深厚粘土层上坝体设计

赵鹏飞

（辽宁省水利水电勘测设计研究院 辽宁沈阳 110006）

深厚粘土层上坝体设计

赵鹏飞

（辽宁省水利水电勘测设计研究院 辽宁沈阳 110006）

本文简要阐述了在库区存在大量透水性较差覆盖层，可以利用当地粉土及粉质粘土修筑坝体及水平铺盖；并利用水平防渗取代悬挂式垂直防渗的措施及利用下游设置排水减压井来减少坝体及坝基渗漏对下游的浸没影响。

粉土夹粉质粘土 水平铺盖 排水减压井

1 工程概况

德日苏宝冷水库位于内蒙古自治区赤峰市巴林右旗境内，距上游巴林右旗政府所在地大板镇11km，是查干沐沦河干流唯一的骨干工程，位于河流下游，水库控制流域面积8427.4km2，占全流域总面积的73.3%。水库的任务是生态保护、工业和灌区供水等综合利用。

水库副坝位于友爱村东北约1.0km处，两侧为低山，地形舒缓，山顶呈浑圆状，高程介于625.0～650.0m之间；中间地形相对平坦，宽约800.0～1000.0m，现为草地，高程介于600.0～607.0m之间，低于水库正常蓄水位604.6m，需建副坝。副坝采用直线型布置。

2 副坝工程地质条件

副坝地层岩性为冲洪积的砂砾石层、卵石层，副坝位置为查干沐沦河的古河道。覆盖层较厚，基岩埋藏较深。坝基地层岩性分述如下：

第⑴层：耕植土。黄色，为粉土夹少量粉质粘土，富含植物根系，结构松散，此层较薄，最大层厚0.5m，层底埋深0.5m。副坝坝址区均有分布。

第⑵层：粉土。黄色，局部夹粉质粘土薄层或透镜体，沉积类型为风积，此层厚度变化较大，层厚介于1.7～12.7m之间，层底埋深介于2.0～13.0m之间，副坝坝址区均有分布。

（2-1）层：坡积碎石土，主要由碎石、粘性土、中细砂等组成，灰黑色，仅揭露于副坝左岸绕坝渗漏段钻孔GFK1、FK7及FK8中，层底埋深14.5～23.0m，最大层厚为14.3m。

第⑶层：中细砂。灰白色，呈稍密～密实状态，主要矿物成分为石英、长石等，此层厚度变化亦较大，层底埋深13.6～16.0m，最大层厚9.2m之间，副坝坝址区均有分布。8

第⑷层：砾砂，灰白色，呈稍密～中密状态。该层为古河道河底冲洪积物，层间夹粉土、粉质粘土、中细砂薄层或透镜体。该层颗粒不均，最大粒径大于5cm。层底埋深67.0～77.0m，层厚44.0～63.4m。副坝坝址区均有分布。

（4-1）层：中细砂，为夹层，灰白色，揭露于钻孔FK6(A-6)、FK4中，埋深分别为64.0～66.0m，48.5～54.5m。

第⑸层：卵石夹粘性土，灰色，卵石磨圆度较好，最大粒径大于20cm，仅揭露于钻孔FK2、FK4、FK7中，埋深88.0～95.0m，层厚12.0～20.2m。

（5-1）层：粉质粘土夹层，灰黄色，可塑，揭露于钻孔FK4中，埋深86.0～88.2m。

第⑹层：碎石土，主要由碎石、砾石、中细砂、粘性土等组成，主要为堆积、冲洪积而成，灰黄色，仅揭露于钻孔FK4中，埋深94.0～103.0m。

第⑺层：安山岩。灰紫色，质地坚硬，具气孔、杏仁构造，仅钻孔FK4揭露若风化（埋深约107m，高程497.4m），其他钻孔均揭露为强风化。

3 坝顶高程确定

坝顶超高计算采用《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中有关公式计算：

y=R+e+A

式中：

y—坝顶超高(m)；

R—最大波浪在坝坡上的爬高(m)；

e—最大风壅水面高度(m)；

A—安全加高(m)。

德日苏宝冷水库副坝为三级建筑物，正常运用情况坝顶安全加高A=0.7m，非常运用情况坝顶安全加高A=0.4m。最大波浪在坝坡上的爬高R及最大风壅水面高度e，按规范莆田试验站公式计算。德日苏宝冷水库副坝多年平均年最大风速为22.1m/s，吹程根据万分之一军委图量得为2540m。坝顶超高计算成果见表1。

表1 坝顶超高计算成果表

坝顶高程计算，设计洪水位的坝顶高程为设计洪水位加坝顶超高：

坝顶高程=603.800+3.476=607.276(m)。

正常蓄水位的坝顶高程为正常蓄水位加坝顶超高：

坝顶高程=604.600+3.593=608.193(m)。

校核洪水位的坝顶高程为校核洪水位加坝顶超高：

坝顶高程=604.600+2.255=606.855(m)。

以上坝顶高程取大值，所以坝顶高程为608.200m。

4 副坝坝体结构设计

副坝坝型为粉土夹粉质粘土均质坝，坝顶高程为608.20m，坝长为520.86m，最大坝高8.30m，坝顶宽度5.5m，上游坡坡比为1:3，下游坡坡比1:2.75。坝顶采用沥青混凝土路面，路面由4cm的沥青混凝土、20cm水泥稳定结构层、20cm的碎石垫层组成。坝顶从中央向两侧倾斜，坡度为2%。上游护坡采用20cm厚混凝土板护坡，其下设5cm厚M10砂浆、20cm厚碎石垫层，垫层下设250g/m2土工布反滤和130cm厚砾砂料，上游护坡下为顶宽0.5m、底宽1.3m、深2m的混凝土护脚。下游护坡采用30cm厚碎石护坡。混凝土护坡板、混凝土护脚抗压抗冻性能指标均为C20F200。

4.1 副坝筑坝料特性

⑴ 砂砾料的设计要求：设计干密度≥ 2.14 t/m3，最大粒径40mm，垫层料填筑相对密度不小于0.7。

⑵ 粉土夹粉质粘土的设计要求：压实度不小于97%。

⑶ 粉土的设计要求：压实度不小于97%，渗透系数不大于2.05×10-5cm/s。

⑷ 碎石护坡、垫层及排水沟：粒径为5～100mm级配较好, 最大吸水率小于10%，冻融损失小于1%，碎石填筑相对密度为0.70。

4.2 副坝基础处理设计

坝基基面清理范围包括坝身、上下游护坡的基面，其边界在设计基面边线外1m，坝体置于耕植土下0.2m。坝体填筑前基础应进行碾压处理，压实度不小于0.97。坝体填筑之前，对坝基表层的淤泥、腐植土、杂草、树木与植物根系、种植土层等都应该全部清除，清基土清运至坝脚外整平。

4.3 副坝基础防渗措施

4.3.1 铺盖设计

初步设计阶段在坝底上游1/3处设有悬挂式帷幕，防渗帷幕总长1149m，其中坝基帷幕长749.564m，左岸绕坝帷幕线延长424m，右岸绕坝帷幕线延长47.436m，防渗帷幕布置1排灌浆孔，孔深30，孔距2m，顶部嵌入粉土内3m。灌浆浆液采用水泥粘土浆，最大灌浆压力0.3Mpa。

经分析，副坝悬挂式帷幕防渗对渗漏量的影响较小，对下游出逸比降有一定作用，通过加强上游水平铺盖防渗措施可以达到同样的目的和效果。坝线修改前，对副坝附近的粘土铺盖进行了进一步详查，副坝坝址区天然粉土层最大厚度6.2m，最小厚度2.4m，平均厚度3.8m；粉土的最大渗透系数为1.21×10-3cm/s，最小渗透系数为2.28×10-4cm/s，平均渗透系数为2.05× 10-4cm/s，从粉土的分布、厚度及渗透系数看，该粉土层可做副坝的天然铺盖。

因此可采用加长水平铺盖取代原设计的水平铺盖加垂直帷幕的方案。故在坝前增设100m长的人工铺盖，人工铺盖两侧延伸到水库正常蓄水位604.6m，人工铺盖由两层组成，下层利用天然粉土碾压而成，厚1m，上层为后铺粉质粘土，厚1m，人工铺盖总厚度为2m。

4.3.2 排水减压井与排水沟

在副坝下游150m处设排水减压井，排水减压井设在纵向排水沟内，减压井井径采用60cm，井距8m，深入到强透水层的深度为25m。井管材料为PVC-D管，采用PVC-D套管焊接而成；管材内外壁应光滑、平整，不允许有气泡、裂纹、凹陷、色泽不均及分解变色线，管材端部应切割平整并应与轴线垂直；公称外径dn为250mm，环刚度为8（壁厚为7.3mm），单节长度偏差为+20mm，-10mm；滤孔采用圆孔，孔径为12～14mm，开孔率为14%，梅花形布置；滤花管外壁包一层250g/㎡的土工布，土工布外围螺旋缠绕细铁丝；滤管底部用直径为250mm的PVC-D板焊接封口；井盖采用PVC-D板，出水口采用浆砌石井台，井帽采用素混凝土；回填砂粒料要求级配良好，粒径为1.5～15mm；回填素混凝土标号为C10。PVC-D管的物理力学性能和动能试验要求见表2。

坝体下游坝脚处设贴坡排水，范围为坝脚至坝体浸润线以上2.0m。贴坡排水下设土工布反滤，土工布规格为250g/m2。碎石护坡自坝顶护至坝脚，坝脚处设纵向排水沟，排水沟内填碎石作为压重，

自纵向排水沟到友爱村外的河漫滩设置横向排水沟，形成完整的排水系统，排水减压井渗水沿横向排水沟排至河道。

表2 PVC-D管的物理力学性能和动能试验要求

5 结束语

工程于2010年竣工后，现已运行3年多，从目前情况来看，副坝下游的渗流量与原设计采用的水平铺盖加垂直帷幕的方案相近；且采用坝后排水减压井，并未抬高下游友爱村的地下水位，目前运行良好。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.030

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1672-2469（2014）08-0095-03

赵鹏飞（1984年—），男，工程师。