龙滩碾压混凝土重力坝的防渗研究

　　基金项目：九五“国家重点科技攻关专题（96― 220-01―02）成果（结论部份）形成的论文1碾压混凝土坝渗流分析和防渗结构研究的必要性碾压混凝土坝既有混凝土坝的共性，又有因筑坝材料和施工技术上的重大变革而带来的个性。因此，对碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构，应有足够的认识。

　　11渗水的原因a）用水量超过水泥水化热所需用水量，在混凝土内部形成毛细管渗流路径。

　　骨料和水泥由于泌水性形成的空隙。

　　碾压不密实而形成的孔洞。

　　由于天然骨料中杂质未洗净或由于人工骨料（特别是大骨料）粘贴或附着的石粉未洗净（或搅拌时间不充分）而形成的缝隙。

　　由于骨料分离而形成的架空与蜂窝。

　　由于层面和缝面（特别是冷缝面）上下层嵌接不良（包括层面污染）而形成的缝隙。

　　由于温度应力在混凝土中形成的裂缝。

　　由于溶蚀作用而形成的渗漏通道。

　　在斜层平推铺筑法中由于坡脚处理不当，而形成粗骨料集中堆积的渗漏路径。

　　由于暴雨冲走了碾压层的水泥浆体而形成的渗漏层。

　　由于止水失效或止水周边变态混凝土振捣不密实而形成缝隙渗漏。

　　由于坝上游防渗体失效或部份失效而形成的渗漏。

　　1.2防渗结构的要求防渗结构必须安全可靠，且具有很好的耐久性防渗结构必须能有效地控制坝体渗流量和降低层面扬压力。

　　防渗结构必须与坝体施工相互协调，减少干扰，以利于坝体快速施工。

　　上游面防渗体必须具有良好的整体性和强度，防止坝面裂缝的扩展。

　　防渗结构要求简单、经济，并对环境无污染。

　　2龙滩碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构研究的必要性碾压混凝土筑坝材料与常态混凝土筑坝材表1龙滩大坝碾压混凝土各分区的主要指标表表2龙滩大坝碾压混凝土“八五”优化配合比及主要指标表料一样，都是孔隙介质，在一定水头作用下，其本身就存在一定渗透性。所以必须从材料防渗特性和施工控制两方面进行研究，以达到控制渗透量，防止出现渗漏通道是非常必要的。

　　碾压混凝土重力坝防渗结构必须有较好的抗渗性，以满足大坝的挡水功能和坝体材料的耐久性要求；并有效地控制渗透量，达到降低层面扬压力，以大坝体的稳定性。

　　由于龙滩大坝坝身很高，要保证坝基廊道和排水幕的排水畅通，以防止坝基发生侵蚀性渗透变形而危及建筑物的安全。

　　混凝土重力坝是靠自身重量来维持稳定的，而扬压力的作用方向与重力方向相反，即抵消了坝体部分重量的作用，而设置排水孔幕是减小扬压力的有效措施，所以必须对设置的排水孔幕的排水效果进行分析论证。

　　由于龙滩工程地处我国南亚热带气候区，每年夏季高气温时段达5个月以上，碾压混凝土浇筑层面大的面积达39 100m2，要求层面暴露时间短，以保证层面结合质量，所以进行施工措施研究尤为必要。

　　由于碾压混凝土分层摊铺碾压，对于龙滩高坝施工层面多达600层以上，水平层面面积又大，若上层碾压混凝土未在下层仍处于塑性状态下及时覆盖，或由于降雨，或由于跳仓碾压时施工冷缝未处理好，容易造成层面隐伏状结构，所以必须研究层面的处理措施。

　　对龙滩工程这样坝高、量大，通仓薄层浇筑的大体积混凝土，防止防渗体的开裂，并且分析计算坝面开裂时的渗流情况也是非常必要的。

　　龙滩高碾压混凝土重力坝大坝高192m/216. 5m，水库库容达272. 7亿m3，是一个多年调节水库，上游迎水面面积达7.71万m2，由于库大水深，放空机会少，检修条件差，所以必须研究防渗结构的可靠性与耐久性。

　　由于龙滩水电站属水能资源中的富矿，电能质量好，发电效益巨大，若提前1年发电，就可多得157亿kWh的电能。所以防渗结构在保证可靠、耐久的前提下，要求结构简单，便于施工，对大坝施工干扰少。

　　3龙滩大坝渗流分析和防渗结构的研究结论3.1渗流特性分析研究结论设计要求龙滩大坝碾压混凝土各分区的主要指标见表1.八五“攻关优化配合比及所达到的主要指标见表2.九五”攻关优化配合比及所达到的主要指标见表3. 3.2碾压混凝土渗透溶蚀性研究结论龙滩碾压混凝土配合比材料中CaO/Si2的摩尔比接近于1.0，混凝土发生溶蚀较少，并且有长期耐久性。

　　表3龙滩大坝碾压混凝土“九五”优化配合比及主要指标表3.3临界水力梯度研究结论龙滩RI和RR/配合比试件112d龄期的临界水力梯度大于1867，120d龄期的临界水力梯度大于2400.从龙滩大坝碾压混凝土渗流特性和耐久性研究得知，龙滩碾压混凝土能满足192m/216.5m高大坝的防渗与耐久性要求。

　　3.4龙滩大坝防渗结构研究方案3.4.1大坝上游面部份采用钢筋混凝土面板防渗方案钢筋混凝土面板防渗结构设计将“八五”攻关推荐的大坝上游面从上到下全部采用钢筋混凝土面板防渗结构，改为只在高程300.00m以下采用钢筋混凝土面板防渗结构，其后为变态混凝土与二级配碾压混凝土，此高程以上的上游坝面设1.5~2 0m厚变态混凝土，后接4 0~60m的二级配碾压混凝土作为大坝的防渗体，且在变态混凝土表面配置钢筋网，以限制裂缝开展。根据大坝温度应力仿真计算成果和大坝结构的布置要求、面板和坝段分缝间距为220~25.0m.横缝及面板顶部均设有止水。坝体排水幕设在三级配碾压混凝土内，距上游二级配碾压混凝土下边缘约1.2m.在面板后面设置水平排水带。

　　防渗面板的温控与防裂研究的分析计算结由大坝温度应力分析成果可知，大坝与面板分缝间距不宜超过25.0m.面板与坝体同步施工，若坝段宽20.0m，上游坝面抗拉安全系数为1. 722若面板滞后于坝体施工，对于坝段宽20.0m，上游坝面抗拉安全系数为1.574；对于坝段宽30.0m，上游坝面抗拉安全系数为1.284.以上安全系数均为按90d龄期混凝土性能进行计算的结果。

　　面板结构应力与稳定分析计算结论由于施工设计选择面板滞后于大坝施工，考虑坝体混凝土对后浇面板的约束作用及板坝之间存在的冷缝，所以面板与坝体间用锚筋连接。在大坝蓄水后，面板的应力、锚筋的连接作用、水库水位骤降时面板的稳定、以及地震作用时面板的应力与稳定是否满足大坝安全运行要求成为该方案的成立与否的关键。从面板应力分析成果来看，大坝正常蓄水时面板在270. 00m高程附近出现受拉区，270. 00m高程处大拉应力达1. 6MPa其它部位均为受压；水库水位骤降时，由于库水压力减小，同时面板后面施加了指向水库的渗透压力，面板270.00m高程处拉应力大幅减小，仅为0. 1MPa；地震情况发生时，面板受拉范围扩大，高程270.00m处大拉应力达到1.8MPa 00m处为大坝折坡点，在该点处产生一定的应力集中，但拉应力未超过混凝土的抗裂强度，即使面板局部出现裂缝使面板防渗作用受到影响，由于大坝下部具有两道防渗，不会影响大坝的安全。

　　从面板与坝体的连接锚筋受力情况看，大坝正常运行和地震情况，锚筋受压剪作用，轴力和剪力均很小，远小于锚筋的承载力。但水库水位骤降时，渗透压力有使面板脱开大坝的作用，锚筋均变为受拉剪作用，位于面板顶部的锚筋受剪力大，己超过锚筋的设计强度，故有必要在顶部高程290.00~300.00m范围内局部加密锚筋的布置或加粗锚筋直径。

　　大坝渗流分析计算结论渗流分析计算成果说明，大坝下部加钢筋混凝土面板防渗，面板完好正常工作时其防渗效果是显著的，下部坝体基本处于疏干状态，坝体扬压力仅仅在上游坝面附近有很小的作用区，其他部位几乎为零。在面板局部遭受开裂破坏时，其后面的水平排水带排水作用显著，碾压混凝土坝体内渗流场的变化非常小，几乎无影响。如果面板发生开裂，且其后面的水平排水失效，由于坝体透水性小，面板几乎失去阻渗作用，可见面板之后设置排水是十分必要的，由于面板后有变态混凝土与二级配碾压混凝土组成的防渗带，即使面板失效，大坝下部坝体扬压力的加也不大，上游扬压力作用区有所扩大，但仍远小于设计假定的扬压力分布。因此，本方案中钢筋混凝土面板的作用，从渗流的角度来看，只是起到了加一道防渗保险作用，在面板防渗失效时，大坝的渗流控制仍可满足设计要求。

　　3.4.2变态混凝土与二级配碾压混凝土防渗方案变态混凝土与二级配碾压混凝土防渗设计该方案在上游坝面设1.5~2. 0m厚变态混凝土，后接40~6 0m二级配碾压混凝土作为大坝防渗体，且在变态混凝土表面配置钢筋网，以限制裂缝开展。坝体排水幕设在三级配碾压混凝土内，上距二级配碾压混凝土下边缘约1.防渗结构温控防裂分析计算结论按90d龄期混凝土性能进行计算，当坝段宽为20.0m时，上游坝面抗拉安全系数为2. 183；当坝段宽为30.0m时，上游坝面抗拉安全系数为1.399.与钢筋混凝土面板防渗方案比较，在大坝浇筑温度与坝段横缝间距相同的条件，其抗裂安全系数大于钢筋混凝土面板。

　　大坝渗流分析计算结论当大坝正常运行工况，由于变态混凝土具有比二级配碾压混凝土更好的抗渗性，渗流坡降主要集中在变态混凝土区，二级配碾压混凝土区承受的渗流坡降很小，坝体三级配碾压混凝土区基本不受渗流影响。

　　当坝面有水平裂缝出现时的渗流情况，从计算成果可以看出，裂缝对渗流场的影响主要被限制在坝体排水幕的上游区域对下游区域几乎没有影响。

　　当坝面出现垂直辟头缝的情况，其对渗流场的影响同样被限制在坝体排水幕的上游区。

　　当排水管周边混凝土的渗透性受阻时的情况，计算中假定排水孔周边碾压混凝土层面的渗透系数达到与本体一样，这时三级配碾压混凝土区承受的渗流坡降有所加，但量值仍比较小。单从渗流控制来看，龙滩大坝采用碾压混凝土自身防渗是可以满足大坝设计要求，在渗流控制中排水管起着极为重要的作用，只要排水通畅，坝体扬压力的控制就有保障。坝体排水管上游的混凝土需要承受绝大部分的渗流坡降，因此要求这部分混凝土材料具有能承受大渗流坡降的性能和渗透稳定性，作为坝面混凝土还应具有抵抗外部环境变化对其性能的影响，只要变态混凝土和二级配碾压混凝土达到上述要求，龙滩大坝完全可以采用变态混凝土与二级配碾压混凝土防渗方案。

　　343沥青混合料防渗方案沥青混合料防渗设计沥青混合料防渗面板厚8cm，护面板采用钢筋混凝土预制板；预制板混凝土强度等级应大于C20，抗渗等级要求达W6~W8；板面锚固在坝体上，锚筋不穿过护面板，只在护面板内侧预设挂环。护面板间以企口连接。

　　沥青混合料防渗结构的优点沥青混合料抗渗梯度很大，并具有越压越密实，且越不透水的特性；沥青混合料是一种粘弹性材料，具有适应坝体变形和裂缝自愈能力；沥青混合料具有良好的隔热性能，对碾压混凝土上游坝面有很好的保温防裂作用；同时具有柔韧性的沥青混合料防渗层有很强的抗震性。在施工方面，随着油温加热及现代化浇注设备的应用；在施工进度和造价上都有很强的竞争能力；并且对碾压混凝土坝变态混凝土、二级配碾压混凝土的厚度，横缝止水设置，排水孔幕与廊道设置，都会因此而得以减少或简化。

　　3.5扬压力的分析研究结论（1）坝基扬压力的分析研究结论龙滩大坝建基面扬压力设计简图，详见。

　　在不考虑钢筋混凝土面板、变态混凝土或沥青防渗层的防渗作用，只将坝体二级配与三级配碾压混凝土按等效连续介质进行数值模拟，考虑排水孔幕的作用，计算出的坝基面扬压力远小于设计扬压力，计算a值接近于零（设计采用a=0.4），扬压力图上下游均近三角形分布。即使在坝体上游排水和大坝上游抽排50失效的情况下，坝基扬压力也大大小于设计扬压力。

　　（2）坝体层面扬压力分析研究结论为了分析坝体层面扬压力，在高程255.层面上，取沿坝轴线长20m的坝段，上下游水位分00m，考虑碾压混凝土层面渗流的离散性，用统计模型生成层面100个随机样本在坝体排水孔幕全部受阻的情况下，计算出的层面扬压力亦能满足设计扬压力的要求，详见。

　　AT方向坝体层面100个样本计算的层面扬压力分布曲线6龙滩大坝防渗结构研究结论对大坝的防渗结构，曾经研究过上游面使用常态混凝土防渗方案、钢板防渗方案和上游面全断面采用钢筋混凝土面板防渗方案，“九五”国家科技攻关主要研究了大坝上游面部分采用钢筋混凝土面板防渗方案、变态混凝土与二级配碾压混凝土防渗方案和沥青混合料防渗方案。通过温控与防裂的分析计算、结构应力与稳定分析计算和大坝渗流分析计算等多方面综合比较，以变态混凝土与二级配碾压混凝土防渗方案优，推荐为方案。而沥青混合料具有很好的防渗效果，并具有保温作用，且对温控防裂十分有利，建议作为比选方案。

　　4尚需进一步研究的课题及建议鉴于己建成的碾压混凝土坝坝面出现裂缝的现象时有发生，故建议进一步研究MgO混凝土的微膨胀补偿作用，以确保大坝坝面不开裂。

　　石粉含量的加大有利于加碾压混凝土的密实性并减小渗透系数，但对轴拉强度的负面影响需进一步论证，找出一个强度与防渗都能接受的优限定范围。

　　沥青混合料具有很好的防渗效果，并对温控防裂十分有利，需对其保温作用及耐久性作进一步研究。

　　变态混凝土用作大坝防渗结构的一部分，具有抗渗性好及与异种混凝土间结合好的优点，需对其抗裂性及施工工艺作进一步研究。