俞凱加，郎小燕，綦中原

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

基于原型觀測(cè)資料的混凝土防滲墻性態(tài)探析

俞凱加1，郎小燕1，綦中原2

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

搜集浙江省境內(nèi)建于深厚覆蓋層透水地基的合溪、青山等水庫(kù)的混凝土防滲墻原型監(jiān)測(cè)資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，并結(jié)合原設(shè)計(jì)成果，通過(guò)必要的數(shù)值計(jì)算分析，綜合研究混凝土防滲墻的工作性態(tài)。同時(shí)，歸納總結(jié)混凝土防滲墻設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)。

混凝土防滲墻；原型觀測(cè)；強(qiáng)度；應(yīng)力；位移

1 問(wèn)題的提出

浙江省大中型水庫(kù)工程大多地處東南沿海地區(qū)或杭嘉湖平原地區(qū)，大部分土石壩壩基都坐落在深厚土石覆蓋層上，壩基防滲處理主要采用混凝土防滲墻。近十幾年來(lái)，混凝土防滲墻還普遍用于浙江省病險(xiǎn)土石壩工程的壩體和壩基防滲處理中。

基礎(chǔ)防滲墻工程作為地下工程的范疇，其隱蔽性的特點(diǎn)成為工程師對(duì)其工作性態(tài)作深度認(rèn)識(shí)的主要制約因素。根據(jù)混凝土彈性模量值，混凝土防滲墻主要分為常態(tài)混凝土、塑性混凝土和低彈模混凝土3類。隨著不同類型防滲墻不斷地應(yīng)用、發(fā)展與研究，也形成了對(duì)不同性質(zhì)的混凝土防滲墻優(yōu)劣的不同觀點(diǎn)。夏可風(fēng)[1]分析認(rèn)為，在一些大型水利工程中由于結(jié)構(gòu)受力需要采用常態(tài)混凝土防滲墻甚至高強(qiáng)混凝土防滲墻。劉志紅[2]研究發(fā)現(xiàn)，塑性混凝土的彈性模量與周圍土體的彈性模量很接近，具有很好的變形性能，以及接頭的良好搭接性能等優(yōu)點(diǎn)。黃榮衛(wèi)[3]通過(guò)工程實(shí)例得出結(jié)論，低彈性模量混凝土防滲墻由于比普通混凝土防滲墻具有較低的彈性模量，更能適應(yīng)不均勻受力及相應(yīng)的變形，使墻體的應(yīng)力狀態(tài)得到較大的改善，有較好的強(qiáng)度同時(shí)又節(jié)省投資。

回顧浙江省水利水電行業(yè)土石壩工程深厚覆蓋層透水地基近50 a采用混凝土防滲墻處理的歷史，混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)理念在曲折中發(fā)展，經(jīng)歷了從彈性模量略低于常態(tài)的混凝土—塑性混凝土—低彈模混凝土—以常態(tài)混凝土為主多種類型并存的過(guò)程。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近十幾年來(lái)，一批性能良好的觀測(cè)儀器被埋設(shè)在防滲墻內(nèi)部或周邊，用來(lái)監(jiān)測(cè)防滲墻運(yùn)行的全過(guò)程，提供了數(shù)目龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。要研究防滲墻工作性態(tài)，需要對(duì)數(shù)據(jù)去偽存真、梳理整編、對(duì)比分析等工作。

2 新建水庫(kù)防滲墻性態(tài)分析

2.1 工程概況

合溪水庫(kù)位于浙江省北部長(zhǎng)興縣境內(nèi)的合溪流域，水庫(kù)總庫(kù)容為1.11億m3，為大（2）型水庫(kù)工程，工程任務(wù)為防洪、供水等綜合利用。攔河壩總長(zhǎng)743 m，由黏土心墻砂礫石壩段和重力壩段組成。黏土心墻砂礫石壩分布在混凝土重力壩兩側(cè)，壩頂寬6.0 m，最大壩高46.8 m，防滲系統(tǒng)由黏土心墻、混凝土防滲墻和帷幕組成。黏土心墻位于壩體中部，頂寬3.0 m，最大墻高約25.1 m。黏土心墻下部要求C20W6F50混凝土防滲墻頭部刺入心墻體不得小于3.0 m，墻頂周圍應(yīng)填筑含水率大于最優(yōu)含水率的高塑性土。土石壩段基礎(chǔ)及高程7.0 m以下的砂礫石壩體防滲處理采用混凝土防滲墻并結(jié)合帷幕灌漿?；炷练罎B墻厚8 0 cm，墻頂要求伸入黏土心墻內(nèi)不得小于3.0 m，墻底深入弱風(fēng)化基巖0.5 m。

為了掌握大壩防滲墻在施工期和運(yùn)行期的實(shí)際工作性態(tài)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性和評(píng)價(jià)施工質(zhì)量，設(shè)置了以下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：

（1）防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)：含壩基防滲墻混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)、無(wú)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。共設(shè)有壩0+240，壩0+320，壩0+505，壩0+602，壩0+692 m共5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每1斷面設(shè)3 ～ 4個(gè)高程，每一高程分別在防滲墻上、下游邊緣的垂直向各設(shè)1支應(yīng)變計(jì)。同時(shí)每一斷面分別在防 滲墻軸線處設(shè)1 ～ 2支無(wú)應(yīng)力計(jì)，共設(shè)有36支應(yīng)變計(jì)和9支無(wú)應(yīng)力計(jì)。

（2）防滲墻變形監(jiān)測(cè)：共設(shè)置壩0+320，0+505 m兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，均設(shè)于防滲墻軸線處。每個(gè)斷面設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，用振弦式固定式測(cè)斜儀觀測(cè)。即每一測(cè)點(diǎn)埋設(shè)1臺(tái)固定式測(cè)斜儀 ，共設(shè)有8臺(tái)固定式測(cè)斜儀。

2.2 基于原型觀測(cè)的防滲墻應(yīng)力應(yīng)變分析

2.2.1.1 防滲墻混凝土實(shí)測(cè)總應(yīng)變

典型應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)（以S20 ～ S29為例）的總應(yīng)變過(guò)程線見(jiàn)圖1。由圖1可知，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)在儀器埋設(shè)初期因混凝土水化熱引起有少量的拉應(yīng)變外，各測(cè)點(diǎn)主要均承受壓應(yīng)變（圖1中拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)），其變化過(guò)程基本合理。自水庫(kù)蓄水后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均僅有較小的變化，部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變有所增加或減小，但變幅較小，均在50 με以內(nèi)，表明庫(kù)水位變化對(duì)防滲墻的應(yīng)力有一定的影響，但各測(cè)點(diǎn)的拉、壓應(yīng)變總量仍均小于混凝土抗拉與抗壓應(yīng)變。

由于合溪水庫(kù)至今未蓄水至正常蓄水位，僅對(duì)2008年4月—2013年1月4日的監(jiān)測(cè)資料[4]進(jìn)行分析，主要對(duì)大壩2011年8月蓄水后的觀測(cè)資料進(jìn)行初步分析，以便了解混凝土防滲墻在蓄水后的運(yùn)行性狀，評(píng)價(jià)大壩的安全狀況。

圖1 防滲墻混凝土總應(yīng)變實(shí)測(cè)過(guò)程線圖

2.2.1.2 防滲墻混凝土實(shí)測(cè)無(wú)應(yīng)力應(yīng)變

典型無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)（以No.4和No.5為例）的無(wú)應(yīng)力應(yīng)變及溫度過(guò)程線見(jiàn)圖2。觀測(cè)結(jié)果表明：防滲墻內(nèi)無(wú)應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程與溫度的變化過(guò)程基本吻合，在儀器埋設(shè)初期，隨著混凝土水化熱的逐漸消散，混凝土內(nèi)溫度下降，無(wú)應(yīng)力計(jì)的壓應(yīng)變逐漸增大；在氣溫變化導(dǎo)致混凝土內(nèi)溫度上升后，無(wú)應(yīng)力計(jì)的壓應(yīng)變逐漸減小，并可能出現(xiàn)較小的拉應(yīng)變。各測(cè)點(diǎn)的無(wú)應(yīng)力應(yīng)變的變化 過(guò)程及總量也與附近位置的總應(yīng)變量變化相似，施工期防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變較??；自水庫(kù)蓄水后，各測(cè)點(diǎn)的無(wú)應(yīng)變也和蓄水前一樣隨時(shí)間有所變化，但變化主要受氣溫變化所影響，與庫(kù)水位的變化無(wú)關(guān)聯(lián)，這與無(wú)應(yīng)力應(yīng)變僅測(cè)定溫度等非應(yīng)力因素引起應(yīng)變的特性相符。

圖2 防滲墻混凝土總應(yīng)變實(shí)測(cè)過(guò)程線圖

2.2.2 防滲墻水平位移監(jiān)測(cè)資料分析

各振弦式固定式測(cè)斜儀測(cè)點(diǎn)的水平位移過(guò)程線見(jiàn)圖3，防滲墻典型時(shí)刻水平位移分布見(jiàn)圖4。

由圖3 ～ 4可知，各測(cè)點(diǎn)的水平位移均為漸進(jìn)地變化。0+320 m斷面在儀器埋設(shè)后水平位移變化平穩(wěn)，自2010年9月開(kāi)始有所增加，實(shí)測(cè)位移最大的CL03測(cè)點(diǎn)在2011年2月13日的達(dá)到最大值7.84 mm。0+505 m斷面在儀器埋設(shè)后不久的2010年3月，實(shí)測(cè)位移最大的CL06測(cè)點(diǎn)在2010年3月1日達(dá)到最大值7.00 mm，以后逐漸下降，至2011年3月13日位移已下降至2.96 mm。實(shí)測(cè)的防滲墻在施工期內(nèi)的水平位移均較小，觀測(cè)結(jié)果正常。

圖3 防滲墻水平位移實(shí)測(cè)過(guò)程線圖

圖4 防滲墻典型時(shí)刻水平位移分布圖

水庫(kù)在2011年4 — 6月進(jìn)行試蓄水。試蓄水前期的水平位移變化均小于1.00 mm且測(cè)值穩(wěn)定。但自2011年5月底開(kāi)始，2監(jiān)測(cè)斷面防滲墻的水平位移均向下游明顯增加，這是由庫(kù)水壓力作用的結(jié)果引起的變化，且均在防滲墻變形的正常及允許范圍內(nèi)。

2.2.3 混凝土彈性模量對(duì)防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的影響淺探

采用有限單元法對(duì)合溪水庫(kù)防滲墻性態(tài)進(jìn)行了分析研究[5]，防滲墻混凝土標(biāo)號(hào)分別采用C15、C20和C25時(shí)右岸最大斷面防滲墻的應(yīng)力變形特征值。不同標(biāo)號(hào)混凝土防滲墻應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同標(biāo)號(hào)混凝土防滲墻應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果表

由表1可知，當(dāng)防滲墻混凝土標(biāo)號(hào)由C20降低至C15后，右岸斷面防滲墻的最大壓應(yīng)力由9 480 kPa降低至7 970 kPa，最大拉應(yīng)力由- 800 kPa降低至- 760 kPa。計(jì)算所得的防滲墻的最大拉應(yīng)力在C15混凝土允許范圍內(nèi)，但最大壓應(yīng)力超過(guò)C15混凝土允許值的15%，故不宜降低標(biāo)號(hào)。

當(dāng)防滲墻混凝土標(biāo)號(hào)由C20提高至C25后，右岸斷面防滲墻的最大壓應(yīng)力由9 480 kPa提高至10 010 kPa，最大拉應(yīng)力由- 800 kPa提高至- 830 kPa。對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果可以看出，防滲墻混凝土標(biāo)號(hào)采用C25后具有較高的安全裕度。

3 除險(xiǎn)加固水庫(kù)防滲墻性態(tài)分析

3.1 工程概況

青山水庫(kù)位于杭州市西郊臨安 市境內(nèi)，水庫(kù)總庫(kù)容2.11億m3，為大（2）型水庫(kù)工程，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的水利工程。主壩為混凝土防滲墻黏土心墻砂殼壩，全長(zhǎng)為575 m。壩頂寬度10.0 m，最大壩高24.1 m。

本工程主體竣工于20世紀(jì)60年代，在2002年開(kāi)始的除險(xiǎn)加固中，增設(shè)厚0.8 m的低彈?；炷练罎B墻，設(shè)計(jì)混凝土的28 d彈性模量不大于2 500 MPa，墻底深入弱風(fēng)化基巖內(nèi)不小于0.5 m。左岸明挖岸墻與山體基巖連接，右岸明挖倒掛井與泄洪閘閘墩連接，結(jié)合原黏土寬心墻、黏土鋪蓋構(gòu)成了新的防滲體系。

防滲墻觀測(cè)儀器的 埋設(shè)工作從2003年3月6日開(kāi)始，到2004年1月2日完成了應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)及固定式測(cè)斜儀等的埋設(shè)工作。

3.2 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變及水平位移監(jiān)測(cè)資料分析

3.2.1 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)資料分析

沿壩軸線方向共設(shè)壩0+059，壩0+204，壩0+326，壩0+492 m共4個(gè)防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面，每1斷面設(shè)15個(gè)高程，每一高程分別在防滲墻上、下游邊緣的垂直向各設(shè)1支應(yīng)變計(jì)。通過(guò)分析應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程線，應(yīng)變計(jì)應(yīng)變值均為負(fù)值，即防滲墻處于受壓狀態(tài)。除少量測(cè)點(diǎn)隨著時(shí)間的推移防滲墻所受的壓應(yīng)變有所增大，其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值變化幅度趨于減小。

將壩0+204 m斷面正常蓄水位下的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與有限單元法的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖5）。計(jì)算中，混凝土防滲墻的彈性模量取E = 2 000 MPa。由圖5可知，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的趨勢(shì)較為吻合。在正常蓄水位下，應(yīng)力的總體分布趨勢(shì)是隨高程的降低而減小，上游面在高程10.0 ～ 15.0 m增加較大，這與防滲墻在此處水平位移較大相一致；在10.0 m高程以下稍微減??；在0.0 ～ 10.0 m高程應(yīng)力變化不大，在0.0 m高程以下防滲墻應(yīng)力變化較大，在- 2.0 m高程處往下防滲墻上游面應(yīng)力急劇增大；在- 5.0 m高程處由原來(lái)的受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，達(dá)到最大拉應(yīng)力，這是由于防滲墻底部嵌入巖基，接近固結(jié)，在上 游水壓力的作用下底端出現(xiàn)拉應(yīng)力。防滲墻下游面應(yīng)力變化與上游面基本相反。

圖5 壩0+204 m斷面正常蓄水位防滲墻計(jì)算值與實(shí)測(cè)值應(yīng)力對(duì)比圖

3.2.2 防滲墻水平位移監(jiān)測(cè)資料分析

選取固定式測(cè)斜儀埋設(shè)以后歷史最高水位27.09 m（2007年10月9日）和正常蓄水位23.16 m（離2007年10月9日最近的2007年10月7日，盡可能減少了時(shí)間因素對(duì)防滲墻水平位移的影響）進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)資料和有限元計(jì)算成果的對(duì)比分析。

當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位23.16 m時(shí)，防滲墻墻身的位移隨埋深變化見(jiàn)圖6。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的趨勢(shì)較為吻合，墻體累計(jì)位移均向下游，位移隨防滲墻埋深的增加而減小，最大位移值出現(xiàn)在防滲墻頂端。

圖6 0+230 m斷面正常蓄水位實(shí)測(cè)、計(jì)算水平位移過(guò)程線圖

繼而分析0+230 m斷面防滲墻實(shí)測(cè)水平位移和計(jì)算水平位移在正常蓄水位（23.16 m）和歷史最高庫(kù)水位（27.09 m）間的增量特性。0+230 m斷面計(jì)算、實(shí)測(cè)最高庫(kù)水位與正常蓄水位防滲墻水平位移差值見(jiàn)圖7。由圖7可知，防滲墻水平位移由庫(kù)水位23.16 m增加到27.09 m時(shí)，水平位移增量—高程曲線計(jì)算值和實(shí)測(cè)值曲線基本一致，但實(shí)測(cè)值顯示防滲墻頂部位移基本不變，而計(jì)算值在頂部略微減小。

3.3 混凝土彈性模量對(duì)防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的影響淺探

在計(jì)算邊界條件相同的情況下，采用有限單元法分別計(jì)算不同彈性模量（E = 5 000 Mpa、E =10 000 MPa、E = 22 000 MPa（C15）、E = 28 000 MPa（C25））混凝土防滲墻的水平位移和應(yīng)力變化（見(jiàn)圖8）。由圖8可知，在除險(xiǎn)加固工程中，當(dāng)彈性模量超過(guò)5 000 MPa 后，隨著防滲墻彈性模量的改變防滲墻水平位移變化不大。正常蓄水位混凝土防滲墻應(yīng)力曲線見(jiàn)圖9。由圖9可知，相對(duì)于位移變化，防滲墻的應(yīng)力變化較為顯著。防滲墻彈性模量為2 000 MPa時(shí)最大壓應(yīng)力為1 350 kPa，拉應(yīng)力為170 kPa；彈性模量變?yōu)?8 000 MPa時(shí)最大壓應(yīng)力變?yōu)? 000 kPa，最大拉應(yīng)力變?yōu)? 200 kPa。

圖9 正常蓄水位混凝土防滲墻應(yīng)力曲線圖

表2 不同彈性模量下混凝土防滲墻最大壓、拉應(yīng)力表

根據(jù)不同彈性模量下混凝土防滲墻最大拉、壓應(yīng)力成果（見(jiàn)表2），各彈性模量混凝土的防滲墻的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力都未超過(guò)相應(yīng)標(biāo)號(hào)的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

4.1 結(jié) 語(yǔ)

（1）監(jiān)測(cè)資料的分析成果，并輔以有限單元法計(jì)算可知：中低土石壩工程混凝土防滲墻應(yīng)力狀態(tài)往往由壓應(yīng)力控制而非拉應(yīng)力，防滲墻墻體壓應(yīng)力成為控制墻體破壞的主導(dǎo)因素。

（2）強(qiáng)度和耐久性是混凝土的2大主要指標(biāo)，既希望降低混凝土彈性模量以適應(yīng)變形，又想提高混凝土抗拉壓強(qiáng)度，本身就是一對(duì)矛盾。防滲墻設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足應(yīng)力應(yīng)變條件下，盡可能提高混凝土強(qiáng)度，選擇合適的彈性模量，提高混凝土耐久性，有利于工程今后安全運(yùn)行。

4.2 展 望

深厚覆蓋層上土石壩防滲體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)研究是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題。

（1）單憑局部測(cè)點(diǎn)的防滲墻應(yīng)力超出了混凝土抗拉墻強(qiáng)度極限，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為防滲墻功能的失效。局部拉應(yīng)力過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，但防滲墻應(yīng)力會(huì)重分布，只要防滲墻墻身不出現(xiàn)斷裂或者老化、空洞等現(xiàn)象，就不會(huì)影響防滲功能的實(shí)現(xiàn)。因此，僅通過(guò)防滲墻應(yīng)力應(yīng)變、水平位移的監(jiān)測(cè)成果尚不能完全呈現(xiàn)宏觀的整個(gè)防滲系統(tǒng)的工作形態(tài)，必須結(jié)合大壩滲壓計(jì)或測(cè)壓管以及滲流量的監(jiān)測(cè)，綜合評(píng)價(jià)混凝土防滲墻的工作形態(tài)。

（2）混凝土材料的不斷探索和發(fā)展，終將在強(qiáng)度、適應(yīng)變形以及耐久性的多難選擇中，提供新的思路。

（3）浙江省中小型病險(xiǎn)土石壩的除險(xiǎn)加固工程較多。這些水庫(kù)年久失修，滲流破壞比較嚴(yán)重，壩體壩基條件變化較大。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算模型所需的壩體力學(xué)參數(shù)等資料受限的情況下，如何形成一套可靠、便捷、甚至標(biāo)準(zhǔn)化的混凝土防滲墻性態(tài)評(píng)價(jià)方法以及加固設(shè)計(jì)導(dǎo)則有待進(jìn)一步探索。

[1] 夏可風(fēng).我國(guó)水工混凝土防滲墻技術(shù)進(jìn)展[J].水利水電 施工，2006(4)：4 - 8，47.

[2] 劉志紅.淺談塑性混 凝土防滲墻在水利水電工程中 的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2000(3)：22 - 25.

[3] 黃榮衛(wèi) .低彈模混凝土防滲墻在土石壩工程中的應(yīng)用[J].大壩與安全，2006(3)：50 - 52

[4] 熊國(guó)文，裴云波，周干武，等.長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)工程大壩原型觀測(cè)工程資料分析報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院合溪水庫(kù)原型觀測(cè)項(xiàng)目部，2013：2 - 11.

[5] 米占寬，李國(guó)英，陳鐵林，等.合溪水庫(kù)土石壩平面有限元分析報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院.2007：63.

（責(zé)任編輯 黃 超）

TV543+.82

B

1008 - 701X(2017)03 - 0062 - 06

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.018

2016-09-22

俞凱加(1983 - )，男，工程師，碩士，主要從事土石壩工程研究工作。E - mail：27943839@qq.com