新疆乌苏市某水库第四系深厚覆盖层透水坝基防渗设计

王永伟

(新疆塔城地区水利水电勘察设计院，新疆塔城 834700)

1 背景资料

新疆某水库大坝处在峡谷区，坝址河床段宽约80 m，河床覆盖层地层岩性为卵石混合土，据钻孔资料，该层厚28.6～58.2 m，岩性分布稳定，仅局部夹薄层砾砂透镜体，无淤泥、砂等软弱夹层。该层天然密度1.96～2.13 g/cm3，相对密度Dr=0.35 ～0.69，纵波速度Vp=1 351 ～1 790 m/s。根据地震面波速度把河床覆盖层自上而下分为3个小层:①表层(＞2.5 m)，结构松散，面波速度 Vr=140～250 m/s;②中部(2.5～23 m)，结构稍密 ～中密，面波Vr=260～550 m/s;③下部(＜23 m)，结构密实，面波Vr=800～880 m/s，具弱胶结结构。据钻孔抽水试验，该覆盖层渗透系数2.32×10－2～7.52×10－3cm/s，属强透水性，做坝基应采取防渗处理措施。坝基允许承载力400 kPa，变形模量35～45 MPa。工程区地震设防烈度Ⅷ度。

2 透水坝基防渗型式的选择

在透水坝基防渗处理中，防渗型式大体上分为两种:①水平防渗(主要是上游水平防渗铺盖);②垂直防渗(包括防渗墙、防渗帷幕灌浆以及两者之间多种组合型式等)。水平防渗具有施工简便、建造成本低，但其只能起到延长渗径的作用，不能像垂直防渗设施那样可以完全截阻渗流，防渗效果有一定限度，而且其运行和后期维护都存在一些问题，不适用于地层条件复杂、渗流系数较大且防渗要求较高的大中型工程;垂直防渗可以在坝基形成完整的墙(幕)体，能够完全截断坝基渗流，而且地层的适应性强，运行稳定可靠，也便于后期维护和检修，是大多数水利工程采用的防渗型式。由于垂直防渗技术在深厚砂砾石层防渗处理方面具有上述诸多优点，因此在我国水库大坝地基防渗处理中应用较为广泛。在技术可能、经济合理的前提下，应优先采用垂直防渗方案。

结合本水库坝基河床段覆盖层地层条件，坝基为强透水的深厚砂砾石覆盖层，最深达58.2 m，且坝基防渗要求较高，因此本水库工程坝基防渗推荐采用垂直防渗型式。结合国内外已建工程的成功经验，本水库工程坝基垂直防渗处理采用槽孔混凝土防渗墙和岩基帷幕灌浆两者组合的型式。

3 槽孔混凝土防渗墙定义及优缺点

混凝土防渗墙是在松散透水地基或土石坝(堰)坝体中连续造孔成槽，以泥浆固壁，在泥浆下浇筑混凝土而建成的，起防渗作用的地下连续墙，是保证地基稳定和大坝安全的工程措施。槽孔是为浇筑防渗墙墙段而钻凿或挖掘的狭长深槽。与其它防渗型式比较起来，混凝土防渗墙有如下优点和缺点:①防渗性能和效果可靠;②墙体的渗透和力学性能可根据地层和结构要求进行设计和控制;③成孔、成墙的垂直精度高，成墙的厚度有保证;④施工方法成熟，检测手段比其它隐蔽工程成熟，可以确保达到预期的目标;⑤可适应于各种地质条件，尽管施工有难易之分，但以目前的技术都可建成防渗墙;⑥施工的技术要求较高，价格可能较高。

4 槽孔混凝土防渗墙墙体结构及设计指标的确定

4.1 墙体材料的选择

槽孔混凝土防渗墙墙体材料根据其抗压强度和弹性模量，可以分为刚性材料和柔性材料。刚性材料一般抗压强度＞5 MPa，弹性模量＞2 000 MPa，有普通混凝土(包括钢筋混凝土)、黏土混凝土、粉煤灰混凝土等。柔性材料一般抗压强度＜5 MPa，弹性模量＜2 000 MPa，有塑性混凝土(砂浆)、自凝灰浆、固化灰浆等。结合本水库工程坝基覆盖层特点，覆盖层较深，要求其防渗墙有较高的抗压强度，还要有较强的适应地基变形的能力，同时考虑经济合理和混凝土浇筑施工方便等因素。而黏土混凝土是在混凝土中掺加一定量的黏土，不仅可以节约水泥用量，还可降低混凝土的弹性模量，使混凝土在保证较高抗压强度的情况下具有更好的变形性能，同时也改善了混凝土拌和物的和易性，使浇筑时不易堵管。黏土混凝土早期强度较低，特别有利于接头孔的钻凿，给施工带来了很大的方便。在我国已修建的防渗墙中约76%用的是黏土混凝土，黏土的掺加率一般为水泥和黏土总重量的12%～20%。综上所述，本水库工程坝基槽孔混凝土防渗墙墙体材料推荐采用黏土混凝土。

4.2 墙体厚度的确定

墙体厚度主要由防渗要求、抗渗耐久性、墙体应力和变形以及施工设备等因素确定，其中最重要的是抗渗耐久性和结构强度两个因素。防渗墙在渗透作用下，其耐久性取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用，由于这两种侵蚀破坏作用都与水力梯度密切相关，因此目前在防渗墙设计中是根据防渗墙破坏时的水力梯度来确定防渗墙厚度δ的，即:

式中:δ为防渗墙的墙体厚度，m;Jp为防渗墙的允许水力梯度;H为防渗墙的设计水头，m。

本水库工程防渗墙的设计水头H=64.53 m;根据文献［5］规定，黏土混凝土防渗墙允许水力梯度Jp为80～150。经计算，δ=0.43～0.81 m。结合我国已建类似大型混凝土防渗墙工程的设计经验，见表1，同时结合本工程坝基覆盖层地层条件，经技术、经济等综合比较分析，最终确定本水库工程坝基槽孔混凝土防渗墙的厚度为0.8 m，最大墙深为54.0 m。

表1 我国部分已建大型混凝土防渗墙工程情况表 m

4.3 混凝土防渗墙抗压强度及弹性模量的确定

根据文献［5］规定，黏土混凝土防渗墙抗压强度为7.0～12.0 MPa、弹性模量为12 000～20 000 MPa。结合本工程坝基槽孔混凝土防渗墙特点，为保证其有较高的强度，同时还具有较高的适应变形能力，经室内黏土混凝土防渗墙配合比试验和施工现场配合比复核，最终确定本水库工程坝基槽孔混凝土防渗墙设计抗压强度为10.0～12.0 MPa，设计弹性模量为12 000～18 000 MPa。

4.4 混凝土防渗墙抗渗等级的确定

根据文献［5］规定，黏土混凝土防渗墙抗渗等级≥W4、渗透系数≤7.8×10－9cm/s。结合本工程坝基槽孔混凝土防渗墙特点，坝前设计水头为64.53 m，防渗要求较高，经室内黏土混凝土防渗墙配合比渗水试验和施工现场配合比复核，最终确定本水库工程坝基槽孔混凝土防渗墙设计抗渗等级为W8。

5 结论

截止发稿日，本水库工程坝基槽孔混凝土防渗墙已施工完毕，经开挖检查和现场取芯检测，防渗墙墙体厚度平均值为0.82 m，抗压强度平均值为12.4 MPa，弹性模量平均值为15 567.15 MPa，渗透系数平均值为 1.81 ×10－9cm/s，均满足设计要求。目前，本工程坝基槽孔混凝土防渗墙已顺利通过隐蔽工程验收。2012年06月水库蓄水后至今，防渗墙各方面运行良好。

［1］高钟璞.大坝基础防渗墙［M］.北京:中国电力出版社，2000.

［2］杨光熙.砂砾石层地基防渗工程［M］.北京:水利电力出版社，1993.

［3］宋玉才.砂砾石地基垂直防渗［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

［4］丛蔼森.地下连续墙的设计施工与应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［5］DL/T 5199—2004水电水利工程混凝土防渗墙施工规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2004.