淺析通江縣方田壩槽孔混凝土心墻土石壩擴(kuò)建工程

向輝+張舒婷+羅喬

摘 要：方田壩水庫位于通江縣方山村內(nèi)，屬于在建?。?）型水庫，具有城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及抗旱應(yīng)急等功能。大壩正常蓄水位577.5m，壩頂高程581m，頂寬6m，壩長365m，最大壩高41.5m，最大壩底寬194.9m，心墻位于壩體中部偏上游1.5m，厚0.8m。土石壩壩體在老壩基礎(chǔ)上填筑而成，剛性混凝土心墻作為新建土石壩的增強(qiáng)體在國內(nèi)屬首例，無相應(yīng)參考資料和設(shè)計規(guī)范。現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范和傳統(tǒng)施工工藝無法滿足擴(kuò)建工程需要，所以大壩設(shè)計、施工、監(jiān)測均面臨挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：混凝土心墻；國內(nèi)首例；創(chuàng)新挑戰(zhàn)

近幾年，農(nóng)村水利水電工建設(shè)正在不斷深入，其工程都有壩體不高、工程周期短、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、交通不便、運(yùn)輸成本高等特點(diǎn)，受各種因素制約，土石壩成為最具競爭力的壩型。但是60%以上土石壩都存在滲漏、穩(wěn)定、裂縫、白蟻侵蝕等各種病險隱患。國內(nèi)土石壩心墻多采用瀝青心墻、瀝青混凝土心墻、粘土心墻等，其大多出現(xiàn)變形開裂及水力劈裂破壞等現(xiàn)象，滲漏嚴(yán)重。本工程采用先填筑壩體自然沉降3月后掏槽澆筑心墻方法，剛性混凝土增強(qiáng)體土石壩的興建目前缺乏可借鑒經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、施工程序和技術(shù)、檢測監(jiān)測及運(yùn)營管理均需開展研究，尤其壩體及心墻的滲流穩(wěn)定安全問題。其興建和研究有助于四川乃至全國類似土石壩新建提供參考和指導(dǎo)。

1 本工程特點(diǎn)

（1）一種新型工藝，槽孔混凝土心墻作為新建土石壩增強(qiáng)體屬國內(nèi)首例，既是防滲體系，又是結(jié)構(gòu)體，不僅利于提高土石壩防滲及安全穩(wěn)定性能，同時能夠發(fā)揮受力及變形性能，無參考資料和設(shè)計規(guī)范可尋。

（2）壩體以砂巖為填筑料，其遇水易軟化，壩殼與心墻變形協(xié)調(diào)性問題突出。

（3）80cm厚砼心墻及壩體承受40m高水頭壓力，心墻面臨滲流和水力劈裂等問題。

（4）壩址區(qū)右岸邊坡高陡、覆蓋層厚達(dá)10m，壩體本身呈左窄右寬棒球桿形，壩體與心墻的變形不僅受到自身變形特性和形狀影響，還受兩岸壩肩的約束和覆蓋層固結(jié)沉降的影響。

（5）本工程為擴(kuò)建工程，大壩是在老壩上填筑，受老壩建造時技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件限制，壩肩壩基繞滲問題突出。

（6）大壩采用先整體填筑壩殼料，后通過中間掏槽泥漿固壁下澆筑心墻新施工工藝。受空間限制，混凝土心墻澆筑、儀器埋設(shè)及成活率保證均面臨挑戰(zhàn)。

2 研究方向及思路

（1）增強(qiáng)體土石壩三維變形協(xié)調(diào)研究：探究初期蓄水砂巖料遇水軟化后壩體穩(wěn)定性問題，心墻與柔性壩殼料及壩基覆蓋層和壩肩之間的變形協(xié)調(diào)性。

借助于三維激光掃描技術(shù)、壩坡變形觀測墩及壩體內(nèi)沉降環(huán)等監(jiān)測設(shè)備，通過NURBS算法和空間向量差值計算思想，獲取大壩“三維變形情況”，尤其壩體與壩肩接觸部位、壩殼區(qū)與心墻區(qū)變形協(xié)調(diào)問題。分析“三維變形場”演化規(guī)律，為壩體變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)性作出風(fēng)險評價。

壩體與心墻變形受自身特性和形狀的影響，還受兩岸壩肩的約束和覆蓋層固結(jié)沉降作用，且心墻與壩肩、壩基、防滲帷幕相連也會受到變形影響，因此必將壩體、壩肩、壩基、防滲帷幕作為一個整體，研究其聯(lián)合變形協(xié)調(diào)性。

本工程壩體各分區(qū)材料不過渡，剛性砼心墻增強(qiáng)體和柔性壩殼區(qū)變形特性相差大，接觸面必定存在較大錯動變形，不能按連續(xù)變形考慮，這里引入離散元思想，將壩殼區(qū)與心墻區(qū)考慮成有接觸面的分離式變形體，通過3DEC結(jié)合三維激光掃描獲取三維模型，采用離散元仿真模型研究壩體變形協(xié)調(diào)性。

（2）槽孔砼心墻增強(qiáng)體土石壩施工及運(yùn)行期滲流與穩(wěn)定性分析：研究壩體防滲體系完好和增強(qiáng)體變形開裂兩種情況下大壩滲流問題，為大壩初期蓄水期運(yùn)行穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定提供理論支持。

防滲體系完好情況下，通過大壩幾個典型斷面先進(jìn)行二維滲流分析，考慮不同工況下防滲體系類別、心墻體系及厚度對壩體滲流量、浸潤線、孔隙水壓等的影響。進(jìn)一步通過三維滲流穩(wěn)定分析心墻-帷幕聯(lián)合體系下整體三維滲流穩(wěn)定，研究滲流對壩體壩坡變形和穩(wěn)定性影響，論證槽孔混凝土作為新建土石壩心強(qiáng)的可行性。防滲體系開裂情況下，主要考慮心墻、帷幕變形開裂和接頭處理不當(dāng)情況下開裂規(guī)模、程度及裂紋分布情況對大壩滲流穩(wěn)定的影響。

通過填筑料大三軸試驗(yàn)、鉆孔取芯、現(xiàn)場點(diǎn)荷載、聲波測試、滲透試驗(yàn)等獲取各個區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變曲線、強(qiáng)度、滲流參數(shù)等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，采用離散元和有限元相結(jié)合計算模式，對聯(lián)合防滲體進(jìn)行變形穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定三維數(shù)值仿真計算。

（3）槽孔砼心墻結(jié)構(gòu)變形開裂及水力劣化研究：通過心墻增強(qiáng)體在施工期和運(yùn)行期應(yīng)力應(yīng)變特性分析，可能出現(xiàn)變形、水力劈裂等，論證心墻的安全性以及為為預(yù)防補(bǔ)救提供措施。

通過鉆孔取芯，進(jìn)行心墻混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得計算參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場測斜、應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，分析心墻應(yīng)力變形特性。同時采用非線性三維有限元數(shù)值仿真計算方法，考慮壩肩約束、覆蓋層對心墻影響，建立心墻-壩體-地基耦合系統(tǒng)，從而心墻安全性做出評估。

心墻在澆筑過程中難免會產(chǎn)生微裂紋、蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷，由于水的存在，一是裂紋尖端的斷裂韌度劣化，二是水會在裂紋內(nèi)部產(chǎn)生向外的擴(kuò)展應(yīng)力，加劇心墻開裂。對此，采用非線性有限元模擬微裂紋的數(shù)目、寬度、分布情況等砼心墻的水力劣化效應(yīng)。同時根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，改進(jìn)計算模型和參數(shù)，直到計算結(jié)果符合實(shí)際情況。

3 心墻施工難點(diǎn)及措施

（1）強(qiáng)漏失地層難成槽。壩基覆蓋層存在架空漏漿地層，心墻施工易發(fā)生漏漿甚至塌孔現(xiàn)象。本工程心墻施工標(biāo)段期間，發(fā)生大大小小塌孔漏漿數(shù)十次，造成工程進(jìn)度滯后，損耗大量材料，人力和設(shè)備。對此，心墻施工采用固壁泥漿采用新型MMH正電膠、合理劃分單幅槽段、回填黃土，膨潤土堵漏或利用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔灌漿、鉆抓法成糟避免主副孔漏漿連帶效應(yīng)等措施。

（2）孔斜率難控制。深墻造孔中易偏斜超標(biāo)，孔斜率由主孔主導(dǎo)，每鉆進(jìn)不超過2m必測孔斜率是否超標(biāo)。

（3）陡坡嵌巖。右壩肩心墻處存在陡坡基巖面，沖擊鉆進(jìn)時，鉆頭易偏斜，溜鉆。施工時采用平底鉆頭，低沖程沖擊，單幅槽段基巖面由高到低部位鉆進(jìn)；施工至覆蓋層基巖陡坡段，孔內(nèi)下設(shè)定位器、爆破筒，爆破產(chǎn)生臺階或凹坑，用XY-Z型地質(zhì)鉆機(jī)，下置爆破筒，提升進(jìn)行爆破，后用沖擊鉆粉碎至終孔。

（4）壩體為新填筑土石壩，存在較大變形沉降，心墻接頭連接是施工關(guān)鍵。本工程采用“接頭管法”，即一期槽孔清孔換漿后，在槽孔端頭下設(shè)接頭管，并保證孔斜率不超標(biāo)，混凝土澆筑后根據(jù)混凝土初凝情況起拔接頭管形成終孔，二期槽段澆筑混凝土?xí)r，接頭孔靠近一起槽孔側(cè)壁形成圓弧形接頭，墻段形成有效連接。

方田壩剛性混凝土土石壩工程施工是結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)，施工條件等實(shí)踐了得新技術(shù)，給當(dāng)?shù)厝嗣麕砀＠耐瑫r，也為以后此類壩型設(shè)計、施工、運(yùn)行等提供了理論支持。

參考文獻(xiàn)

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