浅谈新建土坝与坝中薄型混凝土防渗墙的若干问题.pdf

2 0 1 3年 第 3 2卷 第 2期 D WR H E z k 0 z k电 工 程 设 计 1 7 浅谈新建土坝与坝中薄型混凝土 防渗墙的若干问题 肖 娅 陈金 平 徐 家学 摘要均质土坝 与坝体 中薄型混凝土 防渗墙 同期施工 ， 与混凝土防渗墙 均要认真施工 ，保证质量。 关键词 新建土坝 筑坝土料 薄型混凝土防渗墙 中 图 分 类 号 r V5 4 3 8 2 文 献 标 识 码 B 文 章 编 号 薄型混凝土 防渗体心墙土坝既借鉴 了我 国病 险水库大坝加固的成功经验 ，又类 似国外 干筑混 凝 土 防 渗墙 土坝 。 同黏 土心 墙 坝 、混 凝 土 心 墙 土 坝相 比施工干扰小 ，费用 少 ；施 工质量 、防渗效 果及 耐 久性 又 远 好 于沥 青 心墙 和 土工 布 心墙 土 坝 ； 所 以 以薄 型 混 凝 土 防渗 墙 为 防 渗 主体 的土 坝 必 将 得 到推 广 。 1 薄 型混 凝土 防渗墙 作为 土坝 主要 防渗 体 有 利于 土 坝 的 兴 建 一 座均质土 坝需要 的筑坝 土料数量很大 ，加 之气候影响 无 论是降低 或提高土料 的含水 量和 调整 、改善土料 颗粒级 配 ，不仅 费时 、费工 ，增 加投资 、延长工 期 ，而且还有 一定 的难度 ，调整 不 好 会 给 大 坝 留 下 隐患 。 因此 ，一 些 地 区拟 兴 建 均 质 土 坝 时 往 往 受 到 当地 缺 少 合 格 的筑 坝 土 料 制 约 ，而前期 得不 到立 项 。 如 今 ，新 建 土 坝 的 同 时 ，在 坝体 内增 设 1道 0 4 m厚混凝 土防渗墙作为主要防渗体 。为一些地 区因缺少合格 的筑坝土料而不能建坝开辟了一个 新 的途 径 ，有 利 于 我 国水 利 建 设 ，特别 是 坝 体 不 高 的小 ( I) 型水库的兴建 。 2 薄型混凝土防渗墙承受的外力分析 新建土坝 中的混凝土防渗墙受力情况既不 同 于病险水库大坝加 固混凝 土防渗墙 ，又 与坝基混 凝土防渗墙有区别 。 混 凝 土 防 渗 墙 属 于地 下 隐 蔽 工 程 。穿 过 多 种 地 层 、边 界条 件 复 杂 ，对 它 的 真实 受 力 状 态 有 一 个认 识 过程 。 解决 了筑坝工料不达标 的困境 ，有利 于土 坝建 设。但土坝 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 0 0 1 7 - 0 4 从 1 9 5 9年我国第 1 道槽型孔板式混凝土防渗 墙开始至 1 9 8 0年 ，人们一直认为深埋地下 的混凝 土 防 渗 墙 主要 承 受 作 用 在 槽 顶 上 的竖 向 土 压 力 、 墙 上 游 面 的水压 力 、墙 两 侧 的 土压 力 、地 震力 等 ， 其 中上 游 面 的 水 压 力 影 响 最 大 压 力 大小 与水 头 高低有关 ，所 以 ，设计 者特别 注意混凝 土防渗墙 上游水压力对墙体产生 的不利影响。1 9 7 0年修建 的碧 口水 电 站 大 坝 为 黏 土 心 墙 堆 石 坝 ，坝 高 1 0 1 m。大坝坝基混凝 土防渗墙深 3 7 m，第 1次采用 墙 厚 1 3 m， 为 以 前 最 厚 墙 0 8 m 的 1 6倍 多 。 1 9 7 3年大坝填筑到 5 0 m高时 ，发现大坝填筑出现 纰漏 ，又在大坝轴线下游 1 2 m处修建 了 1 道 O 8 m厚、深 7 0 m( 含接高 4 m) 的大坝补强混凝土防渗 墙 。考 虑 墙 高 、承 受 上 游 面 的水 压 力 大 ，避 免 墙 在 岩 石 与 坝 土 变 层 处被 拉 ( 剪 ) 坏 ，分别 在 墙 与 坝 土 直接 交接 的墙 段配 设 了钢筋 。 为 了 真 实 了 解 混 凝 土 防 渗 墙 的 受 力 状 况 ， 1 9 7 3年和 1 9 7 7年分别在碧 口水 电站大坝补强混凝 土防渗墙 和柘林水库大坝加 固混凝土 防渗墙 内不 同深度的断面上埋设 了应变仪 、无应力计和钢筋 计等观测仪器 。经过多年 的观测发现 ：碧 口大坝 混凝土防渗墙高程 6 4 5 m部位( 距坝顶高程 7 1 0 m相 差 5 5 m) 向下游最大位移 4 5 7 mm，最大弯矩 1 5 5 0 k N n l 。墙 的水 平位 移 主要 发生 在 土 坝施 工 期 ，蓄 水后相对减少 。位移主要发生在心墙 区 ，河床砂 砾 石 层较 小 。混 凝 土 防渗 墙 穿过 不 同介 质 交 接处 ， 如 心 墙 土 与 覆 盖 层 砂 砾 石 ，砂 砾 石 与基 岩 交 接处 附近弯矩最大。柘林 大坝混 凝土防渗墙下部 向下 游 位移 1 0 e m。上部 在加 高坝 顶 土 3 m 土柱 压 力下 向下游位移很小 ，仅几厘米 。同碧 口大坝一样 ， 1 8 水 利 水 电 工 程 设 计D WR H E 2 0 1 3年 第 3 2卷 第 2期 同样 是在 坝 土 与 基 岩 交 接 变 层 区 域 弯矩 最 大 ，达 2 0 0 k N m 。 通过多年来对混凝土防渗墙 内埋设 的仪 器原 型观测和分析 ，基本上可以得到 以下认识 。 2 1 混 凝土 防渗墙 基本 受 力状态 墙身是处于受压状态 ，即使有拉力 出现 ，其 拉应力 的数值和 区域也是有限的。钢筋计上测得 的钢 筋压 力超 过 了 2 5 0 MP a 。 2 2 混凝 土 防渗 墙 实际承 受 的主要 荷载 ( 1 )作 用 在 墙 顶 上 的 竖 向土 压 力 ，其 大小 与 墙顶的结构设计和土的厚度有关 。 ( 2 )墙 体 上 游 的 水 压 力 ，其 大 小 与 水 头 大 小 有 关 。 ( 3 )侧 向土压力 。 ( 4 )地震力 。 ( 5 )混凝土防渗 墙侧 面的摩擦力 。我 国建造 混凝土防渗墙初期 ，曾忽 略了墙体两侧面的摩擦 力 。实际上这个力是很 大的 ，尤其是新建坝体 中 的混 凝 土 防 渗 墙 两侧 产 生 的摩 擦 力 会 更 大 ，故 不 可忽 视 。 混凝 土防渗墙侧面 的摩擦力来源于墙体与两 侧介质的沉 降差 。沉降差越大 ，产生的摩擦力也 越大 。摩擦力 的方 向取决于墙体两侧 介质与墙体 沉降方向。碧 口水 电站大坝补强混凝土防渗墙 两 侧土体为新 填筑土 ，沉 降量 比墙体大 ，对墙体产 生 的摩 擦 力 方 向 向下 ，即 沿墙 体 向下 产 生 一 种 拉 力 ；柘林水库为病险水库 ，大坝加 固混凝土 防渗 墙施工时大坝 已经经过了 7年的沉 降 ，沉 降基本 趋于稳定 ，墙 与坝之 间几乎 没有沉 降差 ，所 以 ， 墙体与两侧坝 土之 间不再 出现摩擦力 ，或小到可 忽 略不计 。 3 新建 坝体 和混凝 土防 渗墙 设计 时应考 虑 它 的特 殊 性 新 建 坝 体 与 坝 中混 凝 土 防渗 墙 的特 殊 性 表 现 在上坝土料指标不达标和混凝土防渗墙 同新建坝 土较大的沉降差带来的强大摩擦力对墙体的影响。 3 1 关于 新建 坝体坡 比问题 新 建 均 质 坝 所 用 土 料 颗 粒 级 配 、天然 含 水 量 是 在部 分不 达标 的情 况下 上坝 的 ，如 土料含 黏粒 过 高 ( 大 于 4 0 ) ，或 含水 量 高 ( 或低 ) 于 它 的最 优 含 水量 ，无论对筑 坝土料施加多 大功能 。都难将坝 土 碾 压 密 实 因 此 坝 土 的抗 剪 能 力 偏 低 大 坝 坝 体 易 滑 坡 。应 适 当放 缓 坝体 坡 比 ，特 别 是 大 坝 上 游 坡要 比正 常 坝 体 缓 一 些 ，确保 大 坝 坝 体 的稳 定 与安全 。 3 2新 建 大 坝 与病 险水 库 大坝 中的 混 凝 土 防 渗 墙 材料 应有 区别 由于新建坝体 同坝体 中混凝土防渗墙 的沉降 差 ，在 墙体 两侧 有 巨大 的摩擦 力 产生 ，方 向 向下 ， 人们担心墙体会被摩擦力拉碎 ( 或剪坏 ) ；另按国内 外混凝土防渗墙使用年限计算 公式考虑 ，水 泥用 量多 ，耐久性好 所 以有些学者主张新建坝体 中 的混凝 土 防渗墙墙 体材 料采用 黏土混凝 土材 料为 宜 ( C 1 0 、W6 8 、E = I 5 1 8 MP a ) 。理 由是碧 口水 电 站大坝补强混凝土防渗墙类似新建坝体 中的混凝 土防渗墙 ，除碧 口大坝补强混凝 土防渗墙顶上有 5 5 m 土柱 压 力 外 ，其 他 情况 完全 相 同 。墙体 两 侧 巨大摩擦 力 的作用 下 ，墙体 材料 为黏 土混 凝 土 ( C 1 0 、W6 8 、E = I 8 MP a ) ，承受 坝 前 1 0 0 m 水 头 压力 ，并经过了汶川强大地震力的冲击 ，安全运 行 4 0多年 ，可见 新建坝体中混凝土 防渗墙材料 用黏 土混凝 土应 该安 全 。 但是 。有研究资料表 明混凝土 防渗墙 的应力 状 态 与墙 体 材 料 有 关 。 当墙 体 与 围 土 的 变 形模 量 不 能 相适 应 ，并 存 在 较 大 差 异 时 会 引 起 墙 体 内 部非常不利的应力状态 ，导致墙体 因压力过大而 被压 碎 。 如 加 拿 大 马 尼 克 3 坝 的 混 凝 土 防 渗 墙 ， 在 1 0 8 m 高 的土 坝荷 载 重作 用 下 经 观测 ：墙 顶 只 压 缩 了 3 1 4 c m而 坝 土 层 沉 降 量 达 1 5 0 1 8 0 c m墙 内应 力超 过 2 6 MP a ，经分 析 确认 ， 由于垂 直 应 力超 过 墙 体 强 度 而 将 墙 压 缩 。黏 土 混 凝 土 材 料变形模量高与坝体变形不相称，让人担心 。故 有 人 主张新建 坝体 中的混凝 土 防渗 墙墙 体材 料 选用 塑性 混 凝 土 ( C 2 5 、K； A 1 0 c m s 、E= 3 5 0 1 0 0 0 MP a )为 宜 。墙 体 变形 模 量 同 坝体 土 变 形模 量 相 接 近 。 由于 变 形 相适 应 ，对 新 建 坝 体 中的 混 凝 土 防渗 墙 安 全 运 行 十 分 有 利 。另 外 ，塑 性 混 凝 土 墙 体 一旦 产 生 了微 小 裂 缝 尚有 自愈 能 力 ，这 可 延长塑性混凝土防渗墙的使用寿命 。 但 是 到 目前 为 止 塑 性 混 凝 土 多 用 于 病 险 水 库 大坝加 固混凝土防渗墙 。或临时围堰混凝 土防 渗墙 之 中 ，而 病 险水 库 大 坝 加 固混 凝 土 防渗 墙 施 工时大坝坝体沉降 已基本结 束 不存在坝墙之 间 的沉降差 ，墙体两侧 已无摩 擦力产生。这是与新 建大坝 中的混凝 土防渗墙受 力条件 最大 的区别 。 塑性混凝 土能否作为新建坝体 中混凝土防渗墙的 材料 尚未 经过 工程 验证 。 肖娅等 浅 谈 新 建 土 坝 与 坝 中 薄 型 混 凝 土 防 渗 墙 的若 干 问 题 1 9 水利工程安全第一 。考虑 到新建坝体存在 的 先天不 足 ，坝 中混凝土 防渗墙将 是主要 防渗体 ， 混凝土防渗墙深埋地下( 或坝体中) ，边界条件复杂 ， 至今 尚无 一个成熟 的计算 理论 ，仍 处在半 理论 、 半 经 验 阶段 ，而且 实践 重 于理 论 。笔 者认 为 在 新 建 坝 体 开始 实 施 阶段 可 综 合 使 用 新 建 坝体 中 混 凝土 防渗墙墙体材料 ，取 黏土混凝 土 C 7 1 2和塑 性混凝土 C 2 5中间值 ，即 C 5 7 ，这样既取二 者 优点 ，又不影响新建坝体混凝土防渗墙的质量。 塑 性混 凝 土 变形 模 量 低 ，与 围土 变形 相 适 应 ， 对 混 凝 土 防 渗 墙 耐 久 性 有 利 ，是 混 凝 土 防渗 墙 墙 体材料发展的必然趋势 。应在实践的基础上 ，通 过多种计算方法 ( 流体力学法 、水力学法 、图解法 、 实验法等 ) 进一步了解新建坝体中混凝土防渗墙在 受到不同外力情 况下的变形情 况 ，先 在低 坝中采 用 塑性混凝 土作 为墙体材料 ，根据 实践情况 ，逐 渐应用到大中型水库 的高坝中。 3 3对 混凝 土 防渗 墙入 岩 深度 的认识 混 凝 土 防 渗墙 嵌 入 坝 基 岩 石 深 度 深 浅 对 混凝 土 防渗墙整体 防渗效果至关重要 ，切不可忽视 了 这一关键程序。 混凝土防渗墙人岩深度一般为 0 5 1 0 m。前 者 多 用 于 临 时 围 堰 工 程 ，后 者 应 用 于 永 久 工 程 。 入 岩深 度 较浅 有 两种 考 虑 ，一 是 岩 石钻 进 难 度 大 ， 工 效 低 ：二 是 考 虑墙 底 端 同 岩 石 的 连 结 形 式 ， 以 及 带 来 的 危 害 。 人 们将 混 凝 土 防 渗墙 人 岩 深 度 不 大于 1 0 m视为铰接 ，而将墙体人岩深度大于 1 0 m 看做固接 ( 固端) 。混凝土防渗墙底端如是铰接 ，在 上 游水压力 作用下 ，适应 变形而不会 遭到破 坏 ； 而固接则不然 不利于墙体同岩石交接处的变形 ， 易 产 生 剪 力 破 坏 ；所 以 ， 以往 混 凝 土 防 渗 墙 人 岩 深 度 较 浅 。墙 底 部 的淤 积 物 、透 水 岩 层 只 好 用 水 泥 灌 浆 来 处 理 。但 是 ，水 泥 灌 浆 效 果 不 如 混 凝 土 防渗墙效果好 ：有时坝基 固结灌浆工期还要顺从 拦洪坝 工期要求 不得不 在抬头 坝上进行 灌浆 影 响灌 浆 效果 ，造 成 墙 下渗 漏 超 标 。渗 漏 严 重 时 ， 还会危 及 大坝 安全 。 经 过 几 十 年 的 实 践 和 总 结 ，对 混 凝 土 防 渗 墙 入岩深度有 了新 的认识 ，特别是对柘林水 库大坝 加 固混凝 土防渗墙长期原 型观测结果 该 防渗墙 6 3 m、人岩 3 5 m，墙体防渗效果 明显 。且并未发 现 在 坝 土 与 岩石 交 界 处 出现 开 裂 破 坏 。原 型 观测 到的拉 应力 区域 很小 ，或 根本 没有 。 笔 者 建议 ，在 坝基 岩 石硬 度 不 大 时 ( 冲 击 钻可 钻 ) ，用加大混凝土人岩深度取代坝基固结灌浆。 3 4 根据 情 况选用 冲 击钻做 为建 墙造 孔设 备 抓 斗 成槽 机 是 1 9 9 0年 后 用 于混 凝 土 防 渗墙 施 工 的，成槽速度快 。所 以，在工期紧张 、抢工时 应 首 选 抓 斗 做 为 成 槽 机 械 ，或 抓 斗 与 冲 击 钻 机 配 合施工。 在工期允许 的情况下 。新建 坝体 中的防渗墙 最好 采用传统的冲击钻机施 工。冲击钻机造孑 L 有 以下 优点 是抓 斗机 做不 到 的。 ( 1 )有 资料记 载冲击钻造孑 L，可对槽壁两侧 产 生 2 5 k N的 侧 向挤 压 力 ，可 增 加 墙 体 两 侧 新 建 坝体土的密实度。 ( 2 )新 建 坝 体 内 混凝 土 防 渗 墙 施 工 中 ，应 采 用 优 质 泥 浆 固 壁 。槽 内 泥 浆 受 冲 击 钻 头 的 冲 击 ， 可 向槽壁两侧坝土 中冲击 、扩散 、渗透 ，从而在 槽 孔 两 侧 上 形 成 1层 致 密 的 泥 皮 。 泥 皮 在 一 定 程 度上可减少墙身与围土之间的摩 擦力 ，改善墙体 受力状态 。泥皮在上游渗水的带 动下 ，细小黏土 颗粒 随 渗水 进 入混 凝 土 墙体 微 细 裂 隙 中 ，可堵 塞 渗 水 通 道 。 有试 验 数据 表 明 ，可 提 高混 凝 土 防 渗 墙 1 2个渗透等级。 ( 3 )冲击钻 机能冲 、击碎坝基岩石 ，能够加 深墙体人岩深度 。 3 5 新 建坝体 内混凝土 防渗 墙厚 度 的确 定 不 同 的 墙 体 材 料 有 着 不 同 的极 限 渗 透 比 降 安 全 系 数 为 2时 ， 已被 工 程 实 践 证 明是 适 宜 的 。 在确定 防渗墙的厚度时 ，建议用容许 比降的概念 来确定混凝土防渗墙的厚度 。 4 新 建 坝体 与坝 体 中混凝 土防 渗墙 施工 质 量均不可忽视 新建坝 中的主体是均质土坝 不能 因坝 体中 增 设 了混 凝 土 防渗 墙 而放 松 了对 筑 坝 施 工 的要 求 。 设计在综合考虑 了混凝土 防渗墙 的作用 ，并 留有 一 定 的余地后 ，根据 当地筑 坝土料 的实 际情况 、 气 候 影 响 。以及 可 能 对 筑 坝 土 料 采 取 的 措 施 。提 出 一 个 切 实 可 行 的筑 坝 标 准 供 施 工 单 位 执 行 并 按 此 控 制 质 量 ，进 行 竣 工 验 收 。筑 坝 单 位 要 严 格 按照本行业规范和设计要求施工 。 新建坝体 中的混凝土 防渗墙是 大坝 中的主要 阻水结构 ，因此 ，施工质量 同样不可忽视。国内， 混凝 土防渗墙 施工 已有 5 O多年的施 工实践经验 ， 并 具 备 了一 套 完 整 的施 工 工 艺 ，有 自己行 业 的施 ( 下转 第 4 l页)