基于原型观测资料的混凝土防渗墙性态探析

2017-06-05俞凯加郎小燕綦中原

浙江水利科技 2017年3期

关键词：蓄水位防渗墙测点

俞凯加，郎小燕，綦中原

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002；2.五凌电力有限公司，湖南长沙 410004）

基于原型观测资料的混凝土防渗墙性态探析

俞凯加1，郎小燕1，綦中原2

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002；2.五凌电力有限公司，湖南长沙 410004）

搜集浙江省境内建于深厚覆盖层透水地基的合溪、青山等水库的混凝土防渗墙原型监测资料，进行数据处理分析，并结合原设计成果，通过必要的数值计算分析，综合研究混凝土防渗墙的工作性态。同时，归纳总结混凝土防渗墙设计的相关要点。

混凝土防渗墙；原型观测；强度；应力；位移

1 问题的提出

浙江省大中型水库工程大多地处东南沿海地区或杭嘉湖平原地区，大部分土石坝坝基都坐落在深厚土石覆盖层上，坝基防渗处理主要采用混凝土防渗墙。近十几年来，混凝土防渗墙还普遍用于浙江省病险土石坝工程的坝体和坝基防渗处理中。

基础防渗墙工程作为地下工程的范畴，其隐蔽性的特点成为工程师对其工作性态作深度认识的主要制约因素。根据混凝土弹性模量值，混凝土防渗墙主要分为常态混凝土、塑性混凝土和低弹模混凝土3类。随着不同类型防渗墙不断地应用、发展与研究，也形成了对不同性质的混凝土防渗墙优劣的不同观点。夏可风[1]分析认为，在一些大型水利工程中由于结构受力需要采用常态混凝土防渗墙甚至高强混凝土防渗墙。刘志红[2]研究发现，塑性混凝土的弹性模量与周围土体的弹性模量很接近，具有很好的变形性能，以及接头的良好搭接性能等优点。黄荣卫[3]通过工程实例得出结论，低弹性模量混凝土防渗墙由于比普通混凝土防渗墙具有较低的弹性模量，更能适应不均匀受力及相应的变形，使墙体的应力状态得到较大的改善，有较好的强度同时又节省投资。

回顾浙江省水利水电行业土石坝工程深厚覆盖层透水地基近50 a采用混凝土防渗墙处理的历史，混凝土防渗墙的设计理念在曲折中发展，经历了从弹性模量略低于常态的混凝土—塑性混凝土—低弹模混凝土—以常态混凝土为主多种类型并存的过程。

随着科学技术的进步，近十几年来，一批性能良好的观测仪器被埋设在防渗墙内部或周边，用来监测防渗墙运行的全过程，提供了数目庞大的基础数据资料。要研究防渗墙工作性态，需要对数据去伪存真、梳理整编、对比分析等工作。

2 新建水库防渗墙性态分析

2.1 工程概况

合溪水库位于浙江省北部长兴县境内的合溪流域，水库总库容为1.11亿m3，为大（2）型水库工程，工程任务为防洪、供水等综合利用。拦河坝总长743 m，由黏土心墙砂砾石坝段和重力坝段组成。黏土心墙砂砾石坝分布在混凝土重力坝两侧，坝顶宽6.0 m，最大坝高46.8 m，防渗系统由黏土心墙、混凝土防渗墙和帷幕组成。黏土心墙位于坝体中部，顶宽3.0 m，最大墙高约25.1 m。黏土心墙下部要求C20W6F50混凝土防渗墙头部刺入心墙体不得小于3.0 m，墙顶周围应填筑含水率大于最优含水率的高塑性土。土石坝段基础及高程7.0 m以下的砂砾石坝体防渗处理采用混凝土防渗墙并结合帷幕灌浆。混凝土防渗墙厚8 0 cm，墙顶要求伸入黏土心墙内不得小于3.0 m，墙底深入弱风化基岩0.5 m。

为了掌握大坝防渗墙在施工期和运行期的实际工作性态，检验设计合理性和评价施工质量，设置了以下监测项目：

（1）防渗墙应力应变监测：含坝基防渗墙混凝土应变监测、无应力应变监测。共设有坝0+240，坝0+320，坝0+505，坝0+602，坝0+692 m共5个监测断面。每1断面设3 ～ 4个高程，每一高程分别在防渗墙上、下游边缘的垂直向各设1支应变计。同时每一断面分别在防渗墙轴线处设1 ～ 2支无应力计，共设有36支应变计和9支无应力计。

（2）防渗墙变形监测：共设置坝0+320，0+505 m两个监测断面，均设于防渗墙轴线处。每个断面设4个测点，用振弦式固定式测斜仪观测。即每一测点埋设1台固定式测斜仪，共设有8台固定式测斜仪。

2.2 基于原型观测的防渗墙应力应变分析

2.2.1.1 防渗墙混凝土实测总应变

典型应变计测点（以S20 ～ S29为例）的总应变过程线见图1。由图1可知，除个别测点在仪器埋设初期因混凝土水化热引起有少量的拉应变外，各测点主要均承受压应变（图1中拉应变为正，压应变为负），其变化过程基本合理。自水库蓄水后，各测点的应变均仅有较小的变化，部分测点的应变有所增加或减小，但变幅较小，均在50 με以内，表明库水位变化对防渗墙的应力有一定的影响，但各测点的拉、压应变总量仍均小于混凝土抗拉与抗压应变。

由于合溪水库至今未蓄水至正常蓄水位，仅对2008年4月—2013年1月4日的监测资料[4]进行分析，主要对大坝2011年8月蓄水后的观测资料进行初步分析，以便了解混凝土防渗墙在蓄水后的运行性状，评价大坝的安全状况。

图1 防渗墙混凝土总应变实测过程线图

2.2.1.2 防渗墙混凝土实测无应力应变

典型无应力计测点（以No.4和No.5为例）的无应力应变及温度过程线见图2。观测结果表明：防渗墙内无应力应变的变化过程与温度的变化过程基本吻合，在仪器埋设初期，随着混凝土水化热的逐渐消散，混凝土内温度下降，无应力计的压应变逐渐增大；在气温变化导致混凝土内温度上升后，无应力计的压应变逐渐减小，并可能出现较小的拉应变。各测点的无应力应变的变化过程及总量也与附近位置的总应变量变化相似，施工期防渗墙的应力应变较小；自水库蓄水后，各测点的无应变也和蓄水前一样随时间有所变化，但变化主要受气温变化所影响，与库水位的变化无关联，这与无应力应变仅测定温度等非应力因素引起应变的特性相符。

图2 防渗墙混凝土总应变实测过程线图

2.2.2 防渗墙水平位移监测资料分析

各振弦式固定式测斜仪测点的水平位移过程线见图3，防渗墙典型时刻水平位移分布见图4。

由图3 ～ 4可知，各测点的水平位移均为渐进地变化。0+320 m断面在仪器埋设后水平位移变化平稳，自2010年9月开始有所增加，实测位移最大的CL03测点在2011年2月13日的达到最大值7.84 mm。0+505 m断面在仪器埋设后不久的2010年3月，实测位移最大的CL06测点在2010年3月1日达到最大值7.00 mm，以后逐渐下降，至2011年3月13日位移已下降至2.96 mm。实测的防渗墙在施工期内的水平位移均较小，观测结果正常。

图3 防渗墙水平位移实测过程线图

图4 防渗墙典型时刻水平位移分布图

水库在2011年4 — 6月进行试蓄水。试蓄水前期的水平位移变化均小于1.00 mm且测值稳定。但自2011年5月底开始，2监测断面防渗墙的水平位移均向下游明显增加，这是由库水压力作用的结果引起的变化，且均在防渗墙变形的正常及允许范围内。

2.2.3 混凝土弹性模量对防渗墙应力应变的影响浅探

采用有限单元法对合溪水库防渗墙性态进行了分析研究[5]，防渗墙混凝土标号分别采用C15、C20和C25时右岸最大断面防渗墙的应力变形特征值。不同标号混凝土防渗墙应力变形计算结果见表1。

表1 不同标号混凝土防渗墙应力变形计算结果表

由表1可知，当防渗墙混凝土标号由C20降低至C15后，右岸断面防渗墙的最大压应力由9 480 kPa降低至7 970 kPa，最大拉应力由- 800 kPa降低至- 760 kPa。计算所得的防渗墙的最大拉应力在C15混凝土允许范围内，但最大压应力超过C15混凝土允许值的15%，故不宜降低标号。

当防渗墙混凝土标号由C20提高至C25后，右岸断面防渗墙的最大压应力由9 480 kPa提高至10 010 kPa，最大拉应力由- 800 kPa提高至- 830 kPa。对比上述计算结果可以看出，防渗墙混凝土标号采用C25后具有较高的安全裕度。

3 除险加固水库防渗墙性态分析

3.1 工程概况

青山水库位于杭州市西郊临安市境内，水库总库容2.11亿m3，为大（2）型水库工程，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电等综合利用的水利工程。主坝为混凝土防渗墙黏土心墙砂壳坝，全长为575 m。坝顶宽度10.0 m，最大坝高24.1 m。

本工程主体竣工于20世纪60年代，在2002年开始的除险加固中，增设厚0.8 m的低弹模混凝土防渗墙，设计混凝土的28 d弹性模量不大于2 500 MPa，墙底深入弱风化基岩内不小于0.5 m。左岸明挖岸墙与山体基岩连接，右岸明挖倒挂井与泄洪闸闸墩连接，结合原黏土宽心墙、黏土铺盖构成了新的防渗体系。

防渗墙观测仪器的埋设工作从2003年3月6日开始，到2004年1月2日完成了应变计、无应力计及固定式测斜仪等的埋设工作。

3.2 防渗墙应力应变及水平位移监测资料分析

3.2.1 防渗墙应力应变监测资料分析

沿坝轴线方向共设坝0+059，坝0+204，坝0+326，坝0+492 m共4个防渗墙应力应变监测断面，每1断面设15个高程，每一高程分别在防渗墙上、下游边缘的垂直向各设1支应变计。通过分析应力应变过程线，应变计应变值均为负值，即防渗墙处于受压状态。除少量测点随着时间的推移防渗墙所受的压应变有所增大，其余测点应变值变化幅度趋于减小。

将坝0+204 m断面正常蓄水位下的实测应力值与有限单元法的计算值进行对比（见图5）。计算中，混凝土防渗墙的弹性模量取E = 2 000 MPa。由图5可知，实测值与计算值的趋势较为吻合。在正常蓄水位下，应力的总体分布趋势是随高程的降低而减小，上游面在高程10.0 ～ 15.0 m增加较大，这与防渗墙在此处水平位移较大相一致；在10.0 m高程以下稍微减小；在0.0 ～ 10.0 m高程应力变化不大，在0.0 m高程以下防渗墙应力变化较大，在- 2.0 m高程处往下防渗墙上游面应力急剧增大；在- 5.0 m高程处由原来的受压状态变为受拉状态，达到最大拉应力，这是由于防渗墙底部嵌入岩基，接近固结，在上游水压力的作用下底端出现拉应力。防渗墙下游面应力变化与上游面基本相反。

图5 坝0+204 m断面正常蓄水位防渗墙计算值与实测值应力对比图

3.2.2 防渗墙水平位移监测资料分析

选取固定式测斜仪埋设以后历史最高水位27.09 m（2007年10月9日）和正常蓄水位23.16 m（离2007年10月9日最近的2007年10月7日，尽可能减少了时间因素对防渗墙水平位移的影响）进行水平位移监测资料和有限元计算成果的对比分析。

当库水位达到正常蓄水位23.16 m时，防渗墙墙身的位移随埋深变化见图6。实测值与计算值的趋势较为吻合，墙体累计位移均向下游，位移随防渗墙埋深的增加而减小，最大位移值出现在防渗墙顶端。

图6 0+230 m断面正常蓄水位实测、计算水平位移过程线图

继而分析0+230 m断面防渗墙实测水平位移和计算水平位移在正常蓄水位（23.16 m）和历史最高库水位（27.09 m）间的增量特性。0+230 m断面计算、实测最高库水位与正常蓄水位防渗墙水平位移差值见图7。由图7可知，防渗墙水平位移由库水位23.16 m增加到27.09 m时，水平位移增量—高程曲线计算值和实测值曲线基本一致，但实测值显示防渗墙顶部位移基本不变，而计算值在顶部略微减小。

3.3 混凝土弹性模量对防渗墙应力应变的影响浅探

在计算边界条件相同的情况下，采用有限单元法分别计算不同弹性模量（E = 5 000 Mpa、E =10 000 MPa、E = 22 000 MPa（C15）、E = 28 000 MPa（C25））混凝土防渗墙的水平位移和应力变化（见图8）。由图8可知，在除险加固工程中，当弹性模量超过5 000 MPa 后，随着防渗墙弹性模量的改变防渗墙水平位移变化不大。正常蓄水位混凝土防渗墙应力曲线见图9。由图9可知，相对于位移变化，防渗墙的应力变化较为显著。防渗墙弹性模量为2 000 MPa时最大压应力为1 350 kPa，拉应力为170 kPa；弹性模量变为28 000 MPa时最大压应力变为4 000 kPa，最大拉应力变为1 200 kPa。

图9 正常蓄水位混凝土防渗墙应力曲线图

表2 不同弹性模量下混凝土防渗墙最大压、拉应力表

根据不同弹性模量下混凝土防渗墙最大拉、压应力成果（见表2），各弹性模量混凝土的防渗墙的最大压应力和拉应力都未超过相应标号的混凝土强度设计值。

4 结语与展望

4.1 结语

（1）监测资料的分析成果，并辅以有限单元法计算可知：中低土石坝工程混凝土防渗墙应力状态往往由压应力控制而非拉应力，防渗墙墙体压应力成为控制墙体破坏的主导因素。

（2）强度和耐久性是混凝土的2大主要指标，既希望降低混凝土弹性模量以适应变形，又想提高混凝土抗拉压强度，本身就是一对矛盾。防渗墙设计应在满足应力应变条件下，尽可能提高混凝土强度，选择合适的弹性模量，提高混凝土耐久性，有利于工程今后安全运行。

4.2 展望

深厚覆盖层上土石坝防渗体的应力应变状态研究是一个较为复杂的问题。

（1）单凭局部测点的防渗墙应力超出了混凝土抗拉墙强度极限，不能简单地认为防渗墙功能的失效。局部拉应力过大，可能会出现裂缝，但防渗墙应力会重分布，只要防渗墙墙身不出现断裂或者老化、空洞等现象，就不会影响防渗功能的实现。因此，仅通过防渗墙应力应变、水平位移的监测成果尚不能完全呈现宏观的整个防渗系统的工作形态，必须结合大坝渗压计或测压管以及渗流量的监测，综合评价混凝土防渗墙的工作形态。

（2）混凝土材料的不断探索和发展，终将在强度、适应变形以及耐久性的多难选择中，提供新的思路。

（3）浙江省中小型病险土石坝的除险加固工程较多。这些水库年久失修，渗流破坏比较严重，坝体坝基条件变化较大。在监测数据和有限元计算模型所需的坝体力学参数等资料受限的情况下，如何形成一套可靠、便捷、甚至标准化的混凝土防渗墙性态评价方法以及加固设计导则有待进一步探索。

[1] 夏可风.我国水工混凝土防渗墙技术进展[J].水利水电施工，2006(4)：4 - 8，47.

[2] 刘志红.浅谈塑性混凝土防渗墙在水利水电工程中的应用[J].水利技术监督，2000(3)：22 - 25.

[3] 黄荣卫 .低弹模混凝土防渗墙在土石坝工程中的应用[J].大坝与安全，2006(3)：50 - 52

[4] 熊国文，裴云波，周干武，等.长兴县合溪水库工程大坝原型观测工程资料分析报告[R].南京：南京水利科学研究院合溪水库原型观测项目部，2013：2 - 11.

[5] 米占宽，李国英，陈铁林，等.合溪水库土石坝平面有限元分析报告[R].南京：南京水利科学研究院.2007：63.