防滲墻施工工藝開槽施工,預(yù)埋灌漿管,心墻混凝土澆筑;帷幕灌漿,封堵灌漿管;通填區(qū)以上壩體填筑,心墻現(xiàn)澆施工。至此壩體施工完成。
縱向增強(qiáng)體心墻的核心為懸臂梁結(jié)構(gòu),要求底部固結(jié),上部為自由端。因此要求心墻的基礎(chǔ)必須嵌入基巖,基礎(chǔ)不能產(chǎn)生偏移。心墻內(nèi)灌漿鋼管也起到固定基礎(chǔ)的作用,像“釘子”一樣,將心墻釘于基礎(chǔ)之上。
心墻的厚度、變形、受力分析等均可采用數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算,大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程,化繁為簡(jiǎn),并引入擋土墻理論[3][4],通過(guò)主被動(dòng)土壓力的計(jì)算,提出了采用結(jié)構(gòu)受力安全系數(shù)法來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)的安全性理論。其計(jì)算工作量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的圓弧法計(jì)算。
增強(qiáng)體心墻的基礎(chǔ)處理較簡(jiǎn)單,不像傳統(tǒng)防滲心墻基礎(chǔ)需要清理到弱風(fēng)化層。常規(guī)心墻基礎(chǔ)僅需要清除表土及上部松散覆蓋層即可建壩,后期通過(guò)開槽將心墻基礎(chǔ)至于弱風(fēng)化層。這樣大大減少了基礎(chǔ)開挖量,節(jié)約了工程投資,也大大加快了工程施工進(jìn)度。
縱向增強(qiáng)體心墻施工方法主要參考地下防滲墻的施工方法。施工應(yīng)預(yù)留足夠?qū)挼氖┕て脚_(tái)(壩體通填區(qū)),一般平臺(tái)寬度不小于20 m。主要施工流程為:
1槽孔建造→2鋼桁架與預(yù)埋灌漿管下設(shè)→3心墻混凝土澆筑→4基礎(chǔ)灌漿→5灌漿管封堵
壩體槽孔建造宜采用鉆抓法進(jìn)行施工,槽孔厚度按照增強(qiáng)體心墻設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行控制,槽孔長(zhǎng)度綜合考慮機(jī)具性能、成槽方法等多因素進(jìn)行確定,槽孔深度應(yīng)從施工平臺(tái)直至增強(qiáng)體墻底。成槽的關(guān)鍵因素是上下過(guò)渡區(qū)填筑料級(jí)配的確定及泥漿護(hù)壁施工效果,重要工程可以進(jìn)行生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)確定具體參數(shù)。
鋼桁架和預(yù)埋灌漿管是增強(qiáng)體的“骨架”,要求“骨架”堅(jiān)固,站得穩(wěn)、站得牢、不傾斜。鋼桁架應(yīng)采用大于Φ20mm的鋼筋制作,邊壁宜采用∠4-5#等邊角鋼與鋼筋焊接連為整體,局部可以采用型鋼加強(qiáng)。預(yù)埋灌漿管應(yīng)有鋼桁架采用焊接方式連接,其間距根據(jù)灌漿要求確定。一般1.5~2.0 m。預(yù)埋灌漿管在灌漿完成后應(yīng)采用強(qiáng)度不低于墻體混凝土的細(xì)石混凝土進(jìn)行封閉,其最大顆粒粒徑不超過(guò)0.2倍的鋼管內(nèi)徑。
心墻混凝土施工準(zhǔn)備同常規(guī)混凝土相同,單個(gè)槽孔混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑,中斷時(shí)間不宜超過(guò)40 min。施工過(guò)程與地下防滲墻基本相同,混凝土終澆高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)規(guī)定的墻頂高程。
按間隔法施工的縱向增強(qiáng)體心墻連接宜采用接頭管(板)法施工,采用其他連接方法時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制接縫處端孔的孔斜率和接頭洗刷質(zhì)量,保證滿足設(shè)計(jì)的防滲要求。
壩基灌漿應(yīng)按基礎(chǔ)灌漿有關(guān)規(guī)范進(jìn)行。壩基灌漿出現(xiàn)的一些問(wèn)題和應(yīng)控制的一些方法可參照有關(guān)基礎(chǔ)灌漿施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行解決。灌漿完成后,采用自下而上的封堵方法,進(jìn)行預(yù)埋灌漿管封堵施工。
縱向增強(qiáng)體土石壩的壩體設(shè)計(jì),均與常規(guī)碾壓式土石壩一致,包括監(jiān)測(cè)設(shè)施的預(yù)埋和質(zhì)量控制與檢查,心墻的施工采用地下防滲墻的施工工藝??v向增強(qiáng)體壩型在新建土石壩、病險(xiǎn)水庫(kù)整治、堰塞湖加固[5]上都具有很大的實(shí)用性和適應(yīng)性。其重要的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)心墻與“軟弱”壩體的結(jié)合。采用受力安全系數(shù)法來(lái)計(jì)算和判斷壩體穩(wěn)定,是對(duì)傳統(tǒng)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一次大膽創(chuàng)新,可以使上下游壩坡更為科學(xué)合理,向最優(yōu)土石壩的設(shè)計(jì)又邁進(jìn)了一大步。目前四川省內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)建設(shè)和審批了一批縱向增強(qiáng)體土石壩,隨著該壩型的陸續(xù)上馬,為縱向增強(qiáng)體的理論和實(shí)踐提供了更多的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。該批工程的新建,對(duì)剛性心墻防滲體和柔性土石壩的協(xié)調(diào)變形研究、抗裂研究、以及出現(xiàn)滲漏后的整治加固均有一定程度的指導(dǎo)作用。