浅谈水利工程塑性混凝土防渗墙设计

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。

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

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

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。

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。