老渡口深覆盖层上的面板堆石坝研究

梁谦 后开龙?王辉

【摘要】扼要概述覆盖层面板堆石坝筑坝的技术及设计要点。

【关键词】深厚覆盖层；面板坝；堆石体的变形；柔性防渗系统

1、深覆盖层上的面板堆石坝概述

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-2013：“在深覆盖层上建坝布置趾板时，应根据地基地质特性进行地基防渗结构及与趾板以及两岸连接的布置设计；对于神覆盖层的地基防渗处理及趾板布置，经详细论证后也可以采用混凝土防渗墙防渗，将趾板置于覆盖层上”。自98规范颁布以来，堆石坝在建在深覆盖层的已有云南109m坝高的那兰、新疆107.6m的察汗乌苏、湖北96.6m的老渡口等。

将趾板直接建在深覆盖层上的面板堆石坝与趾板置于基岩上的筑坝方案相比，不但能够缩短工期且减少工程投资，具有明显的经济效益。在深覆盖层上直接建造面板堆石坝的关键技术是：其一是了解地基覆盖层的空间分布特性及其压缩模量；其二是通过可靠的防渗系统将坝基柔性的防渗系统与岸坡相对不变的防渗系统连接成封闭的防渗系统。其三是使其满足渗透（流）稳定、地基强度稳定与变形的要求。其四是防渗墙需要有一定的刚度，满足变位与大坝加载引起的应力。

2、将趾板建在覆盖层上的必要性

将趾板建在深覆盖层上往往是为了减少坝体基础开挖与回填，从而减少工程的直接投资、缩短施工工期，减少工程直接投资，还可以提前发电，从而提高工程的经济指标。如恩施老渡口工程，趾板建在覆盖层上，直接和间接经济效益超过4000万元。

3、深覆盖层上面板堆石坝研究的目的

趾板建在深覆盖层上的面板坝并使其安全运行的关键是确保大坝防渗体系的变形和强度均在设计控制范围内，以保证防渗体系的安全、有效。趾板建在深覆盖层上的面板坝防渗体系分为上部和下部，上部防渗系统包括防浪墙、面板、趾板及接缝止水，下部防渗体系为防渗墙及灌浆帷幕，为保证防渗体系的安全，需解决如下主要技术问题：

（1）坝基变形应保证蓄水后坝基不发生大的压缩变形，以保证坝体对面板的支撑；

（2）防渗墙应力及变形应在结构安全范围内；

（3）接缝位移不应超出止水片的容许变形范围；

（4）坝基及坝体的渗透稳定，要使坝基及坝体内的细料在渗透作用下的移动不影响承载能力和渗流量的要求。

（5）探明覆盖层空间分布， 通过三维有限元的计算分析与预报大坝在施工与运行期间的性能， 为大坝填筑提供依据。

4、国内研究覆盖层地基采用的方法

国内对河床趾板下身覆盖层主要采取如下研究方法：

（1）开展现场联合物探， 确定坝址河床覆盖层空间分布；

（2） 进行室外现场静载试验与旁压试验， 从横、竖两方向联合确定覆盖层力学参数。

（3）进行室内容重试验、颗粒比重试验、相对密度试验以及击实试验， 确定覆盖层与筑坝材料的物性参数。

（4） 进行室内大型三轴剪切试验、大型三轴压缩试验、大型压缩试验、大型直剪试验、大型三轴接触面剪切试验以及湿化、渗透及渗透变形试验， 确定河床覆盖层与筑坝材料的力学特性， 计算模型参数等。

（5） 根据施工进程，模拟不同加载顺序，根據面板分缝板间分缝情况，模拟大坝缝间位移及变形情况，进行大坝二、三维有限元应力分析， 优化坝体断面， 进行大坝稳定性评价。

4.1设计方案比选

4.1.1计算模拟

防渗墙受力条件受双向荷载影响而十分复杂，施工期防渗墙受来自下游堆石荷载的坝基砂卵石料挤压向上游位移，同时防渗墙的上、下游侧面，特别是下游侧受坝基砂卵石垂直变形而承受摩擦力作用，在蓄水期水荷载下，防渗墙推动趾板向下游变位。

工程措施对防渗墙状态影响较大，要求通过改变地基、大坝填筑材料参数、防渗墙指标及防渗墙接头泥皮单元参数，进行敏感性分析计算作为设计施工控制指标，选择趾板长度及接头型式、合理的施工工期及工序安排。

施工采用先墙后坝的施工程序。要求模拟坝高1/3H，2/3H，3/3H时段防渗墙同时施工的应力状态。

计算时，模拟大坝的施工顺序和水库蓄水过程，具体计算模拟顺序分别为：

方案1 覆盖层→防渗墙→趾板→坝体填筑至防浪墙底高程483.50m→面板→连接板→防浪墙及坝体填筑至坝顶485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m；

方案2 覆盖层→防渗墙→下游坝体填筑至高程418.00m→趾板→坝体填筑至防浪墙底高程483.50m→面板→连接板→防浪墙及坝体填筑至坝顶485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m。

方案3 覆盖层→下游坝体填筑至高程431.00m→防渗墙→趾板→坝体填筑至防浪墙底高程483.50m→面板→连接板→防浪墙及坝体填筑至坝顶485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m。

4.1.2趾板连接板形式的选择

混凝土面板坝的趾板建在覆盖层上时，在趾板上游端设防渗墙，墙和趾板间用结构缝连结，为使趾板能适应防渗墙和面板之间的变形，趾板一般可分为三段，中间的分块结构称为连接板，连接板的数量、长度对结构应力和接缝结构的适应性有较大的影响。应力计算成果表明：防渗墙距坝体越远，应力与变形亦小，反之应力与变形就越大，相应工程投资亦大。

为了优选趾板与地基的连接形式，特殊情况外，一般均采用柔性连接方案。

4.1.3防渗墙

面板坝趾板前的防渗墙在度汛断面上游，先行度汛断面施工，受载形式是偏心荷载。防渗墙的主要功能是防渗，其受力特点表现为：竣工期，位于坝基沉降的影响区，其下游侧和冲积层有沉降差，产生一定的摩檫力，同时产生侧压力，使墙向上游位移；水库蓄水后，墙上、下游侧的冲积层在库水压力作用下固结沉降，水压力作用于坝壳及坝后坝基，墙下游侧沉降增加，在墙的两侧产生摩阻力，并且在上下游水压力和墙顶水重作用下，使墙向下游位移，运行期是防渗墙压应力的主要时期。根据有限元计算，百米级水头防渗墙主要受压，局部有拉应力存在，最大拉应力在0.20～1.5MPa左右，最大压应力5.0 MPa左右。防渗墙混凝土从抗压强度出发，其强度等级只要达到C15普通混凝土即可；如要满足抗拉强度，因防渗墙的受力特性，一般很难避免裂缝产生，普通混凝土难以满足，宜采用钢筋混凝土。

4.2 坝料分区优化研究

老渡口面板坝坝料分区拟选方案有3种，其中方案1无砂砾石区，方案2砂砾石区布置在轴线中央，方案3砂砾石区布置在轴线下游。坝体防渗体系由宽0.8m的防渗墙、3.8m长的连接板与4m长的趾板和厚30～58.6cm的面板组成，坝体上游坡度为1∶1.4，从上游到下游分别为水平宽3.0m的垫层区与过渡区，及主堆石区和砂砾石区，下游坝坡在423.10m、443.10m与463.10m高程处各设一条2m宽的马道，马道上、下坡度均为1∶1.3。

坝料分区优化研究针对全断面填筑方案进行，具体计算工况如下：

4.2.1坝体应力变形

（1）坝体应力变形

大坝应力变形计算结合竣工期、蓄水期及运行期3种工况进行：竣工期与蓄水期坝体沉降与水平位移的计算结果。竣工期，坝体最大沉降为34.3cm～34.8cm，最大上游向水平位移为7.9cm～8.2 cm，最大下游向水平位移为8.0cm～8.3 cm。蓄水期，坝体最大沉降为38.0cm～38.8cm，最大上游向水平位移为2.7cm～2.9 cm，最大下游向水平位移为10.2cm～ 10.4 cm。

竣工期与蓄水期坝体的主应力。竣工期坝体大、小主应力最大值分别为1.90MPa～1.87MPa，0.90MPa～0.88MPa，蓄水期大、小主应力最大值分别为2.10MPa～2.07MPa，0.99MPa～0.88MPa。

竣工期与蓄水期坝内应力水平的计算结果，坝内应力水平不大，在40%以下。

（2）防渗体系应力变形

防渗体系由防渗墙、面板以及连接防渗墙和面板的趾板、连接板组成，其应力和变形简介如下。

1）面板

蓄水期：工况1最大挠度最大为10.59cm。3种工况面板均受压，最大顺坡向应力为4.69MPa，出現在工况1。

2）防渗墙

竣工期防渗墙向上游变形，最大变形发生在墙顶附近为3.94cm。蓄水期由于水压力作用，防渗墙向下游位移，最大变形分别为4.48cm，即由库水压力引起的下游向位移分别为8.35cm。

竣工期防渗墙最大主应力分别为1.56MPa，最大垂直应力分别为1.38MPa，均位于防渗墙中下部，竣工期时3种工况防渗墙的顶部均出现主拉应力区，在0.20MPa以下；而在蓄水期，3种工况防渗墙完全受压，大主应力最大值为5.18MPa，

3）趾板与连接板

竣工期趾板最大沉降分别为1.75cm；蓄水期时，在库水压力作用下，趾板沉降增大，趾板最大沉降分别为 7.22cm。

蓄水期趾板与连接板在库水压力作用下主要受压，趾板大、小主应力最大值分别为3.72MPa，0.77MPa。

4）接缝变形

水库蓄水后，防渗墙与连接板、连接板与趾板、趾板与混凝土面板之间的接缝均处于压紧状态，各条接缝之间的相对变位都表现为沉陷，防渗墙与连接板之间的相对沉陷均为32.8mm；连接板与趾板之间的相对沉陷分别为0.7mm左右，趾板与混凝土面板之间的相对沉陷最大值为9.6mm。

5、小结

坝体分区方案坝体应力变形计算结果差别甚微，防渗体系的应力变形及接缝变位计算结果也相近。为对比差别，将坝体堆石料改用调整参数进行敏感性分析计算，以求得最大应力与变形作为设计控制指标。

坝体及防渗体系的应力与变形均在正常范围内，接缝变位也在一般止水结构的容许变形范围内。从坝体应力变形角度来看，3种分区方案均是可行的。

连接板长度的小量变化对坝体应力与变形无影响，对防渗体中面板、趾板的应力变形影响也不显著，对坝基防渗墙则稍有影响，总体上看，采用长连接板时的防渗墙应力变形状态要稍好于短连接板情况。

3种施工方案下坝体与防渗体系的应力变形均不大，防渗体系的拉、压应力均在其材料的允许范围内，接缝变位也在目前止水材料可以适应的范围内。

综合上述各项平面有限元分析成果，建议坝料分区选用分区方案2，连接板长度选用4m，施工方案根据总体施工安排选择，在可选择施工方案3。

参考文献：

[1]杨晓明，汪能等。深覆盖层上的面板堆石坝课题研究要点 《水利规划与设计》2007年03期

[1]王汝军，梁谦等。老渡口水电站面板堆石坝防渗墙施工 《湖北水力发电》 2009年05期

第一作者简介：梁谦，高级工程师，男，40岁，湖北省水利水电规划勘测设计院，主要从事水利水电工程的设计工作。