坝体低弹模混凝土防渗墙质量安全控制研究

华伟南

(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)

1 问题的提出

混凝土防渗墙是一项比较成熟的技术,在水工建筑物中得到了广泛应用。但因普通混凝土弹模高出土石坝填筑料弹模100多倍乃至1 000多倍,坝体受到渗透水压力和自身压缩固结的作用,不可避免地产生较大的变形,因其弹模的巨大差异及变形的不协调性,会使防渗墙承受巨大的拉力而导致混凝土防渗墙遭受破坏。因此,普通混凝土防渗墙不太适用于土石坝坝体防渗处理。

20世纪60年代,国外通过对普通混凝土掺加一定量黏土或膨润土的改性,来替代普通混凝土中的大部分水泥,出现了塑性混凝土(其弹模小于1 000 MPa,抗压强度低于5 MPa),并开始应用于土石坝坝体的防渗处理,引起了国际大坝工程界的高度关注。80年代中后期,我国开始塑性混凝土研究,并在一些临时围堰及低坝坝体中应用,但因水泥用量过于偏少,对坝体使用运行过程中的耐久性心存疑虑,未被业内人士普遍认同。

近20 a来,随着我国混凝土防渗墙施工技术的发展,为设计方案选择开扩了思路和提供了技术支撑,人们一直在摸索将其应用于大坝除险加固的防渗处理。浙江省提出了弹模与强度稍高于塑性混凝土的低弹模混凝土 (其弹模小于10000MPa,抗压强度低于10 MPa),先后应用于20多座水库大坝除险加固处理中,并已成为土石坝病险水库坝体防渗处理最主要的措施之一。

虽然浙江省近期大量采用低弹模混凝土防渗墙进行水库大坝除险加固处理,并取得了较好成效,但对防渗墙的工作性态、低弹模混凝土材料的特性、配合比、弹强比、施工质量控制及检测等方面的认知程度还有限,仍需在工程中作进一步研究和实践。

2 关注点

(1)设计主要技术指标定位和标准的确定及相关安全运用条件;施工保证质量、处理漏浆与塌孔等应急问题能力;复杂地质情况下工程处理的难度与工期关系,以及出现漏浆与塌孔后续处理支付的超概算工程投资;工程安全运用可靠性等。

(2)已建工程的取芯强度、弹模成果大于设计值,实测弹强比无规律可言。

(3)防渗墙头部的处理及嵌岩深度。

(4)坝体低弹模混凝土防渗墙把大坝整体一劈为二,防渗墙与周边土石体变形的协调相关性问题,库水位应急骤降时,坝体上游面抗滑稳定安全系数削弱的严重程度。

3 适应性

3.1 弹 模

弹模是低弹模混凝土的重要力学参数。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,是配合比设计的一个重要指标。弹模的大小直接影响其适应坝体或坝基变形的能力,影响低弹模混凝土弹模的因素很多,归纳起来可分为内部因素和外部因素2部分。内部因素主要有混凝土原材料及配合比,外部因素主要有试件的成型、养护条件、试验方法等。在试验室条件下,影响混凝土弹模的外部因素相对稳定,同一配合比的混凝土弹模值主要受水化作用的影响。

浙江省已建低弹模混凝土防渗墙监测表明应力满足设计要求,防渗墙绝大部分时间内处于受压状态;不同高程的水平位移变化幅度较小,上下游方向位移量均在正常范围内(均小于其防渗墙总深度的0.3%)。从源口水库防渗墙混凝土取芯强度、弹模检测成果看(见表1),实测弹强比无规律可言。

表1 源口水库防渗墙混凝土对应强度、弹模检测结果表

3.2 强度等级

低弹模混凝土之所以要应用于坝体防渗处理,是因为具有良好的拌和物工作性、较低的弹模和较好的抗渗性,但强度却较低,其设计强度等级一般不超过10 MPa。因其采用升导管法在泥浆下浇筑,《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL 174—96)在条文说明中提出,一般认为泥浆下浇筑的混凝土强度只有陆上浇筑混凝土强度的70%左右;《水电水利工程混凝土防渗墙施工规范》(DL/T 5199—2004)在条文说明中提出,其强度比同等级地面浇筑的混凝土强度有不同程度降低,仅为后者的70%～90%。

考虑到混凝土强度损失,坝体混凝土防渗墙施工实际配合比的机口强度等级应高于设计标准,以此来解决泥浆下浇筑的混凝土强度降低问题。由于低弹模混凝土防渗墙的强度与弹模本身是一对矛盾,实际配合比试验中很难兼顾,往往按正常强度保证率配制,并没有提高机口强度等级配合比标准。从已建工程防渗墙混凝土设计指标与取芯实测结果来看 (见表2),离墙顶4～10 m范围内取芯强度成果大于设计值25%左右。这是因为防渗墙处于三向受力状态,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;在三向受力条件下低弹模混凝土的强度有很大提高,而且几乎与围压呈直线增大(见图1)。这就意味着随着围压的增加,低弹模混凝土的强度增加了,防渗墙的安全度得以提高。

表2 已建工程防渗墙混凝土28 d抗压强度设计指标与检测结果表

低弹模混凝土防渗墙采用升导管法在泥浆下浇筑而成,虽然墙体下部依靠自重挤压密实,并在三向受力条件下强度得到了提高,但墙体顶部因泥浆含量大及自重作用逐渐减弱,其强度难以保证,从已建工程防渗墙混凝土强度取芯检测结果(见图1)表明,离墙顶4 m左右范围内混凝土强度不能满足设计要求。

图1 低弹模混凝土防渗墙实测强度与高程关系图(头墙已凿除0.5 m)

因此,为了增加防渗墙的适应性,在离墙顶4 m左右范围内可适当减少黏土和膨润土用量、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可以考虑掺加粉煤灰和外加剂,此外,还应从严控制骨料的级配、最大粒径、含泥量等。

3.3 抗渗性

抗渗性是低弹模混凝土的一项重要技术性能指标,抗渗性的好坏不仅决定防渗墙的质量,而且关系到大坝的安全性。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以及试验条件等。

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,要想使其成为适应性较好的低弹模混凝土防渗墙,就应适当增加膨润土用量,控制水泥用量及砂率,并可掺入适量的粉煤灰和引气减水剂。

混凝土防渗墙是胶结材料,不存在机械管涌,但有化学溶蚀问题。化学溶蚀的速度是与水力坡降成正比,即坡降越大,溶蚀越快,但至今还没有一个认可的评价准则。低弹模混凝土因掺入黏土或膨润土,其溶蚀速度要比普通混凝土慢得多。现在按坡降考虑是沿用已有工程经验,国内外混凝土防渗墙多采用70～90,一般不超过100[1]。

3.4 周边条件

周边条件影响因素主要有墙体两侧坝体填料密实程度和防渗墙与基础的接触形式。

(1)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)由于防渗墙嵌入基岩,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;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。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,防渗墙的嵌岩量的多少直接影响到防渗墙的受力分布。

(3)由于防渗墙的变形要与坝体、坝基变形相协调,因此坝基覆盖层与坝体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。

(4)低弹模混凝土防渗墙嵌固墙体钻孔检测结果(见表3)表明,嵌岩深度0.5 m时,混凝土防渗墙入岩有效深度0.4 m是有保障的,接触处的防渗效果能够保证。

表3 诸暨青山水库混凝土防渗墙入岩检测结果表

3.5 耐久性

坝体低弹模混凝土成墙后就处于履盖状态,并且大多情况下大部分墙体总是处于水下或湿润环境,可基本排除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:①在水压力作用下的渗透问题;②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。

3.5.1 水质的影响

被侵蚀的程度取决于水质,即取决于水中酸性碳酸盐碱度和氢离子、游离碳酸、硫酸盐、镁离子的含量。此外,Ca(OH)2的溶解度与溶液中存在的盐有较密切的关系,如Ca2+、OH-会降低溶解度,而SO2-、Cl-、Na+、K+等却能提高溶解度。

3.5.2 水泥品种的影响

不同的水泥,抗侵蚀的能力是不同的。矿渣水泥具有较强的抗溶出性及抗硫酸盐侵蚀的能力,除了在酸性及含镁盐的水中其抗侵蚀性能比普通水泥较差外,其它比普通水泥的抗侵蚀性能好得多。这是因为矿渣硅酸盐水泥水化时,由于熟料中C3S所析出的Ca(OH)2与矿渣化合时生成水化硅酸钙与水化铝酸钙,使易受侵蚀的Ca(OH)2大为减少。

3.5.3 混凝土组成的影响

混凝土的组成材料不同,配比不同,其抗侵蚀能力是不同的。根据文献[2],对于掺黏土的混凝土,当黏土掺量适当时可提高其抗侵蚀能力。

3.5.4 溶蚀对混凝土强度的影响

防渗墙混凝土被溶蚀后,对强度的影响如何是设计人员十分关注的问题。据B.M莫斯克文资料,氧化钙溶出量达混凝土内水泥中氧化钙总量的25%时,其强度降低约40%,溶出量达总量的25%以上时,其强度将剧烈下降。

因此,为提高低弹模混凝土防渗墙耐久性:①应控制防渗墙渗透系数低于10-6cm/s,因为溶蚀问题是由于渗透水流引起的,渗透系数大于10-6cm/s以后,溶蚀的危险性就会明显增加;②适当增加水泥用量,设法增加低弹模混凝土的密实度,提高抗渗性和耐久性。

3.6 施工质量

施工过程中加强质量控制对于满足设计、规程规范要求至关重要,对成墙质量起决定作用的主要是造孔成槽和浇筑成墙这2方面。

(1)孔斜的影响。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。孔斜率是槽孔开挖过程中严格控制质量的硬性指标,孔斜是造孔过程中发生频率最多、最难处理的问题,因为孔斜会造成槽孔各个部位搭接厚度不够,致使防渗墙出现扭曲或薄弱环节。

(2)孔故的影响。孔故可以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。清孔的目的是将槽孔中的携带钻渣和已经被污染的泥浆用新鲜的泥浆置换出来,其质量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)槽段接头施工的影响。防渗墙施工一般都分段进行,混凝土会因浇筑初期的凝缩变形、干燥收缩变形、温度冷缩变形等引起收缩变形。另据水工混凝土设计手册推荐的混凝土变形种类及约值计算方法,低弹模混凝土槽段混凝土干缩变形约为8 m(宽)×103×1.5×10-4(干缩率)=1.2 mm,温度冷缩变形约为8 m(宽)×103×1.0×10-5(温降1°单位长度缩短值)×30(温差)=2.4 mm,加之浇筑初期的凝缩变形及徐变增大导致混凝土收缩增大等,槽段间的混凝土防渗墙顶部将有1 cm左右的夹泥缝隙。从混凝土防渗墙工程钻孔实测骑缝孔缝宽(见表4)充分证实了这一点。因此,为保证防渗墙自身的整体防渗效果,必须作好各槽段之间的接头及骑缝孔处理工作。

表4 某工程混凝土防渗墙骑缝取芯检测结果表

(5)混凝土浇筑质量的影响。浇筑防渗墙的混凝土与普通混凝土的各项控制指标不完全相同。浇筑防渗墙的混凝土必须杜绝干硬离析拌和料进入槽孔,坍落度、扩散度偏小易堵塞导管,偏大则易与泥浆混合,造成质量事故;浇筑机械同样影响成墙质量,混凝土浇筑之前浇筑导管必须先试压,避免不合格的导管入槽,管头法兰盘必须连接紧固,防止发生掉、跑浆现象。

3.7 质量检测

3.7.1 检测现状

低弹模混凝土防渗墙的施工机械、施工工艺比较成熟,质量评定的手段主要采用混凝土拌和楼机口取样检验、钻孔取芯检测、孔内声波检查、钻孔压水试验、芯样室内物理力学性能试验等。因低弹模混凝土强度不高,墙体较簿,钻孔取芯扰动影响因素偏大及易击穿墙体等原因,主要以上部墙体孔内声波检查为主,通过无损检测技术,了解墙体完整性、均匀性和缺陷等情况。浙江省已建工程所检测低弹模混凝土防渗墙,槽段墙体均匀性较好,尚未发现不密实区、空洞、夹泥断层等较严重质量缺陷现象。但未能很好地对墙体设计深度、短墙、断墙和嵌岩深度进行有效检测。

3.7.2 改进研究

每种无损检测方法都有其特点和局限性,在对低弹模混凝土防渗墙墙体真实质量状况的评价方面均不能真正做到全面透切,因而不能以某种方法的检测结果作为最终判断墙体质量的依据。只有采用多种方法进行综合检测,并对每种方法的检测成果进行综合分析及对比,才能对墙体质量作出比较全面和准确的评价。建议按 《多道瞬态面波勘察技术规程》(JGJ/T 143—2004)和《水利水电工程物探规程》(SL 326—2005)相关要求进行和实测数据的分析处理,来判断墙体深度、有无短墙和断墙存在及有效嵌岩深度。

3.7.3 评定标准

因目前水利工程尚无低弹模混凝土防渗墙质量评定标准,因此根据已建工程质量指标数理统计分析,建议合格标准为:混凝土强度、弹模、抗渗指标试件合格率应不小于90%,试件混凝土强度保证率不应小于80%,强度最小值不应低于设计值的75%,弹模最大值不应高于设计值的120%,试件28 d龄期抗压强度离差系数Cv值小于0.26。

3.8 安全监测及布置

3.8.1 主要监测项目

防渗墙监测项目的设置应根据工程实际来进行,监测项目主要包括:应力应变监测、防渗效果监测、测斜监测、土压力监测及钢筋应力监测等。

浙江省内已建防渗墙除未布设土压力监测外基本都布置了上述项目,但没有进行防渗墙混凝土徐变试验,给应力分析带来不便。

3.8.2 测点布置

测点布置应根据混凝土防渗墙特性和工程等级、规模、结构型式及其地形、地质条件和地理环境等因素来确定,既要抓住重点,又要少而精。根据已建工程的监测资料分析和有限元分析成果,测点布置一般应遵循如下原则。

(1)根据防渗墙长度和坝基、坝体地质条件设置3～5个断面,通常选取最大坝高或原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处作为主要观测断面,根据需要布置应力应变、渗流、土压力、测斜(挠度)等观测点。

(2)每个断面根据防渗墙深度和周边地质条件分不同高程设置监测点,测点间距5～10 m,一般每个断面不少于3个测点。

(3)若为3个监测点,应变计 (组)、测斜仪、土压力计宜分别位于基础上部 2 m、防渗墙中间、墙顶下2 m左右,每个断面应布置至少1个无应力计测点,以掌握防渗墙混凝土自身变形。超过3个测点时,建议采取内插法布置,一般为单数,便于资料整编分析。

(4)如有条件,每个测点宜布置2组应变计,防渗墙上下游侧各布置1组,每组2支应变计,方向分别为垂直和平行于坝轴线方向;土压力计一般布置在防渗墙上游侧;钢筋计宜在防渗墙上下游侧各布置1支,方向为垂直向。

(5)渗流监测测点一般布置在防渗墙上下游1 m左右位置,每个监测断面测点数量和高程应根据坝体、坝基渗流特性和地质条件确定,上下游侧宜不少于3支渗压计。坝基部位设置1支监测坝基渗透压力,坝体布置2支渗压计分别监测低水位和高水位情况下坝体浸润线变化情况和防渗墙防渗效果。对于较深防渗墙应适当加密测点,以便全面掌握不同库水位下的坝体浸润线变化情况。

4 结论与建议

(1)浙江省已建低弹模棍凝土防渗墙经历了弹模从1 250MPa(长潭水库)逐渐增到了5 000 MPa(白石水库)的变化,到目前为止,相关工程监测资料成果反映,防渗墙应力满足设计要求,防渗墙绝大部分时间内处于受压状态,不同高程的水平位移变化幅度较小,上下游方向位移量均在正常范围内 (均小于其防渗墙总深度的0.3%),尚未发现墙体工作状态安全性问题;从目前已建工程取芯强度、弹模检测成果看,实测弹强比无规律可言。考虑到最新《水电水利工程混凝土防渗墙施工技术规范》 (DL/T 5199—2004)中防渗墙混凝土质量检查,除强度、抗渗指标外,对弹模不作硬性规定,结合浙江防渗墙工程结构特点和施工方法,混凝土弹模与强度可在工程经验类比或分析工作状态的基础上加以确定,防渗墙的弹模可针对现场物料性能尽量考虑研究降低弹模可能性,不必刻意采用十分困难的措施去研究进一步降低混凝土弹模。

(2)低弹模混凝土防渗墙采用升导管法在泥浆下浇筑而成,已建工程取芯检测结果表明,墙体下部依靠自重挤压密实,并在三向受力条件下强度得到了提高,强度总体偏高,不必以提高设计配合比来解决泥浆下浇筑的混凝土强度降低而预留的损失值;但墙体顶部4 m左右(凿除0.5 m头墙后计)范围内,因自重作用逐渐减弱,大量钻渣或离析的泥浆在混凝土浇筑过程中易发生搅浆,造成泥砂进入墙体影响质量,其强度难以满足设计要求。建议选用复合设计配合比来解决,即墙体顶部4 m左右范围内提高设计配合比标准,特别是坝基、坝腰设置的防渗墙要充分考虑这一因素。

(3)低弹模混凝土防渗墙嵌固对防渗墙的应力条件极为不利,墙体底端与基岩相连接部位产生高度应力集中,嵌岩的深度多少直接影响到防渗墙的受力分布和接触处的防渗效果。过深,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,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;过浅,又对接触处的防渗极其不利。嵌固墙体钻孔实测表明,嵌岩深度0.5m时,混凝土防渗墙入岩有效深度0.4 m是有保障的,接触处的防渗效果能够保证,建议嵌岩深度控制在0.5～0.8 m较合适。

(4)低弹模混凝土因浇筑初期的凝缩变形、干燥收缩变形、温度冷缩变形及徐变增大导致混凝土收缩增大等引起收缩变形,故在混凝土防渗墙顶部将有1 cm左右的槽段间夹泥缝隙。在一定的水压作用下,缝隙间的泥浆会被击穿而导致顶部防渗系统失效。为此,建议对混凝土防渗墙特别是坝基、坝腰设置的混凝土防渗墙顶部8 m范围内的骑缝进行处理。

(5)为提高混凝土防渗墙抗侵蚀能力,除在酸性及含镁盐的水中使用普通水泥外,其它宜使用矿渣硅酸盐水泥。

(6)坝体低弹模混凝土防渗墙把整体大坝一劈为二,尽管低弹模混凝土防渗墙有变形大的特点,但与坝体周边填筑土石体相比,仍是“刚体”结构,防渗墙与上下游坝体土石体变形的协调相关性还有待研究,建议对类似工程,在墙顶下2 m左右及中部上游面布设多组土压力计,通过土压力计测值的变化来判断防渗墙与周边土体是否存在沿墙面缝隙、脱空,受力是否均匀等,进一步分析、研究库水位应急骤降时,坝体上游面滑动机理及抗滑稳定安全系数削弱的的严重程度。

[1]关志诚.土石坝基础混凝土防渗墙关键技术指标选择[J].水利水电技术,2009(5):31-34.

[2]李金玉,曹建国.水工混凝土耐久性的研究和应用 [M].北京:中国电力出版社,2004.