胶凝砂砾石坝防渗措施及应力分析

张凤德，李秀文，彭云枫，王万顺

（1.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 3.三峡大学，湖北 宜昌 443002）

胶凝砂砾石坝防渗措施及应力分析

张凤德1，李秀文2，彭云枫3，王万顺2

（1.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 3.三峡大学，湖北 宜昌 443002）

由于胶凝砂砾石材料抗渗性能较差，采用其筑坝时需专门设计防渗措施进行坝体挡水。本文对胶凝砂砾石坝钢筋混凝土面板防渗措施，及新提出的高强度胶凝砂砾石面板和高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜两种新型防渗措施进行渗流分析、考虑渗流作用的应力分析。计算结果表明：钢筋混凝土面板防渗效果较好，高强度胶凝砂砾石面板防渗效果较差；钢筋混凝土面板主应力最大、坝趾应力集中较为明显，高强度胶凝砂砾石面板和高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜应力分布较为均匀。

胶凝砂砾石坝；防渗措施；渗流分析；应力分析

1 研究背景

胶凝砂砾石坝使用放宽要求的贫碾压混凝土，或称为碾压胶结砂石材料，坝体体型介于堆石坝和混凝土重力坝之间［1-2］。由于筑坝的胶凝砂砾石材料中水泥等胶结材料用量较低、骨料级配离散等原因，材料抗渗性能较差，材料渗透系数在10-6m/s量级左右，因此需要在坝体上游迎水面选择适宜的防渗措施实现挡水功能。坝体防渗措施通常设计为防渗层，防渗层材料可以采用常规混凝土、碾压混凝土、富浆胶凝砂砾石材料［3］等。贾金生等［4-5］通过试验研究得出，变态胶凝砂砾石、富浆胶凝砂砾石均具有良好的力学性能及抗渗、抗冻和耐久性能，可作为胶凝砂砾石坝上、下游防渗保护层及基础垫层。刘文拯等［6］认为，上游设置垂直防渗墙或铺盖式灌浆后，坝基的渗流基本能够控制，如果还在坝踵处设置排水孔，坝体的浸润线将会大幅度降低，坝基和坝体各处的渗透坡降减小，而面板和防渗墙或铺盖承担的坡降增大。

胶凝砂砾石材料抗渗透溶蚀能力较弱，需要做好上游面的防渗保护，避免渗透溶蚀危及大坝安全，另外考虑到温度等环境荷载的作用，应设置保护层进行保护。实际工程中一般将防渗层与保护层综合考虑，例如土耳其的Cindere坝［7］，当地的气候条件相当复杂，冬季寒冷多雨雪，夏季高温干燥，坝体上游防渗系统由PVC防渗膜和PVC上覆1 m厚的预制混凝土面板构成。日本的胶凝砂砾石坝［8］多采用混凝土防渗层进行防渗，土耳其Oyuk胶凝砂砾石坝［9］的上游防渗保护层采用钢筋混凝土面板。胶凝砂砾石坝坝体防渗措施除满足抗渗要求外，还应满足应力、稳定等要求。已建工程中，胶凝砂砾石坝的防渗方式主要有钢筋混凝土面板、常态混凝土和变态碾压混凝土。

基于以上分析，本文提出高强度胶凝砂砾石面板、高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜两种胶凝砂砾石坝新型防渗措施，并通过渗流、应力计算分析对比钢筋混凝土面板防渗措施与新型防渗措施的防渗和受力效果，后期供胶凝砂砾石坝设计时参考。

2 胶凝砂砾石坝防渗措施

2.1钢筋混凝土面板面板防渗只在坝体上游面设置防渗钢筋混凝土面板和排水系统，坝体内部不做任何处理，在面板后设置渗漏收集管道，集中到上游面板后的排水管道中。面板下的排水系统要保证胶凝砂砾石材料干燥并避免扬压力发展，防止由于浸析作用而导致材料老化，本文计算时将排水系统按照排水孔处理。面板在胶凝砂砾石坝体完成后利用滑模在宽12 m竖板形成的分块内浇筑，面板在坝肩处与坝基面相连，在河床处与普通混凝土块相连。面板厚度采用下式计算：

式中：t为面板厚度，m；H为距坝顶的距离，m。

钢筋混凝土面板防渗胶凝砂砾石坝设计坝高100 m，上游水位95 m，下游5 m，坝体结构如图1所示。

2.2高强度胶凝砂砾石面板目前，胶凝砂砾石坝防渗层采用常态混凝土防渗层的较多，钢筋混凝土面板虽然相对可靠性高，对施工干扰较小，但其造价较高，通常较少采用。

碾压混凝土坝防渗除了常态混凝土防渗和二级配碾压混凝土防渗外，防渗方式还有薄膜、沥青砂浆层等，目前已有不少研究，这对于研究胶凝砂砾石坝的防渗具有较大的参考价值。对于胶凝砂砾石坝，防渗措施既能达到良好的防渗效果，又能减小对施工的干扰，从而使成本最小化，符合胶凝砂砾石坝的发展趋势。在二级配混凝土防渗结构的基础上，参考日本的“金包银”结构，本文采用全断面碾压的“银包银”结构，如图2所示。

图1 钢筋混凝土面板防渗结构（单位：m）

图2 “银包银”防渗结构（单位：m）

这种断面形式按功能的不同进行材料分区：Ⅰ区为表面防护层，主要起保护内部胶凝砂砾石材料作用，兼起防护作用，需要具有较高耐久性；Ⅱ区为垫层，主要起抗滑作用，兼起防护作用，需要具有较高的抗剪强度和抗渗耐久性；Ⅲ区为上游防渗层，主要起防渗作用，兼起防护作用，所以需要具有较高的抗渗、抗冻及耐久性。胶凝砂砾石材料制备时，骨料选用级配良好的天然砂石料，加大胶凝材料用量，同时控制好水胶比，掺入适量的减水剂等外加剂，从而使配制出来的胶凝砂砾石材料强度达到C10的混凝土强度水平，该材料能满足下游保护层Ⅰ区和垫层Ⅱ区的强度要求。在此基础上，通过控制最大骨料粒径为40 mm，严格进行层面处理，可以配制出抗渗等级W6以上的高强度胶凝砂砾石防渗材料，满足防渗层Ⅲ区对材料的要求。这种结构可以采用全断面碾压，施工不同于“金包银”，可称为“银包银”结构。

基于“银包银”结构思想，本文提出高强度胶凝砂砾石面板防渗胶凝砂砾石坝。设计坝高100 m，上游高强度胶凝砂砾石面板的厚度3 m，采用排水孔排水。上游水位95 m，下游5 m，结构如图3所示。

2.3高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜目前世界上己建最高的胶凝砂砾石坝是107 m的土耳其Cindere坝，其上游的防渗面板是混凝土面板加PVC膜防渗，在PVC膜后设置渗漏收集管道，集中到上游面板后的排水管道中，取得了较好的防渗效果。本文考虑采用高强度胶凝砂砾石材料替换混凝土面板，在高强度胶凝砂砾石材料面板下铺设复合土工膜，土工膜与胶凝砂砾石之间用5 cm左右的薄层细砾或者无砂混凝土作为垫层。

高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜防渗胶凝砂砾石坝设计坝高100 m，上游防渗层的厚度1 m，采用排水孔排水。上游水位95 m，下游5 m，等效处理复合土工膜厚度后，结构如图4所示。

图3 高强度胶凝砂砾石面板防渗结构（单位：m）

图4 高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜防渗结构（单位：m）

3 计算理论

3.1渗流计算理论对于二维稳态渗流，其控制方程为：

式中，h为水头，m；kx、ky分别为沿x、y方向的渗透系数，m/s。

当渗透系数各向同性并取常数时，式（2）可写为Laplace方程：

常用边界条件有已知水头边界及已知流量边界。

（1）已知水头边界：

（2）已知流量边界：

式中：kn为渗透系数m/s；n为边界条件的外法线方向；Γ1、Γ2分别为水头和流量边界；q0为单位宽度上的流量。

3.2复合土工膜当量渗流系数在本文中，复合土工膜按照1∶0.7的坡比铺设，厚度仅有1 mm。为保证计算精度，要求单元的长宽比不能太悬殊，所以网格划分时考虑适当增大复合土工膜的计算厚度，运用斜墙坝渗流计算理论计算通过土工膜的单宽渗流量［10］。

斜墙的单宽渗流量计算以浸润线高度为界，分为上、下两部分，设其分别q1、q2，计算公式为［11］：

式中：q1为浸润线以上斜墙单宽渗流量；q2为浸润线以下斜墙单宽渗流量；ke为斜墙渗透系数；H1为坝前水位高度；h为浸润线高度；δ为斜墙的厚度；θ为斜墙中心轴与水平面的夹角。

浸润线上、下部分之和即为总的单宽渗流量q：

从式（8）可以得出，与复合土工膜有关的只有其渗透系数ke和厚度δ，如果ke和δ同时扩大相应的倍数对于渗流量没有影响。因此，在网格划分的时候可以扩大复合土工膜的厚度以避免产生畸形单元［10］。为了便于网格划分，将复合土工膜厚度扩大1000倍，其渗透系数也相应的由1×10-9cm/s扩大为1.0×10-6cm/s。

4 不同防渗措施计算分析

4.1渗流计算分析地基计算范围：上游下游及底部均取为坝高的2倍，防渗帷幕取坝高的1/3，各材料的渗透系数如表1所示，计算模型及网格划分如图5所示。

表1 材料渗透系数

图5 渗流计算网格划分

渗流计算得出的坝轴线处单宽渗流量、逸出点高程渗流逸出坡降如表2所示，总水头分布如图6所示。

由表2和图6可以看出：（1）采用“银包银”结构的高强度胶凝砂砾石面板防渗的单宽渗流量最大，钢筋混凝土面板防渗的单宽渗流量最小，两者相差4.55×10-6m2/s。由于处在相同的地基条件下，所以相对而言，高强度胶凝砂砾石面板防渗时水会在坝体中有较多渗漏；（2）钢筋混凝土面板防渗的逸出点高度最低，高强度胶凝砂砾石面板防渗的逸出点高度最高。这是由于在3种防渗措施中，上游水头在钢筋混凝土面板内下降最多，在坝体渗透系数相同时渗流逸出点高程钢筋混凝土面板的最低；（3）高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜结构的逸出坡降最大，钢筋混凝土面板防渗的逸出坡降最小。这是由于地基的渗透系数小于坝体渗透系数，水头在坝体内降低较小，下游有水时采用复合土工膜防渗的逸出坡降相比较最大；（4）设置排水孔后，有相当一部分入渗水流绕过防渗墙后进入排水孔排出，坝体浸润线大大的降低，排水孔的设置对降低坝体浸润线的作用较为明显。

综合以上结果可以得出，钢筋混凝土面板的防渗效果最好，高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜次之，单纯采用高强度胶凝砂砾石面板防渗效果最差。但由于水头在钢筋混凝土面板中下降较快，会产生水压力的应力集中，且渗透坡降也较大；高强度胶凝砂砾石面板防渗效果虽然不如其他2种防渗措施，但是其完全可以满足坝体正常运行时的防渗要求。故对该3种防渗层进行考虑渗流作用的应力分析，评价3种防渗层的力学性能。

表2 渗流计算结果

图6 总水头分布（单位：m）

4.2考虑渗流作用的应力分析考虑渗流作用的应力分析原理是将渗流计算得出的孔隙水压力先变为节点位移荷载并导入到结构计算中，计算时将节点位移荷载调整为节点孔隙水压力荷载。采用这种方法进行计算，可以较为真实的模拟坝体结构及坝基中的水压力作用。

胶凝砂砾石材料屈服条件采用摩尔-库伦破坏准则，坝基与混凝土材料采用理想弹塑性本构模型。应力计算结果压应力为负，拉应力为正。防渗层和坝体应力最值情况如表3所示，各防渗措施防渗层及坝体的最大主应力分布情况如图7所示。

表3 应力最值 （单位：MPa）

由表3及图7可以得出，钢筋混凝土面板防渗时，在防渗层和坝体部分的最大主应力、最小主应力、剪应力的最大值都最大，高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜次之，“银包银”结构的高强度胶凝砂砾石面板最小。

图7 最大主应力分布（单位：MPa）

在防渗层部分，由于钢筋混凝土面板最薄，渗透系数最小，相对于其他两种防渗层的水压力分布较密、较陡，应力集中，从而主应力最大；高强度胶凝砂砾石面板厚度最大，渗透系数最小，相对应力分布均匀，主应力较小。在坝体部分，钢筋混凝土面板防渗坝大部分区域处于非饱和状态，坝体上半部分主要受自重作用，在坝体底部受上、下游水压力和自重作用，坝趾处出现了应力集中现象；高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜防渗层和高强度胶凝砂砾石面板防渗层的防渗效果相对弱一些，坝体主要受到水压力和自重的作用，在防渗层的逸出点区域和下游坝体的逸出点区域，该部分的水压力相对增大，会有应力集中现象，出现的拉应力比较小。

5 结论

（1）三种防渗措施中，钢筋混凝土面板的防渗效果最好，高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜次之，单纯采用高强度胶凝砂砾石防渗效果最差；（2）在防渗层部分，钢筋混凝土面板相对于其他两种防渗层的水压力分布较密、较陡，主应力最大；高强度胶凝砂砾石面板相对应力分布均匀，主应力较小。在坝体部分，面板防渗层坝趾处出现了应力集中现象；高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜防渗层和高强度胶凝砂砾石面板应力分布较为均匀，在坝趾和坝踵小部分区域有应力集中现象，出现的拉应力也较小；（3）本文仅从渗流、应力角度对各防渗措施进行了分析，实际工程选择应用时还应综合考虑经济性、防渗可靠性、施工便利等因素，有待于进一步研究。

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Analysis of stress and seepage control measures in the Cement sand gravel dam

ZHANG Fengde1，LI Xiuwen2，PENG Yunfeng3，WANG Wanshun2
（1.Sanjiang Engineering Construction Management Bureau of Heilongjiang Province，Harbin 150081，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Due to the poor anti-seepage of the cement sand gravel materials,special seepage control mea⁃sures should be designed for the water retaining requirement of the dam.In this paper,both seepage and stress analysis under seepage condition were carried out for the cement sand gravel dam with seepage con⁃trol measures.Reinforced concrete panel and two novel measures：high strength cementations sand grav⁃el panel and high strength cementations sand gravel panel with laying composite geomembrane were consid⁃ered. Numerical results show that reinforced concrete panel perfoms well in seepage control while high strength cementations sand gravel concrete panel acts relatively poorly.The maximum principal stress ap⁃pears in the reinforced concrete panel and stress concentration at the dam toe is obvious.The stress distri⁃bution is more uniform in high strength cementations sand gravel panel and high strength cementations sand gravel panel with laying composite geomembrane.

cement sand gravel dam；anti-seepage measure；seepage analysis；stress analysis

TV31

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.03.007

1672-3031（2015）03-0194-07

（责任编辑：王冰伟）

2014-10-22

张凤德（1965-），男，吉林乾安人，硕士，高级工程师，主要从事水利工程管理研究。E-mail：zhangfengde626@126.com