泽城混凝土面板堆石坝渗流控制设计

张许平

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

水利水电工程建设中枢纽区的渗流控制设计是很重要的课题，通过认真合理地分析水工渗流条件，设计针对性的渗流控制措施对水工建筑物安全可靠运行及发挥工程效益具有重要的意义。本文对建于深厚覆盖层之上的泽城混凝土面板堆石坝渗流控制设计进行了介绍，以供其它工程参考。

1 工程概况

泽城西安水电站（二期）枢纽工程位于清漳河干流的山西省左权县境内，上游距清漳河东、西两源汇合处约4.0 km。枢纽工程主要由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、发电引水洞及水电站等建筑物组成。水库调节库容2099万m3，水电站装机容量为4×1250 kW。工程任务以发电为主，兼顾防洪、养殖等综合利用。挡水坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高51.6m，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，枢纽工程设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。

2 水工渗流条件

本工程库区近坝址右岸因河谷弯道形成河间地块，河间地块宽0.8～2.0 km。右岸山体较为单薄，且该处岩体中北东向节理裂隙较发育，其走向与库岸近垂直，受风化和卸荷影响，库岸顶部和下部的节理裂隙均有一定程度的张开，向岸坡岩体内部节理裂隙逐渐趋于闭合，根据库岸岩性、地质构造、地质结构和压水试验资料等综合分析，为裂隙型渗漏，节理裂隙构成库水的渗漏通道，水库蓄水后该河间地块存在库岸渗漏问题，根据地质渗流估算该段单薄山梁渗漏量2607.0 m3/d。

坝址区坝基地层岩性为全新统洪冲积卵石混合土夹级配不良砂、级配不良砾及低液限粉土，厚20～52m，结构松散，为强透水层，而且在坝基连续分布，为坝基的主要渗漏层；下伏基岩为中等透水性（Lu=10～52），透水层厚度为8.1～34.3m，下部石英砂岩透水率小于10 Lu，属弱透岩层，坝基总渗漏量为60887.48m3/d，以河底深槽及河谷右半部渗漏较为严重。且水库蓄水至正常水位时，在坝上下游水位差产生的渗压作用可产生渗透变形，产生渗透破坏[1]。

左、右坝肩岩体中均发育有高倾角节理裂隙，受风化和卸荷影响，卸荷带和过渡带中的节理裂隙均不同程度张开，裂隙宽度1～30 mm不等，延伸长度较长，具有一定的渗透性。根据钻孔资料揭示，左右坝肩存在绕坝渗漏问题。经地质渗流估算，左坝肩整个绕坝渗流带的渗漏量为331.3m3/d，右坝肩整个绕坝渗流带的渗漏量为1074.7m3/d。

因此，为减少坝址区单薄山梁渗漏，防止坝基及坝肩绕坝渗漏而产生的渗透破坏，减少渗漏量，对坝址区进行了渗流控制设计。

3 坝址区基岩渗流控制设计

根据枢纽布置、工程地质、水文地质等条件，为了减少渗漏，使河床段坝基防渗和左右库岸防渗形成完整的防渗帷幕线，设计沿面板坝趾板中心线至左右岸布置帷幕线，帷幕灌浆线分别在左岸坝肩伸入坝顶向上游延伸300 m，在右岸坝肩伸入坝顶向上游延伸，穿过溢洪道闸室底部、导流泄洪洞，延伸长度全长700m。河床段趾板下帷幕灌浆深入基岩内30 m，左右岸坡帷幕深为60～80 m。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）防渗帷幕底部均伸入弱透水层3～5m，坝基及近岸地段基岩透水率小于5Lu控制。坝址区基岩防渗帷幕布置见图1。参考国内工程四川紫坪埔水电站帷幕最深达140m、贵州引子渡水电站帷幕深125m及甘肃九甸峡水电站帷幕深136m均成功采用一次性灌浆完成，本工程整个帷幕防渗体均采用单排灌浆孔，孔距为2.0 m，灌浆一次完成，不分层。

两岸坝肩趾板基础岩体裂隙发育，在接触部位渗流易产生接触冲刷破坏，为提高基础岩体的抗渗性，改善其物理力学性能，采用了基础固结灌浆加固处理。灌浆孔设两排，分别布置于帷幕防渗体上下游，孔深8m，孔距3m。

4 坝基深厚覆盖层渗流控制设计

图1 坝址区基岩防渗帷幕布置示意图

坝基砂卵砾石覆盖层厚薄分布不均，河床偏左岸发育基岩深槽，最大深度为52m。砂卵砾石以粗粒土、巨粒土为主，形成结构骨架，细粒土平均含量小于25%。借鉴工程处理经验[2]，根据坝址区的特殊条件，坝基覆盖层防渗采用混凝土防渗墙，防渗墙下设灌浆帷幕。防渗墙顶部通过连接板与趾板相接，连接板与趾板和防渗墙之间设置止水。混凝土防渗墙最大深度52m,墙厚1.0 m，墙底深入基岩5m，防渗墙顶部5m以上采用钢筋混凝土结构，5m以下采用素混凝土结构。混凝土防渗墙与连接板和趾板设计示意见图2。

图2 混凝土防渗墙与连接板和趾板的设计示意图

5 防渗面板渗流控制设计

混凝土面板堆石坝防渗面板渗流控制设计分为防渗面板、防渗趾板两部分，二者通过连接缝结合使坝面形成一个防渗整体。

5.1 防渗面板设计

混凝土面板堆石坝渗流控制设计中防渗面板的设计是最重要的，面板置于堆石坝体的上游坝坡表面，面板及趾板设计平面示意图见图3。本项目坝址区河谷狭窄，岸坡陡峻，水库蓄水运行时，面板应力变形受堆石坝体变形及水压力等因素的影响，面板应力变形计算显示[3],面板两岸部分处于受拉区，河床中央部分处于受压区。为了满足面板防渗性、耐久性、抗变形性及易施工的要求，面板混凝土采用C25混凝土，二级配骨料，水灰比小于0.45，抗渗等级为W8级，抗冻等级为F200；面板宽度受压区为12m，设压性垂直缝13条，左右岸陡坡段宽度为6.0 m，共设张性垂直缝14条；面板采用单层双向钢筋，钢筋布置在面板截面中部，其中受压区配筋率顺坡向为0.4%，水平向为0.35%，受拉区配筋率为0.4%；面板厚度依据规范规定计算确定，随着水头的增加而加厚，下部最大厚度为500 mm，顶部厚度为330 mm，中间按直线变化，不同高程处面板厚度采用内插值。

图3 面板及趾板设计平面示意图

5.2 防渗趾板设计

混凝土面板坝渗流控制设计中，面板周边趾板的渗流控制设计也非常重要，趾板与面板通过周边缝衔接，其位置由“X”基准线控制，按位置分为河床段趾板和岸坡段趾板。

河床段趾板水平布置在河床混合土卵石上，为满足渗透稳定要求，其宽度确定为4.0 m，厚度1.0 m，长度方向每10 m设伸缩缝以适应基础不均匀变形；趾板上游设置垂直防渗墙，防渗墙深入基岩5m，趾板通过两块连接板与防渗墙连接。

岸坡段趾板布置在弱风化基岩上，用直径28mm的HRB335砂浆锚杆与基岩连接，岸坡段趾板宽度确定为5.0 m，厚度1.0 m，在地形变化处或转弯处为适应趾板基础的不均匀沉降设伸缩缝，以满足规范渗透稳定及变形要求。

趾板的抗渗性和耐久性与面板要求一致，岸坡段趾板钢筋布置在顶部，保护层厚度为10～15cm，为单层双向钢筋，各向配筋率为0.3%；河床段趾板钢筋宜布置于板的中央，为单层双向钢筋，各向配筋率为0.4%；靠近周边缝侧的趾板中设抗挤压钢筋，以防止剥蚀破坏止水周围的混凝土。

6 接缝渗流控制

混凝土面板坝渗漏原因之一就是面板接缝止水遭到破坏。接缝止水，尤其是周边缝的止水设计对防止面板渗漏非常重要[4]，其中止水结构、材料选择和施工工艺至关重要。已建工程中主要采用金属止水片与柔性材料不同的结合形式满足不同需求的止水要求[5]。本工程接缝主要有防浪墙和趾板的伸缩缝、面板与防浪墙接缝、面板张性垂直缝、面板压性垂直缝及面板趾板周边缝5种，其中岸坡段周边缝和河床段周边缝结构示意参见图4，连接板与防渗墙之间周边缝结构示意参见图5，面板与防浪墙接缝、防浪墙伸缩缝结构示意图参见图6，面板垂直缝分张性垂直缝和压性垂直缝结构示意图参见图7、图8。所有止水设计均采用不同型号的止水铜片与SR柔性材料组合的止水形式[6]。接缝渗流控制设计通过对不同接缝、分缝变形的合理估计，优化止水系统的结构设计，确保了面板整体防渗体系的安全可靠。

图4 岸坡段趾板伸缩缝、周边缝止水结构示意图

图5 河床段趾板连接板缝止水结构示意图

图6 防浪墙伸缩缝止水结构示意图

图7 岸坡段垂直缝与周边缝止水结构示意图

7 结语

本文针对泽城西安水电站（二期）工程深厚覆盖层上混凝土面板堆石坝右岸单薄山梁、左右坝肩及坝基渗流特征，分别对右岸单薄山梁、左右坝肩设计了防渗帷幕渗流控制措施，对两岸趾板设计了固结灌浆渗流控制措施，坝基深厚覆盖层设计了混凝土防渗墙，堆石体上游坡面设计了钢筋混凝土面板、趾板，并对面板、趾板周边缝、面板与防浪墙接缝、面板张性垂直缝、面板压性垂直缝、趾板伸缩缝和防浪墙伸缩缝等接缝进行了止水渗流控制设计。通过坝址区系统的渗流控制设计，使泽城西安混凝土面板堆石坝形成完整的渗流控制体系，防止了大坝各个环节的渗漏和渗透破坏，减少库水渗漏量，取得良好的防渗效果。

图8 河床段垂直缝与周边缝止水结构示意图

[1]计庆宝．山西省泽城西安水电站大坝坝基渗漏分析［J］．科技情报开发与经济，2010（3）：184－186．

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[3]宋建庆．泽城西安混凝土面板坝三维非线性应力变形研究［J］．水利水电技术，2011（3）：31－34．

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[5]闫海琳，韩 峰．混凝土面板堆石坝接缝止水技术的新进展［J］．河南水利与南水北调，2008（1）：38－39.

[6]范志强．山西省泽城西安水电站（二期）工程面板坝的分缝止水设计［J］．山西水利，2014（7）：28－29.