深覆盖层上建土石坝研究与实践

鲁传银

（河海大学 水工结构研究所，南京 210098）

随着人们对电力需求的急剧增加，原众多地质条件优越的场地都已修建了大坝，使得目前的水利水电建设不得不面临地质条件差且更为复杂的深覆盖层地基.深覆盖层一般指堆积于河谷之中，厚度大于30 m的第四纪松散沉积物［1]，面对这些深覆盖层地基，想完全挖除覆盖层建坝几乎不可能.土石坝坝型对复杂地基的适应性好，且施工运行经验丰富，在深覆盖层上建土石坝已成为一种趋势，其筑坝技术也一直是水利界孜孜以求想要解决好的重点问题.

国内外已有不少建基于深覆盖层的土石坝工程，典型工程见表1.特别是我国未来如大渡河干支流、金沙江、怒江等一些河流的开发都面临着深覆盖层的问题［2]，因此总结归纳深覆盖层上建土石坝的设计和建设经验，分析存在的主要技术问题、研究解决措施，有着重要的意义.本文中，通过工程实例，对深覆盖层建土石坝的关键技术和难点及相应的解决方案做出分析总结，特别针对主要存在的坝基渗漏和渗透稳定问题进行了具体的分析.应用了Fortran语言编制的二维渗流分析程序，对采用混凝土防渗墙防渗的具体工程进行渗流计算，计算结果表明其防渗效果良好.因此在深覆盖层上建土石坝时，建议采用以混凝土防渗墙为主的防渗型式进行防渗，特别对于厚度超深的覆盖层，可采用混凝土防渗墙下接帷幕灌浆的联合垂直防渗措施进行防渗.

表1 国内外建在深覆盖层上的主要土石坝

1 深覆盖层上建土石坝存在的问题

据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的土石坝工程，约有一半事故是由于坝基渗透破坏、沉降太大或滑动等因素导致的.我国在已建的土石坝工程中，约35%～40%的工程是由于渗流控制及防渗措施不当以致存在隐患和发生事故［1].由此表明，在深覆盖层上建土石坝时，渗漏、渗透稳定，沉陷、不均匀沉陷及砂土液化等问题较突出.

1.1 坝基渗漏与渗透稳定问题

由于砂砾石覆盖层地基的透水性较强，坝基覆盖层渗流量会较大，容易产生渗透变形和渗透破坏，因此渗漏及渗透稳定问题是覆盖层地基存在的主要问题，应采用适宜的防渗和排渗措施，降低坝基渗流的水力梯度，确保坝基的安全稳定.覆盖层坝基的防渗措施有水平防渗措施和垂直防渗措施，工程中主要以垂直防渗为主；排渗措施主要采用排水褥垫、反滤盖重、减压井、反滤排水沟等.在设计中，应根据土石坝坝型和深覆盖层性质，对防渗方案进行综合比较选择，以达到安全、经济、合理的要求［3].

1.2 坝基沉降及不均匀沉陷问题

深覆盖层地基，具有结构松散、岩层不连续、岩性在水平和垂直两个方向上均有较大变化等性质，会加大坝体的沉降.特别是地基的不均匀沉降对坝体的安全稳定存在很大的威胁，如可能加大土石坝心墙的拱效应、产生坝体裂缝、恶化坝体与基地防渗结构的受力条件及影响二者连接处的安全等.因此应综合考虑场地和水文地质条件、坝体对地基要求、坝体结构类型和地基型式、周围环境条件、材料供应情况、施工条件等因素，对覆盖层一定范围内的浅层地基做出加固处理，以控制覆盖层地基的不均匀沉降.

1.3 坝基砂层液化问题

深覆盖层地基组成成分复杂、岩层不连续，一般都夹有砂层.深覆盖层砂层在地震等的作用下，会使孔隙水压力急剧增长，来不及消散，使土中的有效应力削弱或丧失，形成液化地基，特别是我国西南地区是中强地震频繁活跃的重点地区，频繁的地震作用可能会引起地基的液化.应对这些深覆盖层存在的可能液化砂层分析判别，并作相应的工程处理措施［4].

2 坝基渗漏与渗透稳定问题

2.1 防渗方案

1）水平防渗方案.水平防渗措施主要采是用上游粘土铺盖的方式.当对深覆盖层采用混凝土防渗墙或帷幕灌浆等垂直防渗措施缺乏实际工程条件或造价过高时，可采用水平铺盖方案，特别是当上游地形有利、存在天然铺盖或坝前淤积物较厚可以利用的时候.同时根据“上堵下排”的渗控设计原则，应设置有效的排渗措施进行辅助.巴基斯坦的塔贝拉土斜墙堆石坝是采用水平防渗的典型工程.该坝高147m，建基于最厚达230m的砂砾石覆盖层上，采用上游长1 432m、厚1.5～12m的水平粘土铺盖防渗，同时在下游坝址设置减压井排渗.该工程于1975年建成，但是在1974年蓄水后，曾发生100多个塌坑，在经过抛土处理后才趋于稳定.由此也说明了水平防渗方案的一个缺点，即防渗效果有限，不如垂直防渗效果来的好，对高坝、复杂地基及防渗要求高的工程应慎用.

2）垂直防渗方案.垂直防渗措施包括截水墙、混凝土防渗墙、帷幕灌浆，对于深覆盖层，以混凝土防渗墙的应用最为广泛.混凝土防渗墙对复杂地基适应性好，造价较低，防渗效果也最为突出，是现代深覆盖层上建土石坝采用的主要防渗措施；帷幕灌浆防渗效果没有混凝土防渗墙好，但是其灌浆深度大（可达100 m以上），在深层覆盖层底部，由于受现代施工技术的局限性，混凝土防渗墙的施工比较困难，可考虑使用帷幕灌浆进行防渗.随着工程遇到的覆盖层深度的加厚，地质条件更加复杂，近年来国内外的一些工程，也采用混凝土防渗墙下接帷幕灌浆的联合垂直防渗措施.一方面考虑到深层覆盖层底部帷幕灌浆施工较混凝土防渗墙要快速，可缩短工期；另一方面防渗效果也较好，可满足工程的要求.综合实际情况考虑，采用强接幕的方式，在满足安全的前提下，可更加经济合理.如国内已建成的冶勒沥青混凝土心墙堆石坝，覆盖层为冰水堆积覆盖层，最大深度达400m，采用混凝土防渗墙及帷幕灌浆联合防渗方案，防渗墙厚度为1～1.2m，最大深度为左岸53m、河床74m、右岸140 m，其防渗效果良好；在建的新疆下坂地沥青混凝土心墙堆石坝，同样是采用了85m混凝土防渗墙下接4排161m深帷幕灌浆，坝基覆盖层最深为148m，帷幕深入基岩，防渗墙厚度为1m.

2.2 混凝土防渗墙结构设计

采用混凝土防渗墙防渗，需对防渗墙的深度、厚度以及细部结构进行设计，同时对其布置形式做出研究.另外，还可能需考虑防渗墙与岸坡的连接、高出建基面部分的防渗墙的配筋等问题［5].

对于混凝土防渗墙的深度设计，需要根据覆盖层厚度、作用在防渗墙上的水头、渗流场分析及施工设备等因素确定.对于具体工程来说，应尽量采用封闭式，因为其防渗效果要比倒悬式好；若对于深厚覆盖层的坝基采用倒悬挂式防渗墙而不能完全对覆盖层封闭时，防渗体下游的坝底会出现一定的渗水渗流，因此须在防渗体下游的坝底设置反滤层以及在下游坝坡脚设置排水沟［6].防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性、墙体应力和变形的要求，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素，国内防渗墙设计并无标准规范.根据大量的工程实例总结（见表1），目前国内采用的混凝土防渗墙厚度范围在0.8～1.4m，而主要以0.8m、1.0m和1.2m为主.

防渗墙细部构造设计包括防渗墙嵌入基岩的深度及与坝体防渗结构的连接型式、墙下基岩帷幕灌浆等.当采用全封闭式方案时，原则上混凝土防渗墙底部应嵌入相对不透水层1m左右；防渗墙顶部与大坝防渗体的结合部位，是渗漏的薄弱环节，易引起集中渗漏，必须妥善处理，当防渗墙底部基岩渗透性较强时，应进行墙下帷幕灌浆处理.

2.3 坝基防渗墙与大坝防渗体的连接型式

目前主要包括混凝土防渗墙与土质心墙、混凝土防渗墙与混凝土面板的连接形式的研究.

混凝土防渗墙与土质心墙的连接方式主要有廊道式和插入式.采用廊道式时，接头方式有刚接头、软接头和空接头，应根对具体工程综合比较后选择合适方式，同时需对接头的位置、廊道外轮廓形状、周围填料性质等作出具体研究.插入式中以刚性混凝土插入式最常见，应用也越来越广泛，国内外实际工程中已有此型式较丰富的设计、建造及运行经验.此类方案的主要研究问题为墙体插入心墙高度，其高度主要取决于防渗效果，一般大于10%防渗墙承担的最大水头.应注意，防渗墙与覆盖层之间摩擦力是影响防渗墙受力的主要因素，因此在防渗墙施工中尽量选用合适的施工机械与施工方法，保证槽孔壁的平整及墙体的铅直，并选配最佳泥浆浓度，确保泥皮有一定的厚度.此外，可将防渗墙项部做成顶端为圆弧形的楔形体，且在防渗墙顶填筑一定厚度的高塑性粘土，以缓解墙顶土体与其两侧土体的不均匀沉降、改善墙体和墙顶周围土体的应力状态，保证墙顶土体与防渗墙接触面结合良好.

混凝土防渗墙与混凝土面板的连接形式大致可分为4种类型，①通过水平趾板、连接板和防渗墙水平连接，或称为水平趾板分缝型式；②通过水平趾板和防渗墙水平连接，或称为水平趾板不分缝型式；③通过多块连接板整体上形成拱形和防渗墙连接；④通过座落在防渗墙顶上的趾板或重力式挡墙和防渗墙连接.类型①②均属通过水平趾板水平连接的方式，是覆盖层上面板坝混凝土面板和防渗墙连接的普遍型式，是目前最常用的型式.水平趾板分缝与否一般取决于坝高、覆盖层厚度等因素.一般来说.坝越高、覆盖层越厚，趾板和防渗墙之间的相对沉陷差越大，要求趾板有较好的柔性以适应地基变形，这就需要设置宽且分缝的趾板来满足这一要求，且接缝均采用柔性止水.同时，为了更好地吸收趾板和防渗墙之间的不协调变形，还可采用面板通过趾板和连接板与防渗墙连接，在趾板和连接板下设置浇筑式沥青混凝土或沥青砂浆等柔性辅助防渗，并使连接板整体上呈拱形的方案，该方案适用于强震区深厚覆盖层上的高面板堆石坝，因为此类高坝在强地震作用下，坝体将产生较大的永久变形，并使面板上部受拉而下部受压，趾板和防渗墙之间的不协调变形较大，运用此方案可较好的解决这些问题［7].

3 渗流有限元分析原理

3.1 支配方程

对于服从达西定律的饱和渗流，在无源无汇的情况下，在由边界Г所围成的渗流场区域Ω中，水头函数h满足下列支配方程［8]：

式（1）是考虑了固相颗粒和水体压缩性的非稳定渗流微分方程式，式中h＝h（x，y，z，t）为水头函数；kx，ky，kz分别为x，y，z方向上的渗透系数；Ss为单位贮存量，Ss＝ρg（α＋nβ），即单位体积的饱和土体，当下降1个单位水头时，由于土体压缩（ρgα）和水的膨胀（ρgnβ）所释放出来的贮存水量，α为固相颗粒的压缩模量，β为水的压缩性，β＝5×10－6cm2／N.

当不考虑水体和固相颗粒的压缩性时，即Ss＝0，式（1）变为

式（3）即为饱和稳定渗流微分方程式，可见，稳定渗流是非稳定渗流的特例.

3.2 定解条件

求解稳定渗流方程时，只需列入边界条件，此时的定解问题常称为边值问题；求解非稳定渗流方程时，需同时列入初始条件和全过程的边界条件.

1）初始条件

2）边界条件

水头边界条件

流量边界条件

3.3 变分原理及有限单元法

设在渗流场Ω上定义水头函数集合C.则根据变分原理，上述初边值问题（1）（3）（4）（5）的求解应等于如下泛函所求的极值.

不失一般性，设单元的基函数Ni是由单元体相应的M个结点的位置坐标构成，最终通过泛函的计算可得如下矩阵形式：

式中，｛F｝为已知常数项，由已知水头结点贡献得出.

对时间取隐式有限差分，则上式变为

这就是最后求解的线性代数方程组.当矩阵［S]等于0时，即得Ss＝0的不可压缩土体的非稳定渗流有限元法计算公式

而［P]亦为0时，上式则变为三维空间稳定渗流有限元法的计算公式，即

3.4 自由面的确定

在渗流计算过程中，自由面边界除了满足条件∂h／∂n＝0外，还应满足水头边界条件h＝z（z为竖向坐标）.由于自由面为待求的未知边界，计算时先假定一自由面的位置，利用自由面边界条件∂h／∂n＝0，求出渗流场的水头函数值.利用求得的自由面结点水头值同其结点z坐标值比较是否相等，若不相等，则以计算的自由面结点水头值代替原假定的浸润面位置，重新计算.如此反复调整，直到满足一定的精度为止.

4 某坝渗流分析

某坝采用土质心墙堆石坝，坝顶高程856m，最大坝高186m，坝顶长583m，正常蓄水位850m，正常尾水位670m.大坝坐落在厚达75.4m的砂砾石覆盖层上.该坝地基采用两道全封闭的混凝土防渗墙防渗，深70m，厚1.2m.本文采用FORTRAN语言编制成的二维饱和土渗流计算程序进行计算，计算模型如图1所示.整个模型共划分为1 678个结点，1 634个单元，各材料渗透系数取值见表2.

图1 计算模型

表2 模型渗透系数取值

计算工况为正常蓄水位，计算结果如图2所示（图中坝体下游轮廓线未画出，以浸润线代替）.从结果中可以看出，该坝采用两道混凝土防渗墙形式防渗，具有很好的防渗效果.心墙下游出渗点位置大约在672.5m处，已基本隔断坝基渗透.

图2 渗流计算结果

5 结 语

随着水利水电事业的发展，在深覆盖层上筑坝已成为一种趋势，特别是对地基适应性强的土石坝工程.对于深覆盖层上建土石坝所存在的坝基渗漏与渗透稳定、坝基沉降及不均匀沉陷、坝基砂层液化等问题，工程中分别采取了相应的解决措施，已取得了不少成功的经验.针对主要存在的坝基渗漏和渗透稳定问题，根据文中具体的分析研究表明，采用混凝土防渗墙进行防渗的效果良好，建议采用以混凝土防渗墙为主的防渗型式进行防渗，特别对于厚度超深的覆盖层，可采用混凝土防渗墙下接帷幕灌浆的联合垂直防渗措施进行防渗.虽然各种工程技术在不断发展着，但也有着其局限性，对于深覆盖层上的土石坝研究还存在一些问题有待进一步研究.例如对于文中建议的混凝土防渗墙防渗型式，国内外分别有采用单道和两道防渗墙的工程实例，那么针对具体工程，应如何确定选取几道防渗墙进行防渗，目前还没有类似的文献进行分析说明，有待深入研究.

［1]陈海军，任光明，聂德新.河谷深厚覆盖层工程地质特性及其评价方法［J].地质灾害与环境保护，1996，7（4）：：53－59.

［2]许 强，陈 伟，张倬元.对我国西南地区河谷深厚覆盖层成因机理的新认识［J].地球科学进展，2008（5）：448－456.

［3]沈长松，王世夏，林益才，等.水工建筑物［M].北京：中国水利水电出版社，2008.

［4]顾淦臣.土石坝地震工程［M].南京：河海大学出版社，1989.

［5]邓春生，赵 坚，任 杰，等.古河槽深覆盖层渗流控制措施［J].武汉大学学报：工学版，2011，44（2）：161－165.

［6]蔡元奇，朱以文，周鸿汉，等.深厚覆盖层上堆石坝采用倒悬挂式防渗墙的渗流场特性研究［J].岩石力学与工程学报，2005：5658－5663.

［7]沈 婷，李国英，李 云，等.覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究［J].岩石力学与工程学报，2005（14）：2589－2592.

［8]毛昶熙，段祥宝，李祖贻，等.渗流数值计算与程序应用［M].南京：河海大学出版社，1999.