上坝水电站大坝塑性混凝土防渗墙的设计

□张仕杰（五华县水利水电勘测设计室）

1.前言

进入21世纪后，我国在社会、经济、科技等各领域都出现了突飞猛进的增长趋势，而随着我国在水利工程建设方面的发展日益增强，有关水利建设的技术与工具也在不断地研发和创新，对水利建设工程最显著的防渗墙加固方面的情况也已逐步解决。采用塑性混凝土防渗墙技术可成功改善水利工程防渗加固的问题，与传统的混凝土防渗墙技术相比，它具有更强的应变性，弹性模量也更低，可有效防止土质坝基出现渗漏情况。

2.上坝水电站工程概况

上坝水电站工程的枢纽部分主要由地下厂房、左岸引水系统、碾压混凝土重力坝等组成，坝址的河谷是走向顾，右岸是顺向坡，坡度约44°，左岸是逆向坡，坡度约为44°，河面宽度在143～148m间，河面高程约为304m。大坝水电站坝高最大可达70.13m，坝顶长达155.28m，坝顶高达356m，坝顶宽达8m，坝基高达286m，坝底宽度最大可达54.42m。水库建成的正常蓄水位是353m，全部集雨面积为2841km2，水电站装机总容量为5400kW，常年发电量平均为2217.19×104kW·h。

3.塑性混凝土防渗墙的设计

3.1 防渗体的型式及布置

水电站的防渗体所采用的即是塑性混凝土防渗墙，在对墙顶高程进行建设时，按照水库洪水位设计为1180.38m，再加上安全超高的高度附加最终为1181.7m。水电站工程的墙底需要在河床与两岸基岩中嵌入约1m，经测量墙底高程最低为1135.6m。

3.2 有限元计算

3.2.1 基本数据

通过对上坝水电站的测量研究，得出以下基本数据：塑性混凝土物理力学指标：浮容量：1.0～1.3t／m3；容重：2.0～2.3t／m3；弹模：500～800MPa；抗压强度：2～3MPa；抗渗：W6；水力梯度：60；安全系数：K=6。水库特征水位：设计洪水位：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。

关于塑性混凝土的非线弹性指标见表1。

表1 防渗墙塑性混凝土非线性弹性参数表

3.2.2 计算工况及荷载组合

对上坝水电站工程的工况进行计算的情况是水库正常蓄水，且对坝体的开挖施工工程予以考虑。经计算副坝可选用0+118.5m桩号的断面。水电站工程的荷载组合主要为墙体自重力与施工过程荷载及正常蓄水后的水作用力。

3.2.3 应力、应变分析

塑性混凝土力学模型：在静力作用下选用邓肯-张模型进行强度分析——强度计算依据莫尔-库仑的强度标准。针对岩土工程在施工步骤与方法的实施，可对其进行模拟跟踪分析。

一是有限元模型及边界条件：在防渗墙的上游部分取100m，下游部分取45m，将所有部分划分为953个三角形状高精度等参元，节点数6。高精度节理元89个，节点的总数是4120。

二是节理单元参数：对节理单元参数的实际计算如表2。

表2 节理单元参数表

三是计算结果：在进行计算时需要对基岩的风化情况予以考虑，防渗墙墙体的弹模一般选择500MPa、800MPa、1200MPa等几类，根据以上所述的理论与参数，对防渗墙在正常蓄水时的变形与应力进行计算。由此可以发现，当墙体的弹性模量为500MPa，防渗墙的墙体最大压应力σmax即为2.778MPa，其值比抗压强度指标＜3MPa；当墙体弹性模量为800MPa，σmax即为3.399MPa，高出抗压强度标准约13.3%：当墙体弹性模量为1200MPa，σmax值高出抗压强度指标达32.3%；所有墙体都受压，无拉应力。防渗墙墙体位移：弹性模量越小，变形就越大，水平位移最大值是216.4mm，在淤泥层处出现。

3.3 墙体材料设计

上坝水电站防渗墙嵌入于古河道覆盖层内，因其后部作为支撑的覆盖层的延长达3km，下部的基础为岩石层，所以不会出现整体破坏的情况。

3.3.1 设计指标

塑性混凝土在设计中应遵循其设计指标，主要包括以下几个方面：初始切线弹性模量：E=800～1000MPa；设计强度指标：抗压强度R90=4.0～5.0MPa，抗折强度T＞1.5MPa；强度保证率：P=90%；抗渗标号：W6；浇筑地点坍落度：18～22cm(塌落度保持16cm以上的时间应＞1h)；强度离差系数：Cv=0.15；凝结时间：初凝＞6h，终凝＜24h；扩散度：34～40cm；混凝土密度：＞2.1t／m3。

3.3.2 配比试验采用的原材料

上坝水电站在建设工程中，需与施工的实际情况相结合，对所选用的材料应采取就近原则从而减少工程建设费用。

砂料：选要求含泥量＜1%，细度模数在2.4～2.8间，可选用沙河砂场的黄砂。

水泥：质量要求需与国家标准(GB2938-862)相符合，可选用塔牌生产的4.25号普通硅酸盐水泥。

膨润土：质量要求要与石油工业部颁布的标准《钻进液用膨润土》(SY5060-85)Ⅱ膨润土的要求相符合，可选用洋县生产的膨润土。

粘土：要求为含砂量＜5%，塑性指数＞20，含粘粒量＞50%，所采用的粘土为工地附近土料场所生产。

用水：必须与水工混凝土拌制所要求的质量相符合。

骨料：含泥量＜0.4%，粒径在5～20mm之间，可在工地现场进行加工制作。

技术：混凝土的制作有一定的技术要求，在操作中除了要考虑操作程序的简易度，控制好施工的质量，还必须注重技术层面，根据规范要求使用引气剂、高效减水剂、缓凝剂等外加剂，以确保质量。

3.3.3 选定施工用配合比

上坝水电站混凝土防渗墙因上下游设计均为软基，为了应对变形问题，对粘土水泥塑性材料采取了有限元计算。后发现当地的粘土并不符合要求，于是转而采用膨润土塑性混凝土防渗墙设计，西北水科所受水电站施工单位的委托对防渗墙施工进行了试验，给出的材料最终配比为：水为274kg／m3，膨润土为180kg／m3，砂为707kg／m3，碎石为837kg／m3，水泥为180kg／m3，抗渗度≥S6，混凝土性能为R28=4.05MPa。

4.防渗墙成槽

经过对防渗墙施工设计的修正，防渗墙槽段共为33个，全长达201.3m，其厚度为80cm。在2009年时通过试用冲击钻对岩体进行施工，发现对于块体大硬度高的岩体抓斗成槽机的效能根本无法充分发挥出来，而且还经常出现掉钻、夹钻、孔斜等情况，严重拖沓了施工的进度。

4.1 机械成槽

上坝水电站施工中段的18个槽段均是使用机械成槽的方法，10号、12～14号及21～28号的槽段选用的冲击钻为CZ-22，15～20号的槽段则选用CZ-30冲击钻，钻头的十字型冲击锤分别为1.5t和2.5t，主孔为先之后是副孔，主孔应保持间距为1m。

4.2 人工成槽

在一期槽段的两端设置好混凝土隔墙，在二期槽段时再将隔墙拆掉。在槽段的一端设置供施工者上下的钢梯，用50m扬程水泵将槽内渗水抽出。针对槽内孤石可采用防水乳胶炸药将之分解，随后再用吊土斗配卷扬机将之移除,在对混凝土进行灌注时要由下至上，有秩序地进行分段拆除。

上坝水电站防渗墙在2009年5月1日正式开工，2009年11月12日竣工，工程浇筑防渗墙7955m3，造孔进尺为9408m。通过采用超声波测量，发现波速平均为2760～3100m／s，强度为3～4MPa，离差系数平均＜5%，仅一个槽段＞5%，由此可见，塑性混凝土防渗墙的确具有较好的连续性与均质性，无明显缺陷，底部嵌岩与邻近槽段衔接都非常好。

5.结语

与传统的普通混凝土技术进行比较，塑性混凝土明显具有普通混凝土难以相比的优势，不仅塑性高、强度低，且弹模低、抗渗性能也较好。塑性混凝土价格低廉,对变形有很强的适应能力,而且施工操作简单，不易产生突发状况。施工人员运用膨润土塑性混凝土防渗墙技术成功将副坝防渗的问题予以解决，同时将机械成槽与人工成槽相结合，对超深灌浆管埋设的难题也予以成功解决。

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