低弹模混凝土防渗墙适应性评价指标体系研究

华伟南,马福恒,刘成栋,向 衍

(1.浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心,浙江杭州 310009;2.南京水利科学研究院,江苏南京 210029)

0 引 言

防渗体系以其结构重要性、技术复杂性、投资比重大等因素,在水利工程中占有重要位置.在土石坝枢纽工程中,防渗体系关系到地基的稳定、大坝的安危,许多大坝失事大都是防渗体系遭到破坏或失效,因此备受关注.作为水利工程防渗体系的主体部分,尤其是水库大坝除险加固工程中,低弹模混凝土防渗墙的应用尤为较多[1].但是由于低弹模混凝土自身材料的特性,以及防渗墙工作的条件复杂性,其防渗效果及对实际工程适应性情况难以得到综合评价.然而要合理地给出适应性评价结论,必须建立一套比较完整的、科学合理的综合评价指标体系.目前,对此研究国内外尚未见相关研究报道.基于此,本文对低弹模混凝土防渗墙适应性评价的指标拟定原则、指标的评价等级划分以及指标体系的具体建立等问题进行初步研究,从而建立一个多项目、多层次的低弹模混凝土防渗墙适应性评价指标体系,为科学和全面地研究低弹模混凝土防渗墙运行性态提供参考和依据.

1 评价指标的拟定原则

影响低弹模混凝土防渗墙的因素多而复杂,对评价指标的拟定的是否得当,直接关系到防渗墙适应性评价结论的是否合理可靠.而在以往的一般工程评价指标[2-3]的拟定中,往往主要根据评价者的专业知识和实践经验,对评价指标的筛选缺乏科学有效的原则和方法,存在一定的主观性,从而使得所拟定的指标数量较为庞大,指标彼此间信息重叠或代表性不强等.为此,一个合理、完善的指标体系,应在以下几条原则下进行.

(1)内涵明确性原则

指标描述的确定性是低弹模混凝土防渗墙适应性评价指标体系构架的重要技术原则.如果指标内涵上的复杂性和不确定性,将会导致对对象认识和理解上的偏差,从而会影响指标体系构架的科学性.因此,评价指标必须内涵明确,具有一定的科学内涵,能够度量和反映低弹模混凝土某一方面的特征.

(2)代表性原则

低弹模混凝土评价指标涉及面较广,评价过程所伴生的随机性和模糊性,易使指标选择因追求全面性而重复表述,内涵重叠.因此,在保证重要特征和因素不被遗漏的同时,应尽可能选择主要的、有代表性的评价指标,从而减少评价指标的种类和数量;对于非重要方面的指标可以适当设置得粗一些,以简化评价过程.

(3)独立性原则

在建立指标体系的过程中,应力求减少各单个指标之间的相关程度,避免显见的包容关系.

(4)完备性原则

应力求使评价指标能相对全面和完整地反映低弹模混凝土各方面的重要特征和重要影响因素.

(5)实际可操作性原则

所拟定的评价指标应能通过已有手段和方法进行度量,或能在评价过程中通过经研究可获得的手段和方法进行度量;同时,指标体系内部与外部的同类指标之间要能够比较.

(6)定性定量相结合原则

在混凝土防渗墙适应性分析评价中,评价指标主要有两类：一类是定量指标,即可以根据试验、监测、检测资料的情况,可以得出该指标的实测或计算值;另一类是定性指标,该类指标无法或难于量化,只能通过专家判断,并将专家判断的结果定量化来进行评估,这一类指标往往又是不可缺少的.只有将这两类定性与定量指标结合起来统筹考虑,才有可能达到科学的评价目的,取得可信的结果.

2 大坝安全评价指标体系构造

2.1 大坝安全评价集的选择

要对水利工程上的低弹模混凝土防渗墙的适应性作出评价,首先必须对所拟定的评价指标特性的“优”、“劣”状况做出评价.评价指标特性的“优”、“劣”的概念较为模糊抽象,实际难以操作.因此,需要对评价指标特性的“优”、“劣”做出能进行定量描述的处理,也就是需要将评价指标特性划分为若干个可度量的评价等级,并对每个等级加以说明,即构造一个评价指标评价等级的集合.评价指标特性和最终评价目标评价等级数量划分的多少,是一个涉及到已有方法、相应规范、实践经验、人类心理活动等多方面因素的问题.若等级数量划分得过少,将不利于防渗墙适应性状况真实合理地反映.若等级数量划分得过多,又会加大确定等级间界限的难度.

参照国内外各种综合指标分级方法将防渗墙适应性等级分别划分成5个等级,V=[完全适应、较适应、基本适应、弱适应、不适应].

2.2 防渗墙适应性影响因素分析[4-6]

2.2.1 弹性模量

弹性模量是低弹模混凝土的一项重要力学性能,它反映了低弹模混凝土所受应力与所产生应变之间的关系,它是低弹模混凝土进行配合比设计的一个重要指标.许多大坝工程中使用的混凝土防渗墙,由于墙体材料的弹性模量较大(大都在10 000 MPa以上),比周围土体的变形模量高出几百倍,当工程投入运行时,墙顶部及侧面受到巨大压力,致使墙体发生的应力和变形比设计值高很多,因而墙体易出现裂缝,防渗作用降低,严重时会使防渗遭到破坏,大坝的安全受到威胁.如加拿大马尼克3号坝此值高达1.4～1.6 m,使防渗墙受到额外的巨大垂直压力和侧摩阻力,致使墙体内部的实际应力达26MPa,混凝土内部被压碎.因而,混凝土防渗墙弹性模量的大小直接影响其适应坝体或坝基变形的能力.

2.2.2 强度

低弹模混凝土的强度一般较低,其28天立方体抗压强度一般不超过10 MPa(三门峡槐扒西段村水库防渗墙低弹模混凝土的28天立方体抗压强度均不超过5MPa).防渗墙属于地下隐蔽工程,处于三向受力状态,在周围土体的作用下防渗墙在不具有很高强度的情况下就能保持良好的工作性能.但是,低弹模混凝土的强度又不能过低,否则对防渗墙的变形能力和抗渗性均有不利的影响,甚至会发生强度破坏.而影响低弹模混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗剪强度的因素又涉及到原材料、试件养护龄期等各方面.

因此,为了增加防渗墙的适应性,应减少用水量,即采用较小的水胶比,在保证弹性模量要求的前提下适当减少粘土和膨润土用量、增加水泥用量,并采用高标号水泥.同时,在条件允许的情况下掺加粉煤灰和外加剂.此外,低弹模混凝土的强度还应控制骨料的级配、最大粒径、含泥量等.

2.2.3 抗渗性

抗渗性是低弹模混凝土的一项重要技术性能指标,混凝土的抗渗性的好坏决定着防渗墙的质量,进而关系着大坝的安全性.引起低弹模混凝土渗透的原因很多,同时影响低弹模混凝土抗渗性的因素也是多种多样的,其中包括配合比中各种原材料的种类和用量等.

低弹模混凝土的渗透主要是由其内部的毛细孔引起的,因而,提高抗渗性的关键就是封闭这些毛细孔,使水在混凝土中难以贯穿或无路可过.因此,较好适应性的低弹模混凝土防渗墙,应尽量用较小的水胶比,适当增加膨润土用量,控制水泥用量及砂率,掺入适量的粉煤灰和引气减水剂,同时,还要严格控制施工质量.

2.2.4 施工质量

对成墙质量起决定作用的主要是造孔成槽和浇筑成墙这两方面.

(1)孔斜的影响

孔斜率是槽孔开挖过程中严格控制质量的硬性指标.防渗墙的槽孔开挖是防渗墙施工的关键工序,能否成槽及槽孔的质量好坏不仅影响防渗墙的轮廓尺寸,而且直接影响防渗墙的墙体结构质量.

(2)孔故的影响

孔故一般分为导向槽破坏变形、槽壁坍塌、卡钻或掉钻.导向槽的作用是维持孔口稳定和作为槽孔开挖的基准.一旦导向槽发生破坏或变形,可能导致孔壁失稳而坍塌、影响钻具的起落和成墙精度,造成孔斜,进而影响墙体质量.

(3)清孔质量好坏的影响

槽孔施工完成后,在浇筑混凝土之前的关键工序是清孔换浆.清孔质量的好坏直接影响墙体质量.清孔不彻底,槽底的落淤物不能被彻底掏出,会造成基岩与防渗墙体分离,形成透水带,泥浆未被完全置换出来,大量钻渣或离析的泥浆在浇筑混凝土过程中会发生搅浆,造成泥砂进入墙体影响墙体质量.

(4)接头孔施工的影响

防渗墙的施工一般都是分段进行的,因此,为加强防渗墙自身的整体性,作好各槽段之间的接头处理工作是关键.

(5)浇筑混凝土质量的影响

浇筑用的混凝土必须是合格混凝土,杜绝干硬离析不合格的混凝土进入槽孔是保证质量的前提.

施工质量的好坏是最终关系到防渗墙质量的好坏,因此,为提高低弹模防渗墙的适应性,必须严格控制施工每道工序质量.

2.2.5 耐久性

低弹模混凝土一旦浇入槽孔之后,就长期处于地下,并且多数情况下总是处于水下环境中,通常混凝土所遇到的冻融、干湿、收缩膨胀等不利影响.因此低弹模混凝土的耐久性问题主要有在水压力作用下的渗透问题和渗透水流对混凝土的化学溶蚀问题.而水质、水泥品种和混凝土组成则是影响侵蚀的主要因素.

2.2.6 周边条件

低弹模混凝土防渗墙适应性的周边条件影响因素主要是指坝体填料即墙体两侧填土密实度情况和防渗墙与基础的接触形式.

2.2.6.1 坝体填料即墙体两侧填土密实度情况

若坝体填料压实度低,或坝基覆盖层变形大,则加大防渗墙和坝体、坝基的变形模量的差异性,使得墙体变形相应增大,这势必降低墙体的适应性.

2.2.6.2 防渗墙与基础的接触形式

一般来讲,嵌固对防渗墙的应力条件极为不利,它使防渗墙底部产生高度应力集中,主要原因是：①防渗墙嵌入基岩,受基岩的约束没有侧向变形的余地,导致局部区域应力集中;②在渗透水压力作用下,防渗墙犹如下端受地基弹性支撑的悬臂梁,在墙底产生较大的弯矩.但若采取插入形式又对接触处的防渗极其不利.因此,防渗墙的嵌岩量的多少直接影响到防渗墙的受力分布.

2.2.6.3 覆盖层属性对防渗墙应力、应变的影响

由于防渗墙的变形与坝基变形要相协调,因此坝基覆盖层本身的物理力学指标对防渗墙的应力变形特性有重大影响.若覆盖层的变形模量低,则其压缩量大,防渗墙的变形相应地也较大一些.

2.3 防渗墙适应性评价指标体系

影响低弹模混凝土防渗墙适应性的因素是多方面的,从全方位综合考虑,为此,遵循全面性、代表性、独立性、简约性以及可操作性等原则选取并建立指标体系,从而建立防渗墙适应性评价指标体系,见图1.

各评价指标等级划分定量表述,见表1.

表1 适应性评价指标等级

图1 低弹模混凝土防渗墙适应性评价指标体系

4 结 语

低弹模混凝土防渗墙适应性评价体系是一个多层次多指标的复杂递归体系,由于每个水利工程都有自身特点,因此,低弹模混凝土防渗墙在工程中适应性评价不可能有统一评价指标,需要根据各工程各自情况来评定.对低弹模混凝土防渗墙适应性评价体系的研究是一个不断完善的课题,希望引起同行的共同关注和研究.

[1] 黄荣卫.低弹模混凝土防渗墙在土石坝工程中的应用[J].大坝与安全,2006(3)：50-52,55.

[2] 吴彦艳.产业链分析及灰色聚类评价指标体系构建[J].工业技术经济,2009(6)：94-96.

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