土石坝低弹模混凝土防渗墙设计关键技术.pdf

水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 9期 土石坝低 弹模 混凝土 防渗墙设计关键技术 李 煊 明 ( 福建省水利水 电勘测设计研究院，福建 福州 3 5 0 0 0 1 ) 摘要：针对土石坝混凝土防渗墙受力变形机理研究，通过大量室内低弹模混凝土材料性能试验 ，提 出了土石坝混凝 土防渗墙性能指标 的技术要 求，以及 结构计算、厚度确定、土石坝设置低弹模混凝土 防渗墙后上游坝坡稳定计算等方面的设计方法。研究成果已应 用于桥 下、坂头等水库除险加 固工程实 践 中，原型观测结果表明工程防渗加 固效果良好。 关键词 ：土石坝；防渗墙 ；低弹模混凝土 ；设计 中图分类号：T V 6 4 1 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 6 1 0 3 Ke y t e c h n o l o g i e s f o r d e s i g n o f l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e c u t o ff wa l l i n e a r t h - r o c k fil l d a m LI Xu a n mi n g ( F u j i a n P r o v i n c i a l I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r ，F u z h o u 3 5 0 0 0 1 ，F u j i a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t t h e s t u d y o n t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n me c h a n i s m o f t h e c o n c r e t e c u t o ff wall f o r e a r t h r o e k il l l d a m t h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s for t h e p e r f o r ma n c e i n d e x e s o f t h e c o n c r e t e c u t - o ff wa l l i n e a r t h - r o c k fi l l d a m a s w e l l a s t h e d e s i g n me t h o d s i n t h e a s p e c t s s u c h a s s t r u c t u r a l c a l c u l a t i o n，d e t e r mi n a t i o n o f t h i c k n e s s ，c alc u l a t i o n o n t h e s t a b i l i t y o f t h e u p s t r e a m d a m s l o p e a f - t e r b u i l d i n g t h e c u t o ff wa l l ，e t c a r e p u t f o r w a r d t h r o u g h a l a r g e n u mb e r o f i n d o o r t e s t s ma d e o n t h e ma t e r i al p e rfo r ma n c e o f l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e A l l t h e s t u d y a c h i e v e me n t s h a v e a l r e a d y b e e n a p p l i e d t o t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e s o f t h e ri s k - e l i mi n a t i o n a n d r e i n f o r c e m e n t p r o j e c t s o f t h e r e s e rvo i r s o f Y u q i a o x i a ， B ant o u ， e t c T h e p r o t o t y p e o b s e rva t i o n s d e m o n s t r a t e t h a t b e t t e r a n t i s e e p a g e r e i nfo r c e me n t e f f e c t s h a v e b e e n g o t a s w e l 1 Ke y wo r d s ：e a rt h r o c k fi l l d a m ；c u t o ff w all ；l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e ；d e s i g n 1 概 述 A墙 t o ，是低弹 模混 凝 土 防渗墙 设 计 的关键 和 重要 技 低弹模混凝土( L o w E l a s t i c Mo d u l u s C o n c r e t e ) 2 8 d 立方体抗压强度标 准值一般 为 51 0 MP a ，抗渗标 号为 W4W9 ，弹性模量在 1 01 0 MP a以下。根 据 目前 国内病险土石坝加 固现状和发展趋 势 ，混凝 土防渗墙方案是最直观 、最有效 的加 固措施 ，而低 弹模混凝土不仅具有适应 土石坝变形 的能力 ，还具 有较高 的强度 、抗渗能力 ，同时还具有 较强 的抗溶 蚀性 和耐久性 ，在近年来 的水库 除险加 固工程 中得 到了一定的应用。但我国对低弹模混凝土及低弹模 混凝土防渗墙性能 的研究 尚处于定性探索 阶段 ，对 当前应用低弹模混凝土防渗墙进行病 险水库 除险加 固缺乏定量的理论依据 ，由此开发研究 既能满足坝 体防渗 ，又能 适应 并 协 调坝 体变 形 的混 凝 土 防渗 W a t e r Re s o u rc e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g V o 1 4 4 No 9 2 土石坝混凝土防渗墙性能指标要求 对于土石坝深厚覆盖层基础防渗墙 、高土石坝坝 体防渗墙、中低水头病险土石坝坝体防渗墙 、低水头 堤坝防渗墙等，由于防渗墙承受荷载型式不 同、防渗 墙墙体应力应变水平不同，相应的防渗墙破坏位置和 方式也不同。不同类型和坝高等级 的防渗墙 ，应开展 试验研究 ，选取不 同的材料组成 、性能指标要求和浇 筑施工方法。中低水头病险土石坝坝体防渗墙性能指 标要求为：( 1 ) 适宜的强度和较低 的弹性模量 ，低弹 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 7 1 2 作者简介 ：李煊 明( 1 9 7 0 一 ) ，男 ，福建永定人 ，教授级高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李煊明土石坝低弹模混凝土防渗墙设计关键技术 模混凝土防渗墙一般要求抗压强度 R 为 51 0 MP a ， 弹性模量 E 。 为 3 0 0 01 0 0 0 0 MP a ；( 2 ) 足够的抗渗 性能 ，低弹模混凝土防渗墙墙身渗透系数要求 k 蕊1 1 0 c m s ；( 3 ) 良好 的可靠性和耐久性 ，低弹模混 凝土防渗墙为大坝的重要构筑物 ，混凝土防渗墙安全 运行寿命不得小于大坝设计使用年限；( 4 ) 应有较大 的流动性 ，低 弹模 混凝土防渗墙 一般要求塌落度为 1 8 2 2 c m、扩散度为 3 4 4 0 c m。 3 土石坝低弹模混凝土防渗墙受力特点 基于有限元计算分析 ，墙体混凝土弹模与其承受 的应力存在对应关系，弹模越小，混凝土防渗墙与周 围土石坝 的变形协调越好 ，墙体承受 的应力也越小 ， 反之亦然 ；同时主应力最大和最小值一般出现在防渗 墙顶部或底部 ，当弹模大到一定程度后 ，墙体拉应力 值及其分布范围随弹模逐渐加大。普通混凝土弹模高 出土石坝填筑料弹模数百倍甚至上千倍 ，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并导致混凝土防渗墙遭受 破坏 。塑性混凝土虽然变形协调能力好 ，但其获得通 常需 以牺牲强度和耐久性为代价。因此 ，为提高混凝 土防渗墙 的安全性 ，一方面要尽量降低混凝土的弹性 模量 ，另一方面应尽量提高混凝土的强度 ，降低弹强 比。 强度和弹 性模 量 是 混凝 土 防渗 墙 两大 基 本特 征 ，通过理论分析 和众 多工程实践认 为 ，低 弹模混 凝土 防渗墙应通过防渗墙 自身 的弹强 比和防渗墙 弹 性模量与周围土层 变形模量 比值两个指标进行强度 控制。对于弹强比 ，低 弹模混凝土防渗墙 弹性模量 2 8一 般为 3 0 0 01 0 0 0 0 MP a ，抗压强度 R 2 8 一般要 求为 51 0 MP a ，由此 弹强 比一般为 6 0 01 0 0 0 ， 防渗墙 的强度与弹模本 身是一对 矛盾 ，近年来 ，人 们对混凝土 的耐久性越 来越重视 ，在 防渗墙混凝土 配合 比试验时 ，要求在满足 弹强 比的前提 下 ，尽量 提高混凝土强度。防渗墙的应力水平及与周围土层 变形的协调性 ，与所受 的荷载 、墙 体刚度等密切相 关 ，需通过有限元计算分析确定 。用有 限元法进行 土石坝防渗墙及其周 围土体 的应力变形 分析时 ，除 了需根据土体 、防渗墙 的材料及受力特性 ，采用不 同的本构关系进行应力应 变关 系分析外 ，对于土体 与防渗墙的接触 面，应考虑其特殊性 ，采用接触摩 擦单元作为接触面的力学模型。 4 土石坝低弹模混凝土防渗墙材料特性 通过全面试验研究 ，土石坝低弹模防渗墙混凝土 材料特性和主要技术指标如下 ：( 1 ) 低 弹模混凝土宜 用一级配骨料 、砂率一般大于 5 0 ；( 2 ) 优选出符合 设计指标要求 的低 弹模混凝 土配合 比中胶材 总量为 3 0 0 4 5 0 k 异 m ，膨润土掺量3 0 4 0 ， 胶材总量 多时取上限，反之取下限；( 3 ) 低弹模混凝土 ，其胶 凝材料包括水泥 、膨润土等 ，膨润土颗粒很细，吸水 能力很强 ，混凝土的用水量与掺土率关系较大，抗压 强度的影响因素有水胶 比、土料掺量及土料性质等 ， 拉压 比( 劈拉强度与抗压强度 比值) 多为 0 0 9 0 1 2 ， 一 般随着膨润土掺量增多 ，拉压 比略有增大；( 4) 低 弹模混凝土具有 良好的抗渗性能 ，渗透系数均小于 1 1 0 c m s ，掺加适量膨润土 ，有利于提高混凝土抗 渗性能 ，掺量 以不大于 4 0 为宜 ，粘土和膨润土双 掺的低弹模混凝土抗渗性能 比单掺好 ；( 5 ) 混凝土的 徐变主要是 由拌和物的固有性能引起的，低弹模混凝 土的徐变度较相应强度等级普通混凝土大 ，且随水灰 比增加而增大 ，同普通混凝土一样 ，低 弹模混凝土的 徐变度随持荷时 间的增加而增 长，后期增长相对缓 慢。 5 防渗墙厚度确定 土石坝坝体防渗墙厚度应通过抗渗稳定计算 、结 构应力应变计算 ，并结合 防渗墙墙体材 料、施工条 件 、环境水质 、其他工程经验等综合分析确定。防渗 墙在渗透压力作用下 ，其耐久性取决于机械力侵蚀和 化学溶蚀作用 ，由于侵蚀破坏作用都与水力坡降密切 相关 ，由此防渗墙的厚度首先根据其破坏时的水力梯 度来计算防渗墙 的厚度 ，计算公式为 曰 ： J p- 式中， 为防渗墙 的允许水力梯度 ；H为防渗墙承 受的最大水头； ， 为防渗墙破坏时的极限水力梯度； K为安全系数 ，国内一般采用 K= 35 。 根据试验研究并结合刚性混凝土、塑性混凝土允 许水力梯度取值 ，低弹模混凝土允许水力梯度建议采 用 J p： 6 0 8 0为宜。为保证混凝土防渗墙的强度 和 变形满足要求 ，根据水力梯度计算防渗墙厚度后 ，还 需根据初选 的防渗墙厚度进行结构计算，对输出的应 力应变成果进行 检查 ，检查 防渗墙 的压应力 、拉应 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 力 、应力水平和变形是否超过防渗墙的允许值 ，如果 未超过 ，说 明初选的厚度满足强度要求 ，否则说明强 度不满足 ，则需逐步加大墙厚重新计算 ，直到满足为 止 。 6 土石坝设置防渗墙后上游坝坡的稳定 坝体混凝土防渗墙把大坝整 体一劈 为二 ，由于 混凝土防渗墙渗透 系数小 ，抗渗 性好 ，致 使防渗墙 上游侧坝体排水性差 ，孔 隙水压 力大 ，坝体浸润线 高 ，在库水位骤降工况下 ，上游 坝体 的渗流力将增 大 ，由此坝体上游面坝坡 的抗滑稳定 安全系数将受 到削弱 。土石坝在坝体设置混凝 土防渗墙后 ，对 于 上游坝坡的稳定应进行专题计 算复核 ，计算最不利 工况为库水 位从校 核水 位骤 降至溢 洪道堰 顶高 程 ， 考虑到防渗墙为凝胶体 ，抗剪强 度大 ，而上游侧坝 体土石料为散粒体 ，上游侧坝坡 的滑动线应按 以防 渗墙上游 面为极限边界进行 圆弧 、折线 型滑弧等多 种可能 滑 动线 考 虑 ，以寻 找最 小 边坡 稳 定 安全 系 数 。通过对 土石坝 上游 坝坡抗 滑稳定 计算 复核 后 ， 若抗 滑稳定安全系数小于规范要 求值 ，则需要 对上 游侧 坝坡 、坝体进行抗滑稳定加 固处 理。处 理可 以 采用 以下方 案 ：( 1 ) 放 缓上游 坝坡坡 比；( 2) 上游 抛料填筑压坡 ；( 3 ) 改变上游侧坝体填筑料的材料 特性 ，提高其力学强度或增加其透水性 ，使其 对坝 体的抗滑产生有益的效应 。 7 防渗墙的结构计算 混凝土防渗墙应力应变计算可采用 S D A P程序进 行计算或复核 ，该程序采用有限单元法分析的土石坝 静力计算模式 ，模拟土石坝施工和蓄水过程 ，坝体材 料参数采用邓肯 E B模 型，采用逐次增量 的方 法模 拟材料的非线性特性 ，防渗墙与周边散粒状土石体材 料之间设 置无厚度 的 的古 德曼 ( G o o g m a n ) 接触 面单 元 。计算所需各材料的非线性弹性参数主要通过三轴 试验取得 ，个别材料也可结合地质资料和类似工程选 取 。计算断面一般视实际情况选取坝体最大 、或坝基 最深断面、或较典 型断面。一般认 为 ，邓肯 E B模 型是目前工程界最常用的本构模型， 但其应力变形计 算结果偏大是其较明显的缺陷，由此在有限元计算分 析时 ，对土体的本构关 系宜分别采用邓肯 E B模 型、 多重势面模型和沈珠江双屈服面弹塑性模型等 ，进行 对 比分析和研究 ，以全 面了解防渗墙 的应 力变形状 况 。 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第 9期 李煊明土石坝低弹模混凝土防渗墙设计关键技术 8结语 低弹模混凝土与普通混凝土相 比具有 较低 的弹 性模量 ，与塑性混凝 土相 比具有较高的强度和抗渗 性能 ，可用于高中土石 坝的永久性防渗墙。低弹模 混凝土原材料来源广 、就近取材 、施工简便 、质量 稳定 ，具有广阔的推广应用 前景。本 文为针对土石 坝低弹模混凝土防渗墙 存在的技术难题 ，开展 的试 验和研究 ，总结的设计技术 已应用于桥下 、坂头等 水库除险加 固工程 中，原 型观测结果 表明工程 防渗 加固效果 良好 ，其 设 计经 验 可供 类 似工 程设 计 参 考 。 参考文献： 1 丛蔼森 地下连续墙 的设 计施工与应用 M 北 京 ：中 国水 利 水 电出版社 ，2 0 0 1 ：3 5 - 7 1 2 白永年 中国堤坝防渗加 固新技术 M 北京 ：中国水利水 电 出版社 ，2 0 0 1 ：3 8 5 3 8 7 3 王清友 ，孙万功 ，熊欢 塑性 混凝土防渗墙 M 北京 ：中国 水利水电出版社 ，2 0 0 8 4 郎小燕 混凝土防渗墙 在土石 坝工程 中的应 用与发展 J 水 利水电技术 ，2 0 0 7 ( 8 )：4 2 4 5 5 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 ，2 0 0 9 ( 5 )：3 1 - 3 4 6 尉高洋 低 弹模 混凝 土防渗 墙在某 土石坝 加固 中的应用 J 浙江水利科技 ，2 0 0 6 ( 2 ) ：3 7 3 9 ( 责任编辑陈小敏 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m