碾压混凝土坝上游面防渗结构形式分析.pdf

2 0 1 4 年 1 2 月第 1 2 期 城 市道桥与 防洪 防洪排水1 0 9 碾压混凝土坝上游面防渗结构形式分析 袁翠平， 党媛媛 ( 南京市水利规划设计院有限责任公司， 江苏南京2 1 ~1 2 ) 摘 要 ： 碾压混凝 土坝作 为一种坝 型 ， 其成层 的建筑结构 对上游 面防渗性能 提出更 高的要求 ， 一 旦上游 面防渗措施 失效就 会导致 坝 体过大 的透水量或 层面扬压 力。在 阐述 碾压混凝 土坝上游 面防渗 形式 的基础 上 ， 通过 数值分 析 的有限单 元法计算 分析 上游面 防渗 体具体防渗作用 ， 分别对有无防渗体进行对比工况分析。 认为上游面防渗体在碾压混凝土防渗中起着控制性的作用 ， 坝体大部分水 流能量消耗在上游面防渗体中， 因此， 施工过程中要严把上游面防渗体的施工质量 ， 保证上游面防渗体防渗作用的正常发挥 。 关键词： 碾压混凝土坝 ； 上游面防渗体； 有限单元法； 变态混凝土； 扬压力 中图分 类号 ： rr V 6 4 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 o 9 — 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 1 2 — 0 1 0 9 — 0 2 1 概述 2 0世纪 8 O年代 ，出现了一种新 型筑坝技术 ， 即采用超干硬性混凝 土和振动碾压实方式相结合 ， 这种方式建筑 的大坝称之为“ 碾压混凝土重力坝 ” 。 该坝型具有施工速度快和工程造价低的优点， 因此 在世界各国得到迅速推广，在我国发展尤其迅速。 但是 ， 该成层 的施工方式形成坝体成层结构 ， 该结 构极易成为碾压混凝土坝 的渗漏通道 ， 因此该坝型 对坝体上游面的防渗提出更高的要求。 2 碾压混凝土坝上游面主要防渗结构形式 ’ 】 碾压混凝土坝上游面 防渗结 构从碾压混凝 土 坝的出现到广泛运用已有较多种 ， 这里仅例举应用 相对较多、 防渗性能较好的进行概述。 2 ． 1 常态混凝土薄面层防渗形式 该方法是在坝体上游面设置 0 ． 3～1 ． 0 m厚 常 态混凝 土薄层 ， 同时在其后大约 1～3 m范 围的碾 压混凝土层面设置 2 ． 5～7 ． 0 e m厚的垫层。该法具 有施工工序简单 ， 常态混凝土用量少的优点， 但因 常态混凝土较薄 ， 防渗作用不 明显 ， 若增加 常态混 凝土 的厚度 ， 则削弱了碾压混凝土的优势 。 2 ． 2 碾压混凝土防渗形式 这种形式将 坝体分成具有不 同防渗性 能的区， 一 般坝体内部为三级配碾压混凝土， 上游面外围为 防渗性能相对较好 的二级配碾压混凝土 ， 二级配和 三级配 同步上升 。 这一 防渗结构施工干扰小 ， 充分发挥 了碾压混 凝 土坝的施工速度快 的优点 ，具有很好 的应 用前 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 7 — 2 8 作者简 介 ： 袁翠 平( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 江苏盐城 人 ， 硕 士 ， 工程师 ， 主 要从事 水利工程设 计 。 景 ， 也是 目前应用较多的一种防渗形式。我国的荣 地坝 、 普定坝 、 隔河岩围堰 、 潘 家 口下池工程等都采 用这种防渗结构 。 2 ． 3 变态混凝土防渗形式 变态混凝土防渗是在坝体上 游面一定范 围的 碾压混凝土浇筑层面先铺设适量的水泥砂浆或静 水砂浆 ， 再摊铺碾压混凝土， 最后用强力插入振捣 器进行振捣 ， 使得该部位 的碾 压混凝土更加密实。 实践证 明采用变态混凝 土层面结合 能力 被大 幅度 提高 ， 不但具有很好 的防渗 能力 ， 同样也较好 地发挥了碾压混凝土坝所具有的全部优点。 2 ． 4 钢筋混凝土面板防渗形式 钢筋混凝土面板 防渗是 在碾压混凝 土坝上游 面用锚筋 固定钢筋混凝土面板 ， 面板和坝体分开施 工 ， 面板 既可以先 于坝 体施 工 ， 作 为坝体施工时的 模板 ， 亦可后于坝体铺筑。 此种防渗结构具有可靠的耐久性 ， 面板可 以承 受较大 的渗透力 。但是 ， 面板和坝体的连接是该防 渗结构形式的关键 ， 此 部分造价较高 ， 应尽量减少 钢筋混凝土面板的使用范围， 目前在大坝下部水头 较高的部位使用较多 。 2 ． 5 薄膜 防渗 薄膜 防渗就是在坝体 上游面贴一层 不透水 的 薄膜 ，该方法分 内贴薄 膜防渗和外贴薄膜防渗两 种， 其中内贴薄膜为在薄膜外面用预制混凝土面板 或其他面板来固定薄膜， 否则称为外贴薄膜防渗。 内贴薄膜 防渗施工 简单 ， 接缝易处 理 ， 防渗效 果较好 ， 但是面板 的成本较高 ， 薄膜耐久性难 以保 证 。外贴薄膜直接暴露于空气 中， 长期受到紫外线 的直射， 薄膜的耐久性不可靠。 2 ． 6 沥青 混凝土防渗 沥青混凝土防渗是在坝体上游面和护面板之 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 0 防洪排水 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 1 2 月第 l 2 期 间浇筑沥青混凝 土或沥青砂浆 ，沥青渗透 系数较 小， 且随着水头的增大而减小， 因此对高坝更加有 利。这种防渗结构在任何高度坝体中都适用， 且防 渗效果较好 。该法需注意 的是 防渗结构与周边结 合问题 。 2 ． 7其他 防渗结构 碾压混凝 土上游 面 的防渗结构 还有很 多 ， 如 补偿收缩混凝土防渗、 预制混凝土块防渗、 坝体上 游面喷涂防渗等 。 3 碾 压 混凝 土重 力坝 上 游 面 防渗 结构 形式 分析 因碾压 混凝 土坝上游面防渗形式较多 ，这里 不逐条分析 ，仅选取 目前应用较多且防渗性能相 对较好 的变态混凝土防渗结构形式进行分析。 3 ． 1工程概况 某碾压混凝土重力坝坝顶高程为 7 4 5 ． 5 0 m， 最大坝高 1 2 3 ． 5 0 m。上游面 6 6 0 ．0 0 m高程以上为 垂 直面 ， 6 6 0 ． 0 0 m高程 以下坝坡为 1- 0 ． 2 0 ，下游 坝坡 l： 0 ． 7 5 。 坝上游 面防渗结构采 用变态混凝 土的防渗方 案， 其中坝体迎水面变态混凝土厚 0 ． 8 0 m， 碾压混 凝土厚度大于 1 ／ 2 0的坝面水头，因坝前作用水头 不同而变化 ， 沿高度呈台阶状布置。 3 ． 2 数学模型 的有限单元法求解f 采 用数值解法 里用得较多 的 G a l e r k i n加 权余 量法求解。将计算空间域离散为有限个单元， 对于 每个单元 ， 选取适当的试探 函数 ， 并使该函数满足 边界条件。 3 ． 3 计算模型 本次计算针对主河床坝段，算域在坝轴线方 向取排水孔 间距 的一半 1 ． 5 0 m。 3 ． 4 工况说明及计算结果 研究该大坝上游面变态混凝土防渗效果。为 安全起见 ，所有工况 的坝上下游水位取最不利情 况， 具体工况见表 1 。 表 1 坝体 上下游面 防渗体 结构 方案计算 工况说 明 工况号结果图号 工 况说 明 图 1工况 1 计算结果图 5 3 ． 6 1 7 7 ． 4 8 图 2 工况 2计算 结果 图 3 ． 5 计算结果分析 图 1 为计算断面在工况 1 典型高程处层面上 的扬压力水头分布图。图中看出， 对于不同的坝体 高程都有一个相同的现象 ， 即坝体水头损失主要 发生在不到 1 ． 0 0 m厚的变态混凝土中。高程 6 9 0 m 处上下游总水头差为 5 3 ． 6 1 m， 在变态混凝土中水 头降落 5 3 ．6 1 m 一 7 ．5 9 m = 4 6 ．0 2 m ， 占总水头的 8 5 ．8 ％。 同理， 高程 6 6 0 m处变态混凝土中水头差占上下 游总水头差 的 8 8 ． 5 1 ％， 这充分说 明变态混凝土起 到 了控制性 的防渗作用。 图 2为完全没有坝上游面的防渗体的工况 ， 坝体渗透水流的大部分能量均匀地消耗在坝体排 水幕 的上游 区混凝土中 ，排水幕下游 层面的扬压 力几乎为零 。工况 2说 明了另外一个 问题 ， 即在上 游面无防渗体的情况下 ， 对坝体的防渗起控制性 作用 的是 坝体 内部的排水幕 。反过来对 比工况 1 ， 说明上游面防渗体表现出较明显的防渗作用， 它 能够消耗绝大部分 的水头能量 。 ( 1 ) 计算断面： 选取相邻两排排水孔之间坝上 4 结语 下游向的垂直中面。 该工程的上游面“ 变态混凝土” 防渗结构型 ( 2 ) 计算结果( 见图 1 、 图2 ) ( 下转第 1 2 0页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 0 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 1 2 月第 1 2 期 碎石下封层的能耗降低，节省能源。在铺筑道路 时 ， 需要对沥青 和矿料进行加热 ， 消耗了大量的能 源。而改性沥青可以在常温下保存、 运输和使用， 一 般施工时不需要加热。生产改性乳化沥青时， 只 需对 沥青一次加热 ，沥青的加热温度 为 1 3 0 ~ C～ 1 4 0 ~ C， 比热沥青温度降低 4 0 。 【 = ～5 0 ℃。 据统计 ， 用 改性乳化沥青筑养路 比用热 沥青可节约热能 5 0 ％ 以上 。 4 ． 2 ． 2 减少环境污染 在道路建筑 和养护 中使用改性乳化沥青 能大 大减少对环境的污染。改性乳化 沥青 车间和热沥 青车间环境监测结果如表 5 所列[4 ] 。监测结果表 明 ，改性乳化沥青车间的有 害物质 比热沥青 车间 大大下 降 ， 其 中致癌物质苯并花 下降 7 ． 4倍 ， 酚下 降 1 3 6 倍 ， 总烃下降 9 倍 ， 均低于国际环境保护要 求标准 。改性乳化沥青生产 时物料是在封 闭系统 中流动， 产品在常温下是液态， 在使用时均为冷态 拌和及喷洒 ， 产 生的有害挥发物很少 ， 对周 围环境 影响很小 。由于环境条件的改善 ， 施工条件也得到 了改善。 5 结语 通过对吉莲高速公路 同步加纤碎石下封层路 表 5 改性 沥青 车间环境监 测对 比表 面与碎石封层路面、稀浆封层路面全寿命周期成 本分析， 可以得出以下结论 ： ( 1 ) 同步加纤碎石下 封层路 面的全寿命成本 为碎石封层路面的 7 4 ．7 ％ ，为稀浆封层路面的 7 3 ． 3 ％。其经济性显著 。 ( 2 ) 同步加纤碎石下封层的环境成本较低 ， 环 境较友好。 参考文献 [ 1 】 陈明， 等． 同步加纤碎石封层技术在高速公路中的应用研究( 江 西省高速公路投资集团科技计划项 目) [ R 】 ． 2 0 1 4 ． [ 2 】 周刚， 张颖 ， 王祺． 柔性基层长寿命沥青路面全寿命周期成本分 析 f J ] ． 公路交通科 技 ， 2 0 0 9， ( 6 ) 6 0 — 6 4 ． 【 3 13 胡江碧 ， 刘妍 ， 高玲玲． 桥梁全寿命周期费用折现率分析『 J J ． 公 路 ， 2 o 0 8 ，( 9 ) ： 3 6 3 — 3 6 7 ． [ 4 ] 陆飞． 纤维沥青碎石应力吸收层配合 比设计及作用机理研究 [ D ] ． 西安 ： 长安大学 ， 2 0 1 1 ． ( 上 接 第 1 1 0页 ) 式 ， 可 以达 到很 明显 的 防渗效 果 ， 渗流 场 中绝大 部分水头能量消耗在该防渗结构中，防渗结构 下游 坝体 层 面扬压 力几 乎 为零 ，已完全 达 到规 范要 求 ，因此 它也 成为 目前 用得 较 多 的一种 防 渗体 。 碾 压混凝 土坝成 层 的结 构形式 ， 虽然 简化 了 施工 工序 ， 提高 了施 工速 度 ， 但 也 可能 成为 坝体 防渗的薄弱环节 ， 这就对坝体上游面防渗措施提 出 了更 高的要求 。因此 ， 一定要 做好上 游面防渗 体浇筑混 凝土 的温 度控制 ， 提 高上游面 防渗体 的 抗裂性 能 ， 充分发挥 上游面 防渗 结构应有 的防渗 效果 。 参考文献 [ 1 ] 吴情． 碾压混凝土坝渗流特性及防渗结构型式研究[ D ] ． 南京 ： 河 海大学 ． 1 9 9 9 ． [ 2 12 陈建余． 非稳定饱和一非饱和渗流场数值计算关键技术及其应 用研究 [ D ] ． 南京 ： 河海大 学 ， 2 0 0 3 ． [ 3 】 毛昶熙 ， 段祥宝， 李祖贻， 等． 渗流数值计算与程序应用[ M ] ． 南 京： 河海大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 4 】 李俊亭， 王愈吉． 地下水动力学【 M 】 ． 北京： 地质出版社， 1 9 8 7 ． 【 5 ] 袁翠平． 碾压混凝土坝渗流理论和渗控方法研究【 D ] ． 南京 ： 河海 大学 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】 f 美] 董平， J ． N ． 罗赛托斯． 有限单元法一基本方法与实施[ M 】 ． 北 京 ： 国防工业 出版社 ， 1 9 7 9 ． [ 7 ] 王勖成， 劭敏． 有限单元法原理[ M] ． 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 5 ． 【 8 】 朱伯芳． 有限元原理及其应用[ M 】 ．北京： 中国水利水电出版社， 1 9 9 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m