浅析通江县方田坝槽孔混凝土心墙土石坝扩建工程

向辉+张舒婷+罗乔

摘 要：方田坝水库位于通江县方山村内，属于在建小（1）型水库，具有城乡供水、农业灌溉及抗旱应急等功能。大坝正常蓄水位577.5m，坝顶高程581m，顶宽6m，坝长365m，最大坝高41.5m，最大坝底宽194.9m，心墙位于坝体中部偏上游1.5m，厚0.8m。土石坝坝体在老坝基础上填筑而成，刚性混凝土心墙作为新建土石坝的增强体在国内属首例，无相应参考资料和设计规范。现有设计规范和传统施工工艺无法满足扩建工程需要，所以大坝设计、施工、监测均面临挑战。

关键词：混凝土心墙；国内首例；创新挑战

近几年，农村水利水电工建设正在不断深入，其工程都有坝体不高、工程周期短、地形地质条件复杂、交通不便、运输成本高等特点，受各种因素制约，土石坝成为最具竞争力的坝型。但是60%以上土石坝都存在渗漏、稳定、裂缝、白蚁侵蚀等各种病险隐患。国内土石坝心墙多采用沥青心墙、沥青混凝土心墙、粘土心墙等，其大多出现变形开裂及水力劈裂破坏等现象，渗漏严重。本工程采用先填筑坝体自然沉降3月后掏槽澆筑心墙方法，刚性混凝土增强体土石坝的兴建目前缺乏可借鉴经验，在设计经验、施工程序和技术、检测监测及运营管理均需开展研究，尤其坝体及心墙的渗流稳定安全问题。其兴建和研究有助于四川乃至全国类似土石坝新建提供参考和指导。

1 本工程特点

（1）一种新型工艺，槽孔混凝土心墙作为新建土石坝增强体属国内首例，既是防渗体系，又是结构体，不仅利于提高土石坝防渗及安全稳定性能，同时能够发挥受力及变形性能，无参考资料和设计规范可寻。

（2）坝体以砂岩为填筑料，其遇水易软化，坝壳与心墙变形协调性问题突出。

（3）80cm厚砼心墙及坝体承受40m高水头压力，心墙面临渗流和水力劈裂等问题。

（4）坝址区右岸边坡高陡、覆盖层厚达10m，坝体本身呈左窄右宽棒球杆形，坝体与心墙的变形不仅受到自身变形特性和形状影响，还受两岸坝肩的约束和覆盖层固结沉降的影响。

（5）本工程为扩建工程，大坝是在老坝上填筑，受老坝建造时技术、经济条件限制，坝肩坝基绕渗问题突出。

（6）大坝采用先整体填筑坝壳料，后通过中间掏槽泥浆固壁下浇筑心墙新施工工艺。受空间限制，混凝土心墙浇筑、仪器埋设及成活率保证均面临挑战。

2 研究方向及思路

（1）增强体土石坝三维变形协调研究：探究初期蓄水砂岩料遇水软化后坝体稳定性问题，心墙与柔性坝壳料及坝基覆盖层和坝肩之间的变形协调性。

借助于三维激光扫描技术、坝坡变形观测墩及坝体内沉降环等监测设备，通过NURBS算法和空间向量差值计算思想，获取大坝“三维变形情况”，尤其坝体与坝肩接触部位、坝壳区与心墙区变形协调问题。分析“三维变形场”演化规律，为坝体变形稳定与协调性作出风险评价。

坝体与心墙变形受自身特性和形状的影响，还受两岸坝肩的约束和覆盖层固结沉降作用，且心墙与坝肩、坝基、防渗帷幕相连也会受到变形影响，因此必将坝体、坝肩、坝基、防渗帷幕作为一个整体，研究其联合变形协调性。

本工程坝体各分区材料不过渡，刚性砼心墙增强体和柔性坝壳区变形特性相差大，接触面必定存在较大错动变形，不能按连续变形考虑，这里引入离散元思想，将坝壳区与心墙区考虑成有接触面的分离式变形体，通过3DEC结合三维激光扫描获取三维模型，采用离散元仿真模型研究坝体变形协调性。

（2）槽孔砼心墙增强体土石坝施工及运行期渗流与稳定性分析：研究坝体防渗体系完好和增强体变形开裂两种情况下大坝渗流问题，为大坝初期蓄水期运行稳定及渗流稳定提供理论支持。

防渗体系完好情况下，通过大坝几个典型断面先进行二维渗流分析，考虑不同工况下防渗体系类别、心墙体系及厚度对坝体渗流量、浸润线、孔隙水压等的影响。进一步通过三维渗流稳定分析心墙-帷幕联合体系下整体三维渗流稳定，研究渗流对坝体坝坡变形和稳定性影响，论证槽孔混凝土作为新建土石坝心强的可行性。防渗体系开裂情况下，主要考虑心墙、帷幕变形开裂和接头处理不当情况下开裂规模、程度及裂纹分布情况对大坝渗流稳定的影响。

通过填筑料大三轴试验、钻孔取芯、现场点荷载、声波测试、渗透试验等获取各个区域应力应变曲线、强度、渗流参数等现场数据，采用离散元和有限元相结合计算模式，对联合防渗体进行变形稳定及渗流稳定三维数值仿真计算。

（3）槽孔砼心墙结构变形开裂及水力劣化研究：通过心墙增强体在施工期和运行期应力应变特性分析，可能出现变形、水力劈裂等，论证心墙的安全性以及为为预防补救提供措施。

通过钻孔取芯，进行心墙混凝土抗拉强度试验，获得计算参数，结合现场测斜、应力测试数据，分析心墙应力变形特性。同时采用非线性三维有限元数值仿真计算方法，考虑坝肩约束、覆盖层对心墙影响，建立心墙-坝体-地基耦合系统，从而心墙安全性做出评估。

心墙在浇筑过程中难免会产生微裂纹、蜂窝麻面等质量缺陷，由于水的存在，一是裂纹尖端的断裂韧度劣化，二是水会在裂纹内部产生向外的扩展应力，加剧心墙开裂。对此，采用非线性有限元模拟微裂纹的数目、宽度、分布情况等砼心墙的水力劣化效应。同时根据现场监测，改进计算模型和参数，直到计算结果符合实际情况。

3 心墙施工难点及措施

（1）强漏失地层难成槽。坝基覆盖层存在架空漏浆地层，心墙施工易发生漏浆甚至塌孔现象。本工程心墙施工标段期间，发生大大小小塌孔漏浆数十次，造成工程进度滞后，损耗大量材料，人力和设备。对此，心墙施工采用固壁泥浆采用新型MMH正电胶、合理划分单幅槽段、回填黄土，膨润土堵漏或利用地质钻机钻孔灌浆、钻抓法成糟避免主副孔漏浆连带效应等措施。

（2）孔斜率难控制。深墙造孔中易偏斜超标，孔斜率由主孔主导，每钻进不超过2m必测孔斜率是否超标。

（3）陡坡嵌岩。右坝肩心墙处存在陡坡基岩面，冲击钻进时，钻头易偏斜，溜钻。施工时采用平底钻头，低冲程冲击，单幅槽段基岩面由高到低部位钻进；施工至覆盖层基岩陡坡段，孔内下设定位器、爆破筒，爆破产生台阶或凹坑，用XY-Z型地质钻机，下置爆破筒，提升进行爆破，后用冲击钻粉碎至终孔。

（4）坝体为新填筑土石坝，存在较大变形沉降，心墙接头连接是施工关键。本工程采用“接头管法”，即一期槽孔清孔换浆后，在槽孔端头下设接头管，并保证孔斜率不超标，混凝土浇筑后根据混凝土初凝情况起拔接头管形成终孔，二期槽段浇筑混凝土时，接头孔靠近一起槽孔侧壁形成圆弧形接头，墙段形成有效连接。

方田坝刚性混凝土土石坝工程施工是结合当地地质，施工条件等实践了得新技术，给当地人名带来福利的同时，也为以后此类坝型设计、施工、运行等提供了理论支持。

参考文献

[1]崔金铁.土石坝浇筑式沥青混凝土心墙设计与施工技术研究[D].大连理工大学，2002.

[2]付明.土石坝浇筑式沥青混凝土防渗心墙施工新技术的应用[J].黑龙江水利科技，2013，41（06）：34-36.