小莲花水电站防渗墙结构设计

阮建飞 陈 浩 王昶力

小莲花水电站枢纽工程位于黑龙江省林口县莲花村附近的牡丹江上，是以发电为主，并兼顾下游生活用水和生态环境的综合性枢纽工程，正常蓄水位161.0 m，水库总库容1 784万m3，电站装机容量40 MW。小莲花水电站工程等别为Ⅲ等中型工程，枢纽主要建筑物闸坝、电站厂房及两岸连接坝等为3级建筑物。

小莲花水电站坝基覆盖层主要为第四系砂卵砾石层，其存在渗漏及渗透稳定问题，考虑防渗效果、施工工艺及投资等因素，可研阶段工程选用0.4 m厚的混凝土防渗墙对坝基进行截渗处理，墙端嵌入基岩不小于1 m，防渗墙最大深度为23 m，施工图阶段针对地层情况作进一步分析认为，由于卵石粒径较大，采用抓斗成槽施工易造成塌孔，工效较低，难以成槽，因此，将墙体厚度调整为0.6 m。

1 工程地质

坝址区揭露的地层岩性，基岩为华力西晚期白岗质花岗岩和黑云母花岗岩。河床阶地以弱风化岩为主，两岸山坡浅表部见有全、强风化岩，以下为弱风化岩，强度较高。覆盖层为第四系冲洪积层，厚度17～30 m。分布于两岸阶地、漫滩及河床。坡积的粉质黏土分布于两岸坡脚附近，厚2～5 m。

坝基覆盖层主要为土黄色含泥卵石⑥-1、杂色卵石⑥-2，下部为含泥砂砾石层⑥-3。根据颗分资料：土的不均匀系数39～52，均大于5，属级配不连续、不均一土，渗流破坏形式为管涌型。据钻孔抽水试验，其渗透系数为11.3～43.46 m/d，属强透水层。地基土允许渗透比降为0.20。

工程区主要存在渗漏及渗透稳定等工程地质问题。

坝基土体颗分试验成果详见表1。

表1 坝基土体颗分试验成果

2 设计要点

2.1 防渗方案选择

针对于坝基覆盖层较厚（一般指15 m以上）的防渗，通常选用的方式有：水平铺盖防渗、垂直混凝土防渗墙或帷幕防渗。

本工程通过经济技术合理性分析，闸坝的建基方案推荐选用软基方案，即闸坝基础经适当开挖后，直接置于砂卵石地基上。通过分析计算表明，采用水平铺盖防渗如需满足地基土的出逸渗透稳定要求，其长度至少需要50 m，且渗漏问题依然存在，而采用混凝土防渗墙进行截渗处理需要的平均深度约为20 m（泄水闸坝段），经比较，混凝土防渗墙方案具有造价低、防渗效果好的优势，因此，本工程最终选用混凝土防渗墙做为坝基防渗措施。

另外，通过对地层结构进行分析，地基的密实程度及承载力均较高，闸基范围内变形有限，故根据类似工程经验，可将防渗墙直接置于闸底板下即可。

2.2 墙体厚度选择

在砂卵石上建造防渗墙，其厚度除应考虑允许渗透比降、形变要求外，还应考虑地层级配粒径、孔斜率等是否能满足施工工艺要求以及工程投资等因素，并通过结构计算最终确定其厚度。

可研阶段，本工程按允许渗透比降确定的墙体厚度仅需0.2 m，而满足施工工艺要求的墙体厚度一般不小于0.3 m，另外，槽孔孔斜率一般控制在0.4%以内，本工程防渗墙最大深度为23 m，如果考虑最不利孔斜因素，防渗墙有效厚度可减少16 cm，因此，综合造价及结构计算分析，确定防渗墙厚度为0.4 m。

施工图阶段，结合地层情况对墙体厚度作进一步分析，墙厚采用0.4 m的防渗墙，如采用抓斗成槽法施工，其卵石最大粒径不宜超过6～10 cm，如采用冲击钻成槽法施工，虽可适应各种地层条件，但工效较低。而坝基土体粒径大于6 cm的颗粒含量平均达到21%，如采用过薄的防渗墙会因施工难度加大而降低工效，达不到减少造价的目的（成槽占比投资加大），且施工质量不易保证，大大降低防渗可靠性，因此，综合考虑施工工效、施工质量及枢纽运行安全，将防渗墙厚度调整为0.6 m。

截至2017年底，本工程防渗墙已全部施工完毕。在具体实施过程中，部分施工围堰临时防渗墙厚度采用的是0.4 m，成槽过程中，局部地段塌孔严重，实际成槽宽度采用了0.6 m，进一步验证了坝基防渗墙厚度采用0.6 m是合理可行的。

2.3 细部构造设计

由于本工程防渗墙建造在砂卵石地基上，槽孔坍塌的风险较大，存在较多的不确定性，另外，枢纽由多种建筑物组成，防渗墙的连接型式多样，如连接不当，可能会带来一定的安全隐患，对枢纽安全运行不利，因此，有必要对防渗墙的连接型式等细部构造进行详细设计。主要细部构造方案拟定如下：

（1）防渗墙与上部混凝土底板的连接采用柔性接头，考虑形变协调，墙体上部分别采用0.2、0.25 m厚的90#水工沥青作为封盖，上部与泄水闸底板、电站底板相接，墙顶嵌入底板不小于0.15 m。为使防渗可靠，将缝间止水嵌入沥青封盖层中。

（2）土坝与混凝土坝连接段的局部防渗墙，墙体上部采用现浇的二期混凝土进行连接，在接触面设置铜止水1道，为使防渗可靠，改善应力状态，墙体两侧回填黏土。

（3）左右岸的土坝均为黏土心墙坝，为防绕渗破坏，下部防渗墙应伸入黏土心墙不小于1.5 m。

（4）上述现浇段防渗墙沿纵向需设置施工缝，每10 m 1道，缝间填1 cm厚闭孔板，为使一二期混凝土结合紧密，一期混凝土面需进行凿毛处理，并预埋插筋。

3 结构计算分析

根据枢纽工程布置以及坝基地层情况，选择泄水闸坝段对0.4 m厚和0.6 m厚的防渗墙均进行了结构计算分析，主要结论如下：

（1）由于防渗墙上部压重较大，各工况下的防渗墙应力大多呈压应力状态。不同墙厚的最大压应力约为4.20 MPa，最大拉应力约为0.1 MPa，均位于防渗墙顶部。

（2）通过进一步分析，由于防渗墙顶端及底部受较强的约束作用，局部会产生较大的应力集中现象，但如果顶部采用了柔性压盖材料，其应力状态会大大改善，另外，实际施工过程中，由于槽孔泥浆固壁的需要，在土体与墙体间会有一层泥皮，其可大大降低接触面的摩擦系数，从而减少由于上部较大的压应力而对墙体产生的负摩阻力，改善应力状态。

（3）墙体的水平位移其总体趋势符合一般规律。0.4 m厚墙厚的位移相对较大，在完建工况下，防渗墙总体位移偏向上游，最大位移为0.90 cm，位于墙高的2/3处，从墙高2/3处至墙底，位移渐趋向于0，在正常蓄水工况下，由于上游面受水压力的作用，墙体位移渐偏向下游，泄水闸坝段最大位移为2.00 cm，位于墙顶部。

（4）通过分析，防渗墙其总体应力水平较低，普通混凝土防渗墙即可满足本工程的要求。

根据以上计算分析，综合考虑工程耐久性等要求，确定防渗墙的主要设计指标为：混凝土强度指标为C25W8；渗透系数k≤i×10-7cm/s；允许比降不小于80；强度保证率达到90%。

4 结语

防渗墙工程设计得当与否，对施工质量、工程安全、经济效益均有直接的影响，因此，在设计过程中，应具体问题具体分析，注重对防渗墙的结构可靠性、耐久性及工程投资合理性等分析的同时，还应对工程地质条件加强分析，力求技术经济合理。