悬挂式薄壁低弹模混凝土防渗墙在杨梅岭水库副坝防渗加固中的应用

黄祥志,朱朝阳

(宁波市水利水电规划设计研究院,浙江 宁波 315192)

1 问题的提出

杨梅岭水库位于宁海县城关镇梅林管理区境内凫溪下游,是一座以防洪、灌溉、供水为主,结合发电、养鱼等综合利用的中型水库。水库正常蓄水位23.98m,相应库容833.2万m3;设计洪水位25.43m,相应库容1 089万m3;校核洪水位27.25m,相应库容1 509.2万m3。设计洪水标准50 a一遇,校核洪水标准2 000 a一遇。水库枢纽由大坝(主、副坝)、泄洪建筑物等组成。

维修加固的重点为第一副坝的防渗加固。对病险土石坝进行防渗加固处理的方法较多,针对坝体缺陷的防渗加固一般采用上游坡面防渗或坝体垂直幕墙防渗;针对坝基透水层防渗加固可根据渗流控制的要求不同而采用坝前水平铺盖防渗或垂直幕墙防渗。根据本工程特点拟定以坝顶为施工平台,采用薄壁低弹模混凝土防渗墙对第一副坝重点存在渗漏隐患的坝段进行防渗加固[1].。

2 第一副坝工程地质条件及评价

2.1 坝体填筑质量

第一副坝斜墙由非分散性的含砾砂粉质黏土及少量砾砂、风化碎石填筑而成,大坝坝壳主要由砂卵石填筑而成。

坝壳,由松散～稍密的砂砾卵石填筑而成,填筑质量一般。

2.2 坝体防渗性能

斜墙土现场注水试验求得渗透系数均大于1.0×10-5cm/s,中等透水性,存在渗漏隐患。水库多年运行中发现,第一副坝下游侧梅林陈村的几处水坑和梅湖公园水池的水位升降与库水位的升降有着良好的一致性。

河床段砂砾卵石坝基,属中等透水性。其下含泥砂砾卵石为相对不透水层。砂砾卵石、含泥砂砾卵石最大厚度可达26.7m。典型地质剖面见图1。

图1 典型地质剖面图

3 防渗加固

3.1 混凝土材料比选

混凝土防渗墙材料一般分普通混凝土和低弹模混凝土,低弹模混凝土是指弹性模量低,其刚性介于塑性混凝土与普通混凝土之间的一种墙体。低弹模混凝土与土体变形协调性好,能够克服普通混凝土防渗墙与土体弹模差异过大,不适应土体变形的缺点,其和易性、稳定性均好于普通混凝土,防渗墙选用低弹模混凝土材料。

3.2 抗渗强度验算

防渗墙墙厚拟用40 cm,顶高程27.70m,墙体材料为低弹模混凝土,要求28 d抗压强度不小于8.0MPa,渗透系数不大于1×10-7cm/s,弹性模量不大于6 000MPa。

式中:[J].允为允许水力梯度,取1/4极限水力坡降,[J].允=62.5;[J].为计算水力梯度;H为上下游水头差,取H=7.25m;t为墙厚,以0.40m计。

经计算,[J].=18.12＜62.5,满足要求。

3.3 嵌入深度比选

嵌入端拟用2种:①底部嵌入弱风化基岩不小于0.5 m,防渗墙最大墙深32.02 m;②底部嵌入相对不透水层含泥砂砾卵石不小于3m,防渗墙最大墙深22.04m。

3.3.1 2种嵌入深度渗流计算

计算参数见表1,加入低弹模混凝土计算参数后分别进行2种嵌入深度渗流计算,选取1+255m断面按前述方法,计算设计洪水位25.43m下的运行工况,渗流计算成果见图2、3。

表1 大坝各分区渗透系数表

图2 设计洪水位渗流计算简图(封闭式)

图3 设计洪水位渗流计算简图(悬挂式)

可见2种方案大坝的稳定渗流形态均符合混凝土防渗墙坝渗流场分布规律,浸润线位于现有地面高程以下,不出逸,土体渗透坡降降低,不存在土体渗透破坏。

3.3.2 2种嵌入深度有限元计算

采用河海大学工程力学系 (工程力学研究所)水工结构有限元分析系统(AutoBANK v.5.6)二维有限元计算程序,对2种嵌入深度的低弹模混凝土防渗墙进行平面有限元应力应变分析[2].。

3.3.2.1 计算实体和范围

新建混凝土防渗墙的结构计算按照平面应变问题考虑,计算的平面模型见图4、5。地基土的计算深度为防渗墙以下12m,大坝两侧的计算范围为坝体上下游外延20 m,斜墙、土层、防渗墙均采用四节点四边形平面单元。

图4 第一副坝封闭式防渗墙方案平面有限元计算模型图

图5 第一副坝悬挂式防渗墙方案平面有限元计算模型图

3.3.2.2 材料参数

大坝各分区填筑料、坝基土的材料参数根据工程地勘资料并参照一般的工程计算经验选取,岩基的材料直接取用地勘资料成果。具体参数见表2。

表2 材料属性表

3.3.2.3 计算工况及成果分析

2种方案均选取在设计洪水位25.43m下的工况,计算中考虑大坝已经运行多年,其固结沉降已经完成,在此不考虑原坝体竖向荷载包括其自重的影响。

2种嵌入深度的低弹模混凝土防渗墙的计算主要成果见表3。

表3 2种嵌入深度的低弹模混凝土防渗墙计算主要成果表

通过计算,主要得出以下结论:

(1)从上述计算中可以看出,2种方案中,心墙墙顶水平变位封闭式为2.25 cm,悬挂式为1.66 cm左右。

(2)封闭式中,墙身拉应力最大值出现在距离墙底3.0m左右的墙身上游面处(即强风化熔结凝灰岩的上界面处)。这是由于墙身周围的土体在该界面处发生了较大的变化:在此界面之上,墙身周围土体为弹模较小的含泥砂砾卵石,在此界面之下,墙身周围土体则为弹模相对较大的强风化熔结凝灰岩。在心墙的其它部位,墙身基本不受拉。

悬挂式中,墙身拉应力最大值出现在距离I3与II1界面1.0m左右的墙身上游处。这是由于墙身周围的土体在此界面处弹模变化最大。

(3)通过应力应变分析,低弹模混凝土心墙与周围土体共同承受水压荷载协调变形的过程中,由于底弹模混凝土很“柔”,具有很强的适应变形能力。作为水库维修加固工程中解决水库渗漏问题的控制性建筑物—防渗心墙,其对抗裂要求极其严格,这样低弹模混凝土就显示其优越性了[3].。

(4)在高土石坝的应力计算中,土体本构关系一般采用非线性和弹塑性本构模型,尤以邓肯—张模型应用最广。但是非线性弹性和弹塑性模型,计算复杂,应用参数较多且难以获取,此计算中由于考虑到大坝坝体固结与沉降已经基本完成,且计算所关注的是心墙的应力分布,故土体模型直接采用了线弹性本构关系。从计算结果可以看出,2种方案心墙应力应变分布符合一般规律,可以作为计算依据。

(5)对以上2种方案分别从防渗效果、施工工艺、土体最大渗透坡降、与土体协调变形能力、工程投资等多个方面进行经济技术比选。综合比较,防渗墙底部深入基岩防渗效果较悬挂式防渗墙好,但从悬挂式防渗墙的渗流计算和有限元计算分析,悬挂式防渗墙已经能够满足设计要求,并且较封闭式节省投资约27%。

4 施工、运行期情况

选取1+250m断面,布置5根测压管,每个测压管放置1支渗压计进行自动化观测,测压管位置见图6。对防渗墙施工、运行期效果进行观测,各测点水位与时间过程线见图7[4].。

图6 测压管放置位置图

图7 测压管测点水位与时间过程线图

5 结 论

(1)虽然目前低弹模混凝土防渗墙普遍应用于大坝防渗加固取得了良好的效果,但在宁波地区砂砾地基采用悬挂式防渗墙的工程尚属首例。

(2)通过投资、二维有限元渗流计算及应力应变计算等论证了本工程采用悬挂式防渗墙较常规封闭式防渗墙合理。

(3)施工及正常运行期的良好运行状况证实了本工程采用悬挂式防渗墙的合理性。

(4)对于上下游水位差较小、地基为透水层和相对不透水层较厚的砂砾地基的水库大坝,在充分论证的基础上考虑悬挂式防渗措施能够节省投资,而且能够达到防渗处理要求的效果。

[1].中华人民共和国水利部.SL 274—2001碾压式土石坝设计规范[S]..北京:中国水利水电出版社,2001.

[2].中华人民共和国电力工业部.DL 5077—97水工建筑物荷载设计规范[S]..北京:中国电力出版社,1997.

[3].李景龙,李术才,王刚,等.土石坝加固中混凝土防渗墙的应用 [J]..岩土力学,2006(10):75-79.

[4].中华人民共和国水利部.SL 174—96水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范 [S]..北京:水利水电出版社,1996.