- 水工建筑物
- 賴永明 凌賢宗主編
- 9179字
- 2021-10-22 23:25:26
任務1.4 重力壩的材料、細部結構與地基處理
單元任務目標:完成重力壩細部構造與地基處理方案設計。
任務執行過程引導:確定壩體材料分區;確定壩體排水管幕布置;確定基礎廊道布置;確定防滲帷幕的位置、深度、厚度、灌漿孔的布置;確定壩基主排水孔幕的布置。
提交成果:壩體材料分區示意圖;包含細部構造的溢流壩和非溢流壩剖面圖;基礎廊道和壩體廊道構造詳圖;橫縫止水結構詳圖;固結灌漿孔布置圖、壩基防滲帷幕與壩基排水布置詳圖。
1.4.1 重力壩的材料
為使大壩成為安全、經濟、實用、耐久的建筑物,筑壩材料要具有足夠的強度、耐久性和低熱性。同時考慮重力壩施工的特點,應充分利用混凝土的后期強度,并按壩體工作條件進行分區。
1.4.1.1 混凝土強度等級
大壩常態混凝土抗壓強度的標準值可采用90d齡期強度,保證率80%;碾壓混凝土抗壓強度標準值可采用180d齡期強度,保證率80%。常用混凝土強度等級有C15、C20、C25、C30。高于C30的混凝土用于重要構件和部位。
1.4.1.2 混凝土的耐久性
(1)抗滲性。抗滲性指混凝土抵抗壓力水滲透的能力。大壩的上游面、基礎層和下游水位以下的壩面等部位均有防滲要求。常用抗滲等級“W”表示混凝土抗滲性能的好壞。
大壩混凝土抗滲等級應根據所在部位和水力坡降確定,抗滲等級有W2、W4、W6、W8、W10。
(2)抗凍性。抗凍性能指混凝土在吸水飽和狀態下,經多次凍融循環后質量減少不多、強度降低不嚴重的性能。常用抗凍等級“F”表示混凝土抗凍性能的好壞。
抗凍等級一般應視氣候分區、凍融循環次數、表面局部小氣候條件、水分飽和程度、結構構件重要性和檢修的難易程度等因素合理選取,抗凍等級有F50、F100、F150、F200、F300。
(3)抗沖刷性。抗沖刷性指抵抗高速水流或挾沙水流的沖刷、抗磨損的能力。一般而言,對于有抗磨要求的混凝土,應采用高強度低流態混凝土或高強硅粉混凝土,其抗壓強度等級應大于C20,要求高的應大于C30。
(4)抗侵蝕性。抗侵蝕性指抵抗環境水的侵蝕性能。當環境水具有侵蝕性時,應選用適宜的水泥、砂和石,水灰比宜較原定值減小0.05,并盡量提高其密實性。
(5)抗裂性。為防止大體積混凝土結構產生溫度裂縫,除合理的分縫、分塊和溫控措施外,還應選用發熱量較低的水泥、摻合料,減少水泥用量并提高混凝土的強度和抗裂性能。在施工時應加強保濕養護措施,以解決早期干縮開裂問題。
1.4.1.3 材料分區
由于壩體各部分的工作條件不同,對混凝土強度、抗摻、抗凍、抗沖刷、抗裂等性能的要求也不同。為了節省和合理使用水泥,通常將壩體按不同部位和不同工作條件進行分區,采用不同性能的混凝土,如圖1.36所示。Ⅰ區為上、下游水位以上壩體外部表面混凝土,Ⅱ區為上、下游水位變動區的壩體外部表面混凝土,Ⅲ區為上、下游水位以下壩體外部表面混凝土,Ⅳ區為壩體基礎,Ⅴ區為壩體內部,Ⅵ區為抗沖刷部位,如溢洪道溢流面、泄水孔、導墻和閘墩等。

圖1.36 壩體分區示意圖
(a)非溢流壩;(b)溢流壩;(c)壩身泄水孔
各分區對混凝土性能的要求見表1.17。
表1.17 大壩混凝土分區性能要求表

注 表中有“++”的項目為選擇各區等級的主要控制因素,有“+”的項目為需要提出要求的,有“—”的項目為不需提出要求的。
壩體為常態混凝土的強度等級一般不低于C20,碾壓混凝土強度等級一般不低于C15。為便于施工,同一澆塊中混凝土強度等級不宜超過兩種,相鄰區的混凝土強度等級不得超過兩級,分區厚度尺寸最少為2~3m。
1.4.2 重力壩細部結構
1.4.2.1 壩體的防滲與排水設施
1.壩體防滲
在混凝土重力壩壩體上游面和下游面最高水位以下部分,多采用一層具有防滲、抗凍、抗侵蝕的混凝土作為壩體防滲設施,防滲指標根據水頭和防滲要求而定,防滲厚度一般為1/10~1/20水頭,但不小于2m。
2.壩體排水設施
為減小壩體滲透壓力,常在靠近上游壩面和混凝土防滲體下游側設置排水管幕。排水管幕距上游壩面的距離一般為壩前水深的0.07~0.1,且不小于2.0m。排水管間距為2~3m,管徑為15~25cm。排水管幕沿壩軸線一字排列,管孔鉛直,下部應通至縱向排水廊道,上部應通至上層廊道或壩頂(或溢流面以下),以便于檢修,如圖1.37(a)所示。

圖1.37 重力壩內部排水構造(單位:mm)
(a)壩內排水;(b)排水管
排水管可采用拔管、鉆孔或預制無砂混凝土管。若采用無砂混凝土管,可預制成圓筒形和空心多棱柱形,如圖1.37(b)所示。在澆筑壩體混凝土時,應保護好排水管,防止水泥漿漏入排水管內,阻塞排水管道。
1.4.2.2 重力壩的壩身廊道及泄水孔
1.壩內廊道
為了滿足灌漿、排水、觀測、檢修和交通等要求,常在混凝土壩體內設置不同用途的廊道,這些廊道相互連通,構成壩內廊道系統,如圖1.38所示。廊道內必須有良好的排水條件,以及適宜的通風和足夠的照明設施。
(1)壩基灌漿廊道。帷幕灌漿需要在壩體澆筑到一定高度后進行,以便利用混凝土壓重提高灌漿壓力,保證灌漿質量。因此,需在壩踵附近距上游壩面不應小于0.07~0.1倍作用水頭且不小于3m以及底距基巖面3~5m處設置灌漿廊道,灌漿廊道需延伸至兩岸,如岸坡過陡,則分層設置廊道并用豎井將它們連接。廊道尺寸要滿足鉆機尺寸,一般最小為2.5m×3.0m(寬×高)。

圖1.38 壩內廊道系統圖
(a)立面圖;(b)水平剖面圖;(c)橫剖面圖
1—壩基灌漿排水廊道;2—基面排水廊道;3—集水井;4—水泵室;5—橫向排水廊道;6—檢查廊道;7—電梯井;8—交通廊道;9—觀測廊道;10—進出口;11—電梯塔
(2)檢查和觀測廊道。檢查和觀測廊道用以檢查壩身工作性能,并安放觀測設備,通常沿壩高每15~30m設一道,廊道最小尺寸為1.2m×2.2m(寬×高)。
(3)交通廊道和豎井。用以交通與器材設備的運輸,并將有關的廊道連通起來,各層廊道左右岸各有一個出口,要求與豎井、電梯井連通。
(4)排水廊道。壩基排水孔收集基巖排出的水,經過壩基排水廊道上游側的排水溝流入集水井,并排至下游。若壩基排水廊道低于下游水位,則應用水泵將水送至下游。壩體排水廊道沿壩高每隔30m布置一道,滲水由壩身排水管進入廊道的排水溝,再沿岸坡排水溝流至最低排水廊道的集水井。廊道最小尺寸為1.2m×2.2m(寬×高)。
壩內廊道的布置應力求一道多用,綜合布置,以減少廊道的數目。一般廊道離上游的壩面不應小于2~2.5m。廊道的斷面形式,一般采用城門洞形,這種斷面應力條件較好。也可采用矩形斷面。
此外,還可根據需要設專門性廓道,如操作閘門用的操作廊道、進入鋼管的交通廊道等。
(5)廊道的應力和配筋。因廊道的存在,破壞了壩體的連續性,改變了周邊應力分布,其中廊道的形狀、尺寸大小和位置對應力分布影響較大。
對于距離壩體邊界較遠的圓形、橢圓形、矩形孔道,可采用彈性理論方法,作為平面問題按無限域中的小孔口計算應力;對于靠近邊界的城門洞形廊道,則主要靠試驗或有限元法求解。
廊道周邊是否配筋,有以下兩種處理方法:過去假定混凝土不承擔拉應力配受力筋和構造筋;近年來西歐和美國對于壩內受壓區的孔洞一般都不配筋,位于受拉區、外形復雜,有較大拉應力的孔洞才配鋼筋。
工程實踐證明,施工期的溫度應力是廊道、孔洞周邊產生裂縫的主要原因,施工中采取適當的溫控措施十分重要。為防止產生裂縫后向上游壩面貫穿,靠近上游壩面的廊道應進行限裂配筋。
2.壩身泄水孔
在水利樞紐中,為了滿足供水、泄洪、灌溉、發電、排沙、放空水庫及施工導流等要求,需在重力壩身不同的部位和高程設置多種泄水孔,如圖1.39所示。泄水孔按孔內水流狀態分為有壓或無壓泄水孔,按所處高程分為中孔和底孔。

圖1.39 壩身泄水孔(單位:m)
1—泄洪孔;2—弧形門;3—檢修門槽;4—通氣孔;5—錐形閥;6—排水管;7—攔污柵;8—廊道;9—檢查井;10—導流底孔
盡管各種泄水孔口用途不同,但在技術允許的條件下,應盡可能一孔多用,如導流與泄洪相結合、放空水庫與排沙相結合、放空水庫與導流相結合、灌溉與發電相結合等。
1.4.2.3 重力壩的分縫與止水
1.壩體分縫
為防止溫度變形和地基不均勻沉降而產生裂縫,適應混凝土澆筑能力和散熱的要求,并改善壩體應力,一般要求將混凝土重力壩壩體進行分縫。
按縫的作用可分為沉降縫、溫度縫及工作縫。沉降縫是將壩體分成若干段,以適應地基的不均勻沉降,防止產生沉降裂縫,常設在地基巖性突變處。溫度縫是將壩體分塊,以減小壩體伸縮時地基對壩體的約束,以及新舊混凝土之間的約束,從而防止產生裂縫。工作縫(施工縫)主要是便于分期分塊澆筑、裝拆模板以及混凝土的散熱而設的臨時縫。
按縫的位置可分為橫縫、縱縫、水平縫。
(1)橫縫。橫縫是垂直于壩軸線的豎向縫,如圖1.40所示,可兼做沉降縫和溫度縫,其作用是減小沿壩軸向的溫度應力,適應地基不均勻變形,適應施工澆筑能力等。橫縫間距(壩段長度)一般可為12~20m,有時可達到24m(溫度縫),若作沉降縫考慮間距可達50~60m。一般有永久性和臨時性兩種。

圖1.40 重力壩橫縫
永久性橫縫是指從壩底至壩頂的貫通縫,將壩體分若干獨立的壩段,縫面為平面,不設縫槽,縫內不進行灌漿,以使各壩段獨立工作。根據地基及溫度變化情況,一般在壩段間預留1~2cm的縫。當壩內設有泄水孔或電站引水管道時,還應考慮泄水孔和電站機組間距;對于溢流壩,可將縫設在閘墩中;地基若為堅硬的基巖,也可將縫布置在閘孔中央。
臨時性橫縫是因施工和溫控所需而臨時設置的橫縫,待各壩段充分降溫收縮后對橫縫做灌漿使大壩連成整體。主要用于當岸坡較陡、壩基地質條件較差或強地震區,提高壩體的抗滑穩定性等。
(2)縱縫。當混凝土壩厚度超過40m時,為適應混凝土澆筑能力和減小施工期溫度應力而設置的臨時縫,可兼作溫度縫和施工縫。縱縫布置型式有豎直縱縫、斜縫和錯縫。
豎直縱縫將壩體分成柱塊狀,如圖1.41(a)所示,混凝土澆筑施工時干擾小,是應用最多的一種施工縫,間距視混凝土澆筑能力和施工期溫度控制而定,一般為15~30m。縱縫須設在水庫蓄水運行前,混凝土充分冷卻收縮,壩體達到穩定溫度的條件下進行灌漿填實,使壩段成為整體。
斜縫是大致沿庫滿時大主應力方向設置的縫,如圖1.41(b)所示,由于縫面剪應力很小,從結構的觀點看,斜縫比直縫合理。斜縫縫面的剪應力很小,中低壩可不進行灌漿。但斜縫對相鄰壩塊施工干擾較大,對施工程序要求嚴格,加之縫面應力傳遞不夠明確,所以目前已很少采用。
錯縫澆筑類似砌磚方式,是采用小塊分縫,交錯地向上澆筑,如圖1.41(c)所示。縫的間距一般為10~15m,澆筑塊厚度一般為3~4m,在靠近基巖面附近為1.5~2.0m。采用錯縫布置時,可不進行灌漿,但結構整體性較差,由于各澆筑塊收縮變形容易帶動上、下塊張拉而開裂,故此法只在低壩中應用,我國用得極少。

圖1.41 重力壩縱縫形式
(a)豎直縱縫;(b)斜縫;(c)錯縫
(3)水平縫。水平縫是上、下層新老混凝土澆筑塊之間的施工接縫,是臨時性的。施工時需先將下塊混凝土表面的水泥乳皮及浮渣用風水槍或壓力水沖洗并使表面成為干凈的麻面,再鋪一層2~3cm厚的水泥砂漿,然后再在上面澆混凝土。國內外普遍采用薄層澆筑,每層厚1.5~4.0m,在靠近基巖面附近用1.0~1.5m的薄層澆筑,以便通過表面散熱降低混凝土溫度,防止產生溫度裂縫。
2.止水
重力壩橫縫的上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下及壩內廊道和孔洞穿過分縫處的四周等部位應設置止水設施。
止水有金屬的、橡膠的、塑料的、瀝青的及鋼筋的。金屬止水片有銅片、鋁片和鍍鋅片,止水片厚一般為1.0~1.6mm,做成可伸縮的“}”形,兩側插入的深度不小于20~25cm。橡膠止水和塑料止水適應變形能力較強,在氣候溫和地區可用塑料止水片,在寒冷地區則可采用橡膠止水片,應根據工作水頭、氣候條件、所在部位等選用標準型號。瀝青止水置于瀝青井內,井內設有蒸汽或電熱設備,加熱可使瀝青瑪脂熔化,使其與混凝土有良好的接觸。鋼筋止水是把做成的鋼筋塞設置在縫的上游面,鋼筋塞與壩體間設有瀝青油毛氈層,當受水壓時,鋼筋塞壓緊瀝青油毛氈層而起止水作用。

圖1.42 橫縫止水
1—橫縫;2—瀝青油氈;3—止水片;4—瀝青井;5—加熱電極;6—預制塊;7—鋼筋混凝土塞;8—排水井;9—檢查井;10—閘門底檻預埋件
對于高壩的橫縫止水常采用兩道金屬止水片和中間設瀝青井,如圖1.42(a)所示。當有特殊要求時,可考慮在橫縫的第二道止水片與檢查之間進行灌漿止水的輔助設施。止水片距上游壩面為1~2m。
對于中、低壩的橫縫止水可適當簡化。如中壩第二道止水片可采用橡膠或塑料片等。低壩經論證也可采用一道止水片,一般止水片距上游壩面為0.4~0.5m,以后各道止水片設施之間的距離為0.5~1.0m。
在壩底,橫縫止水必須與壩基巖石妥善連接。通常在基巖上挖一深30~50cm方槽,將止水片及瀝青井崁入,然后用混凝土填實。對于非溢流壩和橫縫設在閘墩中間的溢流壩段,止水片必須延伸到最高水位以上,瀝青井則需伸到壩頂。
1.4.3 重力壩地基處理
據統計,世界上重力壩的失事有40%是因為地基問題造成的,因此,重力壩的地基處理是一項關系壩體安全、經濟和建設速度的至關重要的工作,必須引起足夠的重視。
天然地基由于長期受地質作用,一般都存在風化、節理、裂隙等缺陷,有時也存在斷層、破碎帶和軟弱夾層等,這些問題都必須進行地基處理,即經過處理后壩基滿足下列要求:①具有足夠的抗滲性,以滿足滲透穩定,控制流量;②具有足夠的強度,以承受壩體的壓力;③具有足夠的整體性和均勻性,以滿足壩基的坑滑穩定和減少不均勻沉陷;④具有足夠的耐久性,以防止巖體性質在水的長期作用下發生惡化。
地基處理的措施,包括開挖清理、固結灌漿、破碎帶或軟弱夾層的專門處理,斷層防滲帷幕灌漿、鉆孔排水等。
1.4.3.1 壩基的開挖與清理
壩基開挖清理的目的是將壩體坐落在穩定、堅固的地基上,開挖的深度應根據壩基應力情況、巖石強度及其完整性,結合上部結構對基礎的要求和地基加固的效果、工期、費用等研究確定。
對于超過100m的高壩應建在新鮮、微風化或弱風化層下部的基巖上;壩高50~100m時,可建在微風化或弱風化中部基巖上;壩高小于50m時,可建在弱風化的中部至上部的基巖上;對兩岸較高部位的壩段,其開挖基巖的標準可比河床部位適當放寬。
壩基開挖的輪廓應盡量平順,避免有高差懸殊的突變,以免應力集中造成壩體裂縫。在順河流方向基巖石盡可能略向上游傾斜,以增強壩體的抗滑穩定,必要時可挖成分段平臺。壩基開挖的邊坡必須保持穩定,兩岸岸坡應開挖成臺階以利壩塊的側向穩定。當壩基中有軟弱夾層存在,且用其他措施無法解決時,也可挖掉。
壩基開挖應分層進行,避免爆破基巖被震裂,靠近設計開挖線0.5~1.0m的底層,應用小藥量爆破,最后0.2~0.3m用風鎬開挖,不用爆破。基巖表面應進行修整,使表面起伏不超過0.3m。
壩基開挖后,在澆筑混凝土前,要進行徹底、認真的清理和沖洗,清除松動的巖塊,打掉凸出的尖角,封堵原有勘探鉆洞、探井、探洞,清洗表面塵土、石粉等。
1.4.3.2 壩基的加固處理
壩基加固的目的:①提高基巖的整體性和彈性模量;②減少基巖受力后的不均勻變形;③提高基巖的抗壓、抗剪強度;④降低壩基的滲透性。
1.固結灌漿
混凝土壩工程中,對巖石的節理裂隙采用淺孔低壓灌注水泥漿的方法對壩基進行加固處理,稱為固結灌漿。
固結灌漿的目的是提高基巖的整體性和彈性模量,降低壩基的滲透性,減少滲流量。現場試驗表明,在節理裂隙較發育的基巖內進行固結灌漿后,基巖的彈性模量可提高2倍甚至更多,在防滲帷幕范圍內先進行固結灌漿可提高帷幕灌漿的壓力和灌漿效果。
固結灌漿的范圍主要根據壩基的地質條件、巖石破碎程度及壩基受力情況而定。當基巖較好時,可僅在壩基上、下游應力較大的壩踵和壩趾附近進行,壩基巖石普遍較差而壩又較高的情況下,則多進行壩基全面積固結灌漿。有的工程甚至在壩基以外的一定范圍內,也進行固結灌漿。灌漿孔的布置,采用梅花形的排列,孔距、排距隨巖石破碎情況而定,一般從8~12m開始作為一序孔,逐步加密孔序,最終為2~4m,孔深一般5~8m,帷幕上游區孔深達到8~15m。灌漿時,先用稀漿,而后逐步加大漿液的稠度,灌漿壓力一般為0.2~0.4MPa,在有混凝土蓋重時為0.4~0.7MPa,以不掀動巖石為限,如圖1.43所示。

圖1.43 巖基固結灌漿孔布置示意圖(單位:m)
2.壩基軟弱破碎帶的處理
當壩基中存在較大的軟弱破碎帶時,如斷層破碎帶、軟弱夾層、泥化層、裂隙密集帶等需專門處理,否則,可能由于局部地基承載力低而使壩體應力集中、不均勻沉降或滑動失穩,甚至沿破碎帶發生大量漏水、管涌或增加壩基的揚壓力,危及大壩安全。巖石層間軟弱夾層厚度較小,遇水容易發生軟化或泥化,致使抗剪強度低,特別是傾角小于30的連續軟弱夾層更為不利。
對于傾角較大或與基面接近垂直的斷層破碎帶,可采用開挖回填混凝土的措施,如做成混凝土(塞)或混凝土拱進行加固,如圖1.44所示。當軟弱帶的寬度2~3m時,混凝土塞的高度(即開挖深度)一般可采用軟弱帶寬度的1~1.5 倍,且不小于1m,或根據計算確定。塞的兩側可挖成1:1~1:0.5斜坡,以便將壩體的壓力以混凝土塞(拱)傳到兩側完整的基巖上。如破碎帶延伸至壩體上、下游邊界線以外,則混凝土塞也應向外延伸,延伸長度取1.5~2倍混凝土塞的高度。

圖1.44 破碎帶處理示意圖
1—破碎帶;2—混凝土梁或混凝土塞;3—混凝土拱;4—回填混凝土;5—壩體荷載
對于軟弱的夾層,如淺埋軟弱夾層要多用明挖將夾層挖處,回填混凝土。對埋藏較深的,應結合工程情況分別采用壩踵部位做混凝土深齒土墻,切斷軟弱夾層直達完整基巖,如圖1.45所示;在夾層內設置混凝土塞,如圖1.45(a)所示;在壩址處開挖建造混凝土深齒墻,如圖1.45(b)所示;在壩址下游側巖體內設鋼筋混凝土抗滑樁,切斷軟弱夾層直達完整基巖,或預應力鋼索加固、化學灌漿等,如圖1.45(c)所示,以提高壩體和壩基的抗滑穩定性。
在同一工程中,根據具體情況,常采用多種不同的處理方法。

圖1.45 軟弱夾層處理(單位:m)
1.4.3.3 壩基的防滲和排水
1.帷幕灌漿
帷幕灌漿可降低滲透水壓力,減少滲流量,防止壩基產生機械或化學管涌。常用的灌漿材料有水泥漿和化學漿,應優先采用膨脹水泥漿。化學漿可灌性好,抗滲性強,但容易造成環境污染,且價格很高,故使用時應注意。
防滲帷幕一般布置在靠近上游壩面的壩軸線附近,自河床向兩岸延伸,如圖1.46所示。鉆孔和灌漿常在壩體灌漿廊道內,靠近岸坡可以在壩頂、岸坡或平洞內進行。鉆孔一般為鉛直或向上游不大于10°的斜坡。

圖1.46 防滲帷幕沿壩軸線的布置
1—灌漿廊道;2—山坡鉆進;3—壩頂鉆進;4—灌漿平洞;5—排水孔;6—正常蓄水位;7—原河水位;8—防滲帷幕底線;9—原地下水位線;10—蓄水后地下水位線
防滲帷幕的深度應根據作用水頭、工程地質、地下水文特性確定;壩基內透水層厚度不大時,帷幕可穿過透水層,深入相對隔水層3~5m。相對隔水層較深時,帷幕深度可根據防滲要求確定,常用壩高的0.3~0.7倍,形成河床部位深、兩岸漸淺的帷幕布置形式。
防滲帷幕伸入兩岸的范圍由河床向兩岸延伸一定距離,與兩岸不透水層銜接起來,當兩岸相對不透水層較深時,可將帷幕伸入原地下水線與最高庫水位交點(圖1.46中B點)處為止,在BC以上設置排水,以降低蓄水后庫岸的地下水位。
防滲帷幕的厚度應當滿足抗滲穩定的要求,即帷幕內的滲透坡降應小于容許的滲透坡降。防滲帷幕厚度應以漿液擴散半徑組成區域的最小厚度為準,厚度與排數有關。中高壩可設兩排以上,低壩設一排,多排灌漿時一排必須達到設計深度,兩側其余各排可取設計深度的1/2~1/3。孔距一般為1.5~3.0m,排距宜比孔距略小。還可以在上游壩踵處加一排補強。
帷幕灌漿應在壩基固結灌漿后并要求壩體混凝土澆筑到一定的高度(有蓋重后)施工。灌漿壓力在孔底應大于2~3倍壩前靜水頭,帷幕表層段應大于1~1.5倍壩前靜水頭,但不得抬動巖體。
2.壩基排水
為進一步降低壩基底面的揚壓力,可在防滲帷幕后設置主排水孔幕和輔助排水孔幕(圖1.47)。
主排水孔幕在防滲帷幕下游一側,在壩基面處與防滲帷幕的距離應大于2m,孔深可取防滲帷幕深度的0.4~0.6倍,并向下游傾斜與帷幕成10°~15°夾角,孔距為2~3m,孔徑為150~200mm,孔徑過小容易堵塞,50m以上中高壩的孔深不宜小于10m。所有排水孔幕均在固結灌漿和帷幕灌漿后鉆孔施工。在廊道下面的混凝土內需預埋水平橫向鋼管,滲水通過排水鋼管匯入集水井,自流或抽排向下游。
輔助排水孔幕,高壩一般可設2~3排,中壩可設1~2排,布置在縱向排水廊道內,孔距為3~5m,孔深為6~12m。有時還在橫向排水廊道或在寬縫內設排水孔。縱橫交錯、相互連通就構成了壩基排水系統,如圖1.48所示。如下游尾水較深,歷時較長,宜在靠近壩趾處增設一道防滲帷幕。

圖1.47 防滲帷幕和排水孔幕布置
1—壩基灌漿排水廊道;2—灌漿孔;3—灌漿帷幕;4—排水孔幕;5—100排水鋼管;6—100三通;7—75預埋鋼管;8—壩體

圖1.48 壩基排水系統
1—灌漿排水廊道;2—灌漿帷幕;3—主排水孔幕;4—縱向排水廊道;5—半圓混凝土管;6—輔助排水孔幕;7—灌漿孔
實踐證明:我國新安江、丹江口、劉家峽等重力壩采用壩基排水系統,減壓效果明顯,較常規揚壓力減小30%。浙江、湖南等地設計中采用了抽水減壓,收到了良好的效果。
任務案例1-3 重力壩壩體構造和地基處理
1-3-1 項目任務
設計資料如重力壩設計基本資料所示。根據項目資料確定重力壩的細部構造以及地基處理的方法。
1-3-2 壩體構造
1.重力壩的分縫和止水
兩岸擋水壩段按20m左右分縫,結合地形,施工開挖后設置橫縫;廠房壩段分縫與機組間距相適應。溢流壩段分縫與溢流孔口相適應;因地基較好,設于孔口中間,間距為14.0m。橫縫寬度2cm。
橫縫止水,上游設置兩道止水片和一道防滲瀝青井,下游不設止水,縫中填塞瀝青瑪脂。止水片材料用紫銅片(或不銹鋼片),伸入兩邊壩體長度20cm,伸入基巖30~50cm,并用混凝土緊密嵌固。在溢流壩頂第一道止水片與閘門底部止水接觸(要分叉接在檢修門和工作門底止水處);第二道止水片伸至溢流壩頂后,順溢流壩延伸至下游鼻坎,如圖1.49所示。

圖1.49 溢流壩段止水布置圖(單位:m)
2.廊道
基礎灌漿排水廊道,采用尺寸為2.5m×3.0m(寬×高)上圓下方的標準廊道,廊道底高程143.00+1.5×2.5=146.75m,取147.00m,距上游邊緣距離4m,沿壩軸線方向由地形向兩岸逐漸抬高,斜坡度不大于40°,在兩岸下游洪水位以上均設有進、出口。
3.壩體排水
沿壩軸線方向布置一排預制多孔混凝土豎向排水管,間距3.5m,距上游面2.5m,直徑15cm并與廊道連通。橫向排水管,i=1/200,管入口與廊道的集水溝相連,出口通向下游,將水排水。管徑φ=25cm,間距在與壩的分段相適應的前提下按30~50m進行布置。
1-3-3 基礎處理
1.壩基開挖
壩基面在主河槽挖至143.00m高程,挖到微風化層。斷層開挖后用混凝土填塞。
2.壩基帷幕灌漿
在壩址地質剖面圖上找出相對隔水層,設計深度使防滲帷幕達到單位吸水量ω=0.03~0.05L/(min·m)。按減小滲透壓力的要求,帷幕深度到130.00m高程。只設一排防滲帷幕,鉆孔斜向上游,傾角控制在5°以內(與垂線夾角)。在廊道內施工,孔距一律為3m,以后達不到要求時再加密,帷幕厚度取0.7~0.8倍孔距,取值為2.1~2.4m。
3.壩基排水
壩基主排水孔設在防滲帷幕下游2m處,間距0.8倍帷幕孔距為2.4m,孔徑15cm,深度達133.00m高程(滿足中壩不應小于10m的要求)。次排水孔在廠房壩段設置兩排,孔距為4m,孔深至137.00m高程,主排水管所排之水直接進入帷幕排水廊道,次排水管的滲水由橫向排水溝(管)排向下游。