重力坝坝内置换混凝土防渗墙技术探讨

徐德芳

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 310014)

1 重力坝坝内置换混凝土防渗墙思路

坝内置换混凝土防渗墙是老坝防渗处理的一种有效方法,具体是在坝体中间适当位置开凿贯穿坝体的空腔槽体,再在其中浇筑具有较好防渗性能的微膨胀混凝土,形成一道防渗墙,以提高坝体的防渗能力.

防渗墙可以是悬挂式,也可以直达坝基.其施工方法为:在大坝下游面向坝体内开挖水平向交通洞,挖至准备修筑防渗墙部位,然后开挖竖直工作井,其高度大于预建防渗墙的高度.在工作井底部(防渗墙最低位置),沿坝轴线方向开挖防渗墙隧道,其高度含防渗墙第一层混凝土高度加上振捣和开挖施工作业所需高度.开挖断面与老混凝土连接部位可做成键槽,断面可为长方形或其他形状.浇第一层膨胀高强混凝土,待其凝结并具有一定强度后开挖第二层隧道,浇第二层混凝土,开挖一层回填一层,以此类推,直到形成整个防渗墙.为避免施工过程中可能存在的上游面突发涌水和局部失稳的情况,在防渗墙开挖前需进行坝体帷幕灌浆,截住施工期防渗墙上游渗水,并在运行期形成防渗墙与帷幕灌浆相结合的新防渗体系,在防渗墙下游可做排水措施,达到最佳防渗效果.重力坝坝内置换混凝土防渗墙方案见图1.目前,国内外尚无工程实例.

2 研究内容

2.1 防渗墙材料

混凝土防渗墙墙体材料主要有刚性和柔性之分.不同的墙体材料能够承受的荷载及抵抗变形和渗透的能力各不相同,在受到相同水头以及外力条件下,墙厚也不同.刚性墙体材料发展较早,在实际工程中应用也最广,主要有普通混凝土、黏土混凝土、粉煤灰混凝土.柔性墙体材料主要有塑性混凝土、自凝灰浆、固化灰浆.

大坝防渗体系的可靠性是关系到大坝安全的关键性技术问题之一.为满足混凝土防渗墙墙体的抗渗性和抗裂性要求,墙体材料既要有较高的强度抵抗高应力,又要成墙混凝土材料分布均匀,避免因施工质量波动而出现薄弱环节.

图1 重力坝坝内置换混凝土防渗墙方案示意

对于重力坝坝内置换混凝土防渗墙,因结构受力的需要应选用刚性混凝土.置换部位的混凝土应达到 "高强度、高抗渗、微膨胀、低水化热"的要求,使新老混凝土有机的结合为一体,有效地限制混凝土收缩,防止裂缝的发生,从而使置换部位形成一道新的防渗体系.

为了保证工程安全,实际运用中还需进行其他必要的工程措施,以避免防渗墙在高应力和存在缺陷情况下发生局部损坏而造成失事.结合对国内某工程置换混凝土防渗墙材料的研究,其混凝土技术参数见表1.

表1 置换混凝土技术参数

2.2 防渗墙厚度

在混凝土的设计系数确定之后,合理选择混凝土防渗墙厚度是个重要问题.防渗墙厚度过大,会造成材料浪费;偏小则不能满足功能要求,甚至会危及大坝安全.影响防渗墙厚度确定的主要因素有墙体材料、抗渗及耐久性能要求、防渗结构应力应变要求、地质条件、施工条件、环境水质以及类似工程经验等.在此基础上,提出防渗墙厚度的确定方法和步骤,通过防渗墙抗渗稳定计算、结构应力应变计算初步确定墙厚,再考虑其他因素后综合确定防渗墙厚度.

2.2.1 按抗渗及耐久性要求计算厚度

防渗墙的主要功能是防止库水大量渗漏和由此引起的渗水危及大坝安全,因此防渗墙必须满足抗渗性和耐久性要求.

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,由于这两种侵蚀破坏作用都与水力坡降密切相关,因此,首先应根据其破坏时的水力梯度来计算防渗墙的厚度B:

式中,H为防渗墙承受的最大水头;J为防渗墙的允许水力梯度,J=Jmax/K;Jmax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=5.

混凝土的极限水力梯度主要取决于水泥用量的大小.刚性混凝土防渗墙的抗渗等级为W4~W8,相应的水力梯度为267~533,考虑安全系数后我国的刚性混凝土防渗墙允许水力梯度采用80~100.

按抗渗性和耐久性计算的墙体厚度是防渗要求的最小厚度,也是墙体初选厚度.参考SL 314-2004《碾压混凝土坝设计规范》关于防渗层有效厚度的规定及考虑方便施工,一般坝内置换混凝土防渗墙厚度应不小于水头的1/30~1/15,且不小于2.0 m.

2.2.2 防渗墙厚度对坝体应力和变形的影响

结合国内某工程,对初选的防渗墙厚度按4、3、2 m 3种情况进行有限元仿真计算,然后检查输出的防渗墙压应力、拉应力、剪应力和应变是否超过允许值.如果未超过,说明初选厚度满足强度要求,否则说明强度不满足,需逐步加大墙厚重新计算,直到满足为止.

从防渗墙厚度对坝体变形、坝体应力、坝体抗滑稳定性影响的敏感性分析,可以得出结论:①在施工中,坝顶和坝踵处的水平位移比竖向位移变化要大;随着墙厚减小,坝顶水平位移的变化呈降低趋势.这主要是因为墙越厚开挖空间越大,坝体刚度的降低越趋明显,所以坝体变形也就越大.②施工中,不同的墙厚坝体应力几乎处于同一水平;施工完成后,结合面上的各向应力也基本处于同一水平,应力值不大.③不同的墙体厚度对整个大坝的抗滑稳定性的影响并不明显.

根据以上分析成果,混凝土防渗墙厚度选择4、3、2 m都可行,从大坝加固工程经济角度出发,坝内置换混凝土防渗墙厚2 m已能满足抗渗和施工空间要求,且工程量相对较小,经济上相对合理.

2.3 防渗墙结构布置

防渗墙结构布置是沿坝轴线方向在老坝体内开挖回填形成混凝土防渗墙作为一道新的防渗体系.由于历史原因,一些老坝混凝土浇筑质量较差,混凝土防渗墙布置不宜太靠近上游面,应有一定的安全距离;也不宜在坝顶直接开挖防渗墙槽口,而应选择从大坝下游面进洞开挖方式.

防渗墙可以是悬挂式,也可以直达坝基.直达坝基的防渗墙,其基础面应清理至完整基岩,其底部伸入基础深度根据基岩地质情况以不小于0.5 m确定.防渗墙强度等级应与老坝相近,一般为C20W8F100.为了使新老混凝土协同工作,在防渗墙上游面布置锚筋和键槽,下游面布置键槽,可不设锚筋.

坝内布置防渗墙时,横缝布置与原坝体相同.防渗墙所有横缝止水在离防渗墙上游面0.5 m处开始布置2道紫铜止水片.防渗墙后与老混凝土间设多孔排水管,管径9 cm,间距3.0 m,施工时应保持排水设施通畅.排水管管顶在防渗墙顶部,管底均与防渗墙后新设的灌浆廊道同高并与之连通,形成一道密集的坝体排水管幕.在混凝土防渗墙后基础部位,在坝体防渗墙下游面增设一条纵贯全坝的基础灌浆廊道,廊道上游壁距上游防渗墙面的距离为2~3 m,并在廊道内新增基础帷幕灌浆和基础排水孔.防渗墙渗水通过新增设的灌浆廊道内排水孔排向坝下游.

为了解防渗墙运行是否正常及水平施工缝、新老混凝土的结合情况、新混凝土变形及周边老混凝土的应力、新浇筑混凝土温度、混凝土内应变等,在防渗墙内应埋设一定数量的观测仪器进行观测.

3 置换混凝土防渗墙与原坝体协同工作分析

为了保证施工后置换的混凝土防渗墙与坝体能够共同工作,需研究新老混凝土的协同工作性能.根据置换混凝土防渗墙工程的特点和既有的新老混凝土之间协同工作的试验和理论,结合面的工作性能由抗剪能力所决定.而新老混凝土结合面的抗剪性能又随摩擦系数和材料间粘结力而改变,研究防渗墙与原坝体协同情况,需计算并分析不同结合面粘结性能下坝体的应力和变形分布情况,重点关注防渗墙部位上、下游侧位置处的应力情况 (含正应力和剪应力的变化),从而确定新老混凝土之间的粘结性能和相互作用关系.

同济大学针对国内某工程对置换混凝土与坝体协同工作性能进行了数值模拟,并以应力状况和坝体的变形协调为判定的依据,比较不同计算工况的协同工作性能,包括无键槽和设置键槽工况.

3.1 性能评价标准

(1)粘结面粘结状态分析.如果置换混凝土防渗墙和坝体混凝土的粘结面与坝体混凝土粘结状态好,无相对滑移,则协同工作性能最好.如果粘结面有相对滑移,要分析相对滑移的位移大小和粘结面开裂位置,从而定性的说明坝体的协同工作性能.

(2)坝体应力分析.通过计算得到结合面的最大剪应力,与结合面的抗剪能力进行比较,判断结合面剪应力是否在承载范围内.分析坝体应力分布是否均匀,比较各种计算工况下受拉区面积和结合面上主应力的大小,受力均匀且没有较大的受拉区的工况整体性比较好.

(3)坝体位移分析.主要分析坝体的垂直方向的位移,观察坝体变形云图是否圆滑连续,是否有相对位移.坝体整体变形协调,且原有裂缝受到恶化影响小的为优选工况.

3.2 主要研究成果

(1)粘结面受力情况.①通过主应力的对比分析,坝体的置换混凝土结合面均以受压为主,且上游面主应力比下游面大.有键槽工况的主压应力高于无键槽工况,主要是由于设置键槽后,坝体的整体性能大为提高,坝体应力传递更为完全.②通过剪应力的对比分析,坝体防渗墙中间位置剪应力最大.有键槽结合面能很好地传力,增加键槽会大大降低结合面的剪应力,提高结合面抗剪性能.

(2)粘结面变形结果.①从结合面单元的结合情况上分析,坝段无键槽和有键槽工况均存在不同程度的结合面开裂和相对滑移,但有键槽工况相对较好.②从坝体的整体变形协调的角度分析,协同工作性能好的工况坝体变形协调,变形曲线连续结合面无相对滑移.坝体的整体变形曲线随着结合面粘结性能提高而越加连续.③从粘结面变形分析,坝段的结合面结合状况还不能满足新老混凝土的协同工作的要求,应设置键槽提高结合面的粘结能力,增强其协同工作性能.

综上所述,对于不同的摩擦系数和有无粘结力作用工况比较分析,在无粘结作用情况下,新老混凝土结合面抗剪承载力无法抵抗界面剪应力.考虑粘结力时 (粘结力达到0.3 MPa的工况需要摩擦系数达到0.4以上,粘结力达到0.5 MPa的工况只要摩擦系数达到0.1以上即可抵抗界面剪应力),新老混凝土结合面协同工作性能良好.若粘结面性能达不到上述要求,可设置键槽以提高置换混凝土坝的协同工作性能.

对于设置键槽的工况,大坝整体受力均匀且粘结面粘结变形协调,仅在局部位置产生较小的拉应力.从改善混凝土粘结性能和有效提高坝体整体性能出发,建议防渗墙设置键槽.

对于新老混凝土结合面,0.3 MPa的粘结力就能达到抗剪切的要求,不需要增加界面粘结剂.同时根据不同键槽深度工况的对比可知,0.3 m深的键槽足以使置换混凝土工程达到良好协同工作的要求.同时,考虑施工因素,建议上游面新老混凝土之间设置锚筋.

4 结 语

目前国内外尚无重力坝坝内置换混凝土防渗墙的工程实例,本文提出的技术思路是一种新的综合性病险坝修复措施,方案的施工可行性、置换混凝土防渗墙后的防渗效果、防渗墙与坝体协调作用、温控及防裂技术、新材料新工艺的应用等一些关键技术问题仍需进行深入研究和论证.

[1] 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.混凝土重力坝综合治理关键技术研究成果报告[R].杭州:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,2012.

[2] 同济大学.典型坝段置换混凝土防渗墙与坝体协同工作数值分析[R].上海:同济大学,2008.