低弹模混凝土防渗墙设计实例分析

１ 青山水库土石坝加固设计概述
青山水库位于杭州市西郊临安市境内，东苕溪主 干流南苕溪上，控制流域面积６０３ ｋｍ２，总库容２．１３ 亿ｍ３，为大（２）型水库。青山水库是一座以防洪为 主，兼有灌溉、发电等功能于一体的综合利用大型水 利枢纽，水库枢纽工程包括：拦河坝、泄洪闸、泄洪 放空洞、副坝、电站等。
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主应力／ＭＰａ
图４低弹模混凝土墙下游表面主应力（Ｅ＝２ ０００ ＭＰａ）
２．４计算成果分析 （１）塑性（低弹模）混凝土墙上游表面最大和最小
主应力出现在高程３．００ ｍ附近，在高程５．００ ｍ到
表１ 校核水位下混凝土防渗墙上、下游侧主应力最大值
塑性混凝土（６００ ＭＰａ） 塑性混凝土（１ ０００ ＭＰａ） 低弹模｝昆凝土（２ Ｏｏｏ ＭＰａ） 低弹模混凝土（５ ０００ ＭＰａ） 刚性混凝土（２５ ５００ ＭＰａ）
研究了两种性能截然不同的防渗墙混凝土的配合比和物理力学性能，一种是适用于承受高水头、高应力条件的高坝深基础防渗的高强低弹高抗渗混
凝土，另一种是适用于低水头大坝和临时围堰的低强低弹高抗渗混凝土，提出了配制这两种混凝土的思路和关键技术。
在混凝土防渗墙的发展过
程中，普通混凝土由于强度较低，弹模较大，不能和基础的变形相协调，在承受荷载时容易产生应力集中而破坏，因此，降低混凝土的弹性模量成为解
计算模型按照平面应变问题考虑，如图２所示，防 渗墙、坝体以及坝基均采用Ｅ一肛弹陆模型。计算断面共 分ｌ ７２２个单元，２ ０３０个结点。防渗墙计算模型见图２。
由于本工程防渗墙在大坝加宽后进行，加荷采取 一次完成。并且原来坝体固结在自身重力下已经完 成，新的固结在大坝加宽完成后假定也已经完成。分 析计算按加固过程中的施工进度模拟，先计算出大坝 加宽后的坝体在自身重力和正常水位水压作用下的应 力场，并把这个应力场作为初始条件，再在坝体中打 人防渗墙，重新计算坝体的应力应变。计算考虑最不 利工况，即由正常蓄水位突变到校核洪水位时，不同 弹性模量的防渗墙的应力变化。 ２．３计算成果
了增强防渗效果，低强度低弹模混凝土要具有不小于W8的高抗渗等级，这是粘土混凝土和塑性混凝土这些低强度低弹模防渗墙混凝土所不具备的，而同
时为满足受力以及与基础变形协调的要求，低强度低弹模混凝土又要具有比粘土混凝土低而比塑性混凝土高的强度和弹性模量。
针对以上两种具
有特殊性能的防渗墙混凝土，采用特殊的原材料，不同的配合比参数，对混凝土的物理力学性能进行了试验研究。通过研究发现：要使高强低弹混凝土
有限元应力计算成果详见表１及图３一图４。
Ｅ
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２０００
图２ 防渗墙有限元计算模型
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图３低弹模混凝土墙上游表面主应力（Ｅ＝２ ０００ ＭＰａ）
坝基两端采用滑动支座，底端采用固端支座。考 虑到防渗墙在施工时需泥浆固壁，与坝体、坝基之间 留有泥皮，采用了一维零厚度Ｇｏｏｄｍａｎ接触单元， 且只考虑接触面滑动情况。所谓接触单元（一般引用 Ｇｏｏｄｍａｎ单元模型），是一种无厚度但有两侧壁的四 结点弹性单元，结点未知量为位移增量。与普通的单 元一样，将各个Ｇ００ｄｍａｎ单元刚度矩阵叠加到总刚 度矩阵中去，求出其结点的位移，根据位移即可求出 接触面上的应力。接触单元强度判别准则为：（１）当 正应力小于。或小于抗拉强度时，依据摩尔一库仑准 则判别接触面滑移；（２）当正应力大于。或者大于抗拉 强度时，接触面张开。Ｇｏｏｄｍａｎ单元侧壁剪力丁和压 力矿均与两壁位移差△ｕ和血成正比。由于这种单元 在一定程度上引入了位移的不连续性，故广受欢迎。
现。在满足抗渗要求的前提下，所配制的高强低弹混凝土既克服了普通混凝土强度低的不足，又比同强度等级混凝土的弹性模量低。要采用综合措施来
配制低强低弹高抗渗混凝土。首先应掺入膨润土，以降低混凝土的强度和弹性模量，但掺量不能大于30％，同时可大量掺入粉煤灰和适量引气剂与减水
剂，大量的粉煤灰不但具有降低混凝土早期强度和弹模的作用，还可降低混凝土成本，在和外加剂同时掺入时还能提高混凝土的抗渗性能，此外，应采
ｐａ埘ｎｅｔｅｒｓ ｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｅｎｒｉｏｕｓ ｃｏｒｅ ｍａｄｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｔｈ Ｉｏｗｅｒ ｅＩａｓｔｉｃ ｍｏｄｕＩｕｓ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｈｅｒｅｉｎ；ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔ１１ｅ
ｓｔｒｅｓｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ａ工ｅ ｍａｄｅ ｆｂｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｒｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆ托ｒｅｎｔ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｉ，粕ｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｔＩ．ｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｌｌｅ ｃｏｒｅ ａｎｄ山ｅ
图１ 大坝加固断面示意（高程单位：ｍ；长度单位：ｃｍ）
２防渗墙应力计算分析
２．１ 混凝土防渗墙介绍 混凝土防渗墙是在松散透水地基或土石坝（堰）坝
收稿日期：２００６一０４—０６ 作者简介：尉高洋（１９６８一），男，高级工程师。
５１
尉高洋∥低弹模混凝土防渗墙设计实例分析
体中连续造孔成槽，以泥浆固壁，在泥浆下浇筑混凝 土而建成的地下连续墙，是保证地基稳定和大坝安全 的工程措施。由于防渗墙具有施工简便、速度快、防 渗效果好等优点，已成为我国水利水电工程覆盖层防 渗处理的首选方案。近年来，混凝土防渗墙作为病险 土石坝加固处理的有效手段被广泛应用。
模混凝土要具有特殊的强度发展规律，早期强度要增长缓慢，7d和28d强度分别不能超过10MPa和25MPa，而为了满足受力的要求，长龄期强度又要大幅增
长，90d强度要达到45MPa，同时，为使防渗墙能和大坝基础的变形一致，又要求混凝土90d弹性模量不能大于3.3×104MPa，混凝土的弹强比仅仅733。为
１．７
４．７０ Ｏ．２０
１．０ ２．７
１７．９０ Ｏ．２０
２．２ ６．９
１９．１０ Ｏ．２０
注：防渗墙底为零高程。
５２ 万方数据
水利水电技术第３７卷２００６年第５期
万方数据
低弹模混凝土防渗墙设计实例分析
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
尉高洋， WEI Gao-yang 浙江省水利水电勘测设计院,浙江,杭州,310002
具有与性能要求相一致的特殊的强度发展规律，本试验研究首次提出了使用特别定制的颗粒较粗的特种低热水泥，水泥的生产标准由配合比试验确定
，首先是因为低热水泥的矿物组成特殊，强度发展缓慢，后期强度增长率高，其次，水泥颗粒越粗，其水化反应越缓慢，强度增长也更加缓慢，能更进
一步降低混凝土的早期强度。此外，为有效降低混凝土的弹性模量，可掺入不少于40％的粉煤灰，粉煤灰的掺入也有利于混凝土特殊强度发展规律的实
ｄｅｔｅｍｉｎｅｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｒｅ
ｕｎｄｅｒ ｔｌｌｅ ｃｏｎｓｉｄｅｍｔｉｏｎ ｏｆ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ０ｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ｅｔｃ．
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决该问题的关键。为了避免混凝土防渗墙的破坏，必须改进防渗墙混凝土材料的性能，研制适应不同工程条件的高强度低弹模和低强度低弹模两种性能
截然相反的新型混凝土防渗墙材料极为必要。
在新型混凝土防渗墙材料应用的过程中，由于工程的实际情况不同，对于这两种混凝土材料性能的
具体要求也不完全相同。某水电站工程大坝和围堰混凝土防渗墙分别采用了高强度低弹模和低强度低弹模混凝土材料。为了满足施工要求，高强度低弹
青山水库拦河坝为扩大粘土心墙砂壳坝，建于２０ 世纪６０年代，最大坝高丝１ ｍ，坝顶长为５７５ ｍ，坝顶 宽度５．５ ｍ。上游坝坡设二个马道，马道宽２．０ ｍ，坝坡 分别为１：２．Ｏ、１：２．３、１：２．３。下游坝坡设一个马道， 马道宽２．０ ｍ，坝坡分别为１：１．７５、１：２．３。大坝上下游 坝面设有干砌块石护坡。大坝底为砂砾石地基，迎水侧 及坝顶下均为粘土填筑的扩大心墙，大坝下游为砂砾填 筑料。根据大坝安全鉴定，该大坝心墙底部未能截断坝 基下的砂砾石强透水层，渗透稳定不能满足要求；心墙 填筑料存在分散陛土，填土的压实度较低，容易引起管涌 破坏；坝顶宽度偏小，背水坡稳定安全系数小于规范允许 值。安全鉴定确定该大坝为三类坝，必须进行除险加固。
胁研Ｒａｏ“ 万Ｍ ４方ｎＪ Ｈ数ｙｄ据唧ｏｗＥ馏妇岫ｇ怕Ｌ，７ Ｎ０．ｊ
根据以上安全问题，经多方案比较，大坝防渗加固 采用低弹模混凝土防渗墙形式。防渗墙布置在坝顶坝 轴线下游０．４ ｍ处，厚８０ ｃｍ，底部伸入弱风化层内 ｏ．５ ｍ，墙体最大高度４０ ｍ。同时对坝体进行拓宽，坝 顶由５．５ ｍ拓宽至１０．０ ｍ，拓宽部分采用土石混合料填 筑，并要求在防渗墙施工前完成。大坝加固断面见图１。
【关键词】低弹模；防渗墙；土石坝加固；青山水库；浙江省
中图分类号：ＴＶ２２３．４（２５５）
文献标识码：Ｂ
文章编号：１０００—０８６０（２００６）０５－００５ｌ一０３
ＡｎａｌｙｓｉＳ仰ｄｅｓｉ驴ｏｆ ｉｍｐｅｒＶｉｏ吣ｃｏ咒砌ｄｅ ｏｆ ｃｏ眦ｒｅｔｅ、）Ｉｒｉｔｈ Ｉｏｗｅｒ ｅｋＩｔｉｃ ｍｏｄＩｌｌ鹏
2.期刊论文 马志登.徐美红.叶亮.MA Zhi-deng.XU Mei-hong.YE Liang 横锦水库低弹模砼防渗墙施工及质量控制
-广西水利水电2008(2)
介绍浙江省横锦水库粘土心墙砂壳坝低弹模砼防渗墙的施工流程、施工方法以及质量控制与检验,总结施工经验,提出建议.
3.学位论文 姚汝方 防渗墙低弹模混凝土性能试验研究 2006
ＷＥＩ Ｇａｏ—ｙａｎｇ （ｚｈｅｊｉａｌｌｇ ＤｅｓｉｇＩｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃ９ｎｓｅｒｖａｌｌｃｙ ａＩｌｄ Ｈｙｄｍｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｈａｎ铲ｈｏｕ ３１０００２，Ｚｈｅｊｉ龃ｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎ群ｈｅｎｉｎｇ ｏｆ ｅａｎｈ—ｒｏｃｋ ｆｉｌｌ ｄａｍ ｆｏｒ Ｑｉｎｇｓｈ明Ｒｅｓｅｒ、，ｏｉｒ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉ－
用不小于60％的砂率，以降低混凝土强度和弹模，要使混凝土达到W8以上的抗渗等级，水胶比不能大于0.8，水泥的用量不能少于170kg/m3。在满足抗渗
要求的前提下，所配制的混凝土既具有塑性混凝土弹模低的优点，又具备粘土混凝土强度高的优点。
水利水电技术第３７卷２００６年第５期
低弹模混凝土防渗墙设计实例分析
尉高洋
（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 ３１０００２）
【摘要】介绍了如何选择低弹模混凝土防渗墙物理力学参数的设计实例。通过青山水库土石坝加固
中不同弹性模量的混凝土防渗墙的应力计算分析，考虑墙体的耐久性等因素，确定最优的墙体强度及
相对应的弹性模量。
水利水电技术 WATER RESOURCES AND HYDROPOWER ENGINEERING 2006，37(5) 1次
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1.期刊论文 潘永明.雷丽春 低弹模砼防渗墙在水库大坝防渗加固中的应用 -中国科技信息2008(10)
根据对余姚车厩水库除险加固防渗墙的成功施工经验,对低弹模砼防渗墙的参数和施工方法进行简要阐述,供同行参考.
混凝土防渗墙根据墙体材料的不同可分为普通 （刚性）混凝土防渗墙和塑性混凝土防渗墙等，普通 （刚性）混凝土的弹性模量在２５ ５００ ＭＰａ左右，塑 性混凝土防渗墙是指掺入了粘土等材料的弹性模量 在１ ０００ ＭＰａ以下的墙体。青山水库土石坝加固采用 的混凝土防渗墙的弹性模量为２ ０００～３ ０００ ＭＰａ，界 于塑性和刚性之间，暂称为低弹模混凝土防渗墙。 ２．２土石坝加固中的混凝土防渗墙计算模型
项
目
主应力值／ＭＰａ 高程／ｍ 主应力值／ＭＰａ 高程／ｍ 主应力值／ＭＰａ 高程／ｍ 主应力值／ＭＰａ 高程／ｍ 主应力值／ＭＰａ 高程／ｍ
上游侧 拉
下游侧
一Ｏ．９
。——
Ｏ．０５
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一４．８ 一１．３
１．１０ ２１，８０
上游侧
０．８
ห้องสมุดไป่ตู้
压
下游侧
１．１
４．７０ ０．２０
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