浅谈水利工程塑性混凝土防渗墙设计

所属栏目:水力论文 发布日期:2012-11-22 10:12 热度:

  摘要:塑性混凝土防渗墙具有低强度、低弹模和适应性等特性,因此被广泛应用在水利工程防渗加固中。本文结合汕头某水利防渗工程实例,通过分析其渗透原因,对塑性混凝土防渗墙设计进行了分析。

  关键词:水利工程,塑性混凝土,防渗墙设计

  随着我国经济和科学技术的快速发展,有效解决水利工程的防渗加固问题成为当务之急。塑性混凝土防渗墙较混凝土防渗墙具有弹性模量低,适应变形能力强的优点,是土质坝基垂直防渗的首选形式。还出于它具有良好的和易性和比刚性混凝土有较长的终凝时间,因而易于水下混凝土浇注。同时由于其强度低,便于防渗墙槽接头施工和保证接头质量。

  1工程概况

  某水电工程是一项中型跨流域调水发电工程,其水库枢纽利用天然地形条件,封堵暗河以山体作坝建库。副坝基础古河道防渗与暗河拱堵头、山体防渗灌浆帷幕共同组成枢纽挡水建筑物。该工程为Ⅲ等中型工程,挡水建筑物为3级。

  副坝位于暗河右侧的古河道,利用古河道的原状冲洪积层和两岸的崩坡积体作为坝体材料,经开挖和局部回填形成副坝,副坝坝顶高程1185m,坝顶长度210m,坝顶宽13m,最大坝高7m。古河道底基岩呈开敞“u”型。最低基岩面高程1137m。副坝防渗体采用塑性混凝土防渗墙,墙顶高程1181.5m,墙长193.2m。墙厚0.8m,墙底最低高程1135.8m,平均墙深31.1m,最大墙深达45.7m。

  2防渗体设计

  2.1防渗体的型式及布置

  防渗体采用塑性混凝土防渗墙,墙顶高程按水库设计洪水位l180.68m加安全超高确定为1181.5m。墙底要求嵌入两岸及河床基岩内1.0m,墙底最低高程1135.8m。

  2.2有限元计算

  2.2.1基本数据

  1)水库特征水位

  校核洪水位:1185.2m(P=0.2%)

  设计洪水位:1180.68m(P=2%)

  正常蓄水位:1180m

  汛限水位:1177m

  死水位:1140m

  2)塑性混凝土物理力学指标

  容重:2.0~2.3t/m3

  浮容量:1.0~1.3t/m3

  抗压强度:2~3MPa

  弹性模量:500~800MPa

  水力梯度:60

  抗渗:W6

  安全系数:K=6

  塑性混凝土非线弹性指标见表1。

  表1防渗墙塑性混凝±非线性弹性参数

1.jpg

  2.2.2计算工况及荷栽组合

  计算工况为水库正常蓄水情况,并考虑坝体开挖施工过程。计算选用副坝0+118.5m桩号断面。

  荷载组合为:施工过程荷载+墙体自重力+正常蓄水后的水作用力。

  2.2.3应力、应变分析

  1)塑性混凝土的力学模型

  计算选用邓肯一张模型进行静力作用下的强度分析:强度准则采用莫尔一库仑强度标准。

  2)数值分析

  计算采用大型岩土工程数值分析软件系统FINAL源程序,容纳了非线性弹性,弹塑性,粘弹塑性、损伤断裂等岩土材料的多种本构模型.对岩土工程的施工方法和施工步骤可进行跟踪模拟分析。

  ①有限元模型及边界条件

  在墙上游取100m,下游取45m,整个分成953个三角形6节点高精度等参元。89个高精度节理元,节点总数4120。

  ②节理单元参数

  实际计算中节理单元参数如表2所示。

  表2节理单元参数

2.jpg

  ③计算结果

  考虑基岩为全风化情况,墙体弹模分别选500、800、1200MPa几种类型,依据前述参数及理论,计算正常蓄水时防渗墙的应力和变形。

  由些可见,在墙体弹模为500MPa、墙体最大压应力σmax为2.778MPa,其值小于抗压强度指标3MPa;当墙体弹模为800MPa,σmax为3.399MPa,比抗压强度标准高13.3%:当墙体弹模为1200MPa时,σmax比抗压强度指标高32.3%;整个墙体均受压,不出现拉应力。墙体位移:弹模愈小,变形愈大,且最大水平位移为216.4mm,出现在淤泥层处。

  2.3墙体材料设计

  防渗墙深夹于古河道覆盖层中,其后有延伸达3km的深厚覆盖层作支承,下部为岩石基础,不存在整体破坏问题。为适应坝体和坝基不均匀沉陷引起的变形,并避免因强度不够发生局部开裂而影响防渗效果,参考国内外已成工程经验,确定墙体材料采用低弹、高强的塑性混凝土。

  2.3.1塑性混凝土的设计指标

  1)设计强度指标:抗压强度R90=4.0~5.0MPa抗折强度T>1.5MPa

  2)初始切线弹模:E=800~1000MPa

  3)抗渗标号:W6

  4)强度保证率:P=90%

  5)强度离差系数:Cv=0.15

  6)浇筑地点坍落度:18~22cm(塌落度保持16cm以上的时间应大于1h)。

  7)扩散度:34~40cm

  8)凝结时间:初凝>6h,终凝<24h

  9)混凝土密度:>2.1t/m3

  2.3.2配比试验采用的原材料

  结合工地实际情况,试验所用的各种材料就近选用以降低工程造价。

  1)水泥采用勉县水泥厂所产425号普通硅酸盐水泥.质量应符合国标(GB2938—862)的各项技术要求。

  2)砂料采用勉县黄沙河砂场所采黄砂。细度模数2.4~2.8,含泥量<1%。

  3)粘土采用工地附近土料场的粘土。含粘粒量>50%、塑性指数>20、含砂量<5%。

  4)膨润土采用洋县产的膨润土,质量应符合石油工业部部颁标准《钻进液用膨润土》(SY5060—85)Ⅱ膨润土的要求。

  5)骨料采用工地现场加工而成的骨料,粒径5~20mm,含泥量<0.4%。

  6)用水应符合水工混凝土拌制用水质量要求。

  7)为满足混凝土的各项技术要求,可使用缓凝剂高效减水剂、引气剂等混凝土外加剂,但应符合混凝土外加剂应用的有关技术规范,同时力求操作简单,易于控制施工质量。

  2.3.3选定施工用配合比

  混凝土防渗墙由于上下游为软基,为适应变形,原设计为粘土水泥塑性材料并进行了有限元计算。由于当地粘土不合格,改用膨润土塑性混凝土防渗墙,施工单位委托西北水科所进行试验,最终确定的配比是:水泥180kg/m3,碎石837kg/m3,砂707kg/m3,膨润土180kg/m3,水274kg/m3,混凝土性能R28=4.05MPa,抗渗≥S6。

  3防渗墙施工的2个突破

  混凝土防渗墙要穿透的古河道深厚覆盖层下基岩起伏变化大,特别是崩坡积层及湖积层砂卵石层块石含量大(最高70%),石质坚硬,加之水下开挖爆破,难度极大。监理、设计和施工单位克服重重困难.不断修正设计.取得了成功,并实现了2个突破:

  1)人工成槽和机械成槽同时并举。修正后防渗墙全长201.3m,厚度80cm,共分33个槽段。2009年6月冲击钻试钻中,发现抓斗成槽机在硬度高块体大的石中无法发挥效能,冲击钻极易发生孔斜、夹钻、掉钻等事故,因此,决定在古河道左右两岸崩坡积层中采用人工开挖护壁成槽,为减少塌孔并将槽段长由8.4m、7.2m调整为以6m及6.8m为主

  ①机械成槽。中段18个槽段采用机械成槽。15~20号槽段用CZ一30冲击钻,10号、12~14号、21~28号槽段用CZ一22冲击钻,钻头采用2.5t,1.5t重的十字型冲击锤,先主孔后副孔,主孔间距1m。成槽时以膨润土泥浆护壁,泥浆参数随地层改变及时调整。槽内孤石采用水下定向聚能爆破,施工中及时测斜并纠偏。清孔采用抽渣桶抽浆、换浆的办法,二期槽段清孔前用刷子钻头刷壁,要求最终孔底沉淤厚度小于10cm。22~27号槽段最深达50m左右最高日平均进尺10m(23号),由于塌孔事故处理或孤石含量大,最小日平均进尺仅0.76m(20号)。

  ②人工成槽。15个槽段采用人工护壁开挖成槽施工,分别是2~9号,11,29~34号槽段。人工护壁采用30cm厚钢筋(Φ12单层)混凝土护壁,护壁模板采用平面钢模板,边护壁边支撑向下开挖。每循环进尺一般为1.3m,支撑用直径大于10cm的硬质圆木,每单元槽段共设4列支撑,间距1m左右。一期槽段两端设30cm厚的混凝土隔墙,隔墙在二期槽段开挖时拆除。在槽一端设钢梯供施工人员上下,槽内渗水由50m扬程水泵抽出。槽内孤石用防水乳胶炸药解小,再用0.25m3吊土斗配1.5t卷扬机出渣。灌注混凝土时自下而上,逐步分段拆除支撑。槽段最深47m(29号),最高日平均进尺2.45m/d(5号),最低1.3m/日(3号)。

  2)超深灌浆管的埋设。防渗墙下的基岩要进行帷幕灌浆,若从中层灌浆洞向上打仰孔,难度大,质量难保证。从防渗墙顶向下钻孔,则孔斜可能打穿80cm厚的墙,高压灌浆可能破坏墙体结构。只能在墙体灌注混凝土过程中,预埋超高灌浆管。经认真研讨,解决了这个问题。灌浆管直径Φ108,单节长6m,用法兰连接。管与管间距2m。在机械成槽段,同一单元槽段内三根灌浆管并列相连,整体吊入.灌浆管上每隔3m设钢筋定位架,为加强底部定位架刚度,底部3层定位架钢筋加粗,同一高度的定位架用Φl2钢筋相连,吊人前,管底用两层5mmx5mm铁丝网绑罩,并在每根管底分别嵌套2块直径40cm厚10cm的混凝土块,以利管底稳定,使灌浆管垂直,终端管VI用铁板点焊。

  该防渗墙自2009年5月1日开工,同年11月12日完工,共完成防渗墙造孔进尺9408m,防渗墙浇筑7955m3。超声波检测结果:平均波速2760~3100m/s,强度在3~4MPa,离差系数只有一个槽段大于5%,平均小于5%。说明塑性混凝土防渗墙均质性好,连续性好,无不良缺陷,相邻槽段衔接和底部嵌岩均良好。

  4结束语

  通过对河道深厚覆盖层的地质特点,采用膨润土塑性混凝土防渗墙,成功地解决了副坝基础的防渗问题。工程实施过程中,采用人工成槽和机械成槽并举,同时克服了超深灌浆管埋设的难题。

  参考文献

  【1】牛志丰 姬志军 莫振伟,小南海水库塑性混凝土防渗墙的设计[J].河南水利与南水北调,2010 .11

  【2】王清友 孙万功 熊欢,塑性混凝土防渗墙,中国水利水电出版社,2008。

文章标题:浅谈水利工程塑性混凝土防渗墙设计

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