覆盖层地基上惠水胶凝砂砾石拦河坝防渗设计方案研究

苏乐香，彭汉诗，何蕴龙

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

覆盖层，一般指的是第四系松散堆积层，是覆盖在基岩之上的各种成因的松散堆积物、沉积物，例如砂卵石层、砂土层和人工填筑的碎石土体等。覆盖层上的中小型坝以土坝较常见，筑坝材料为冲蚀性材料，不可漫顶，坝体可能存在渗漏、滑坡、管涌等问题。土坝尤其小型土坝的溃坝率较高，1980-2006年期间已溃决的575座小型水库中，有坝型数据的水库是529座，其中土坝500座[1]。洪水漫顶与质量问题仍是溃坝的主要原因[2]。而覆盖层地基因不均匀沉降、渗漏、抗滑稳定等问题较难处理，如今修建刚性坝的数量不多。胶凝砂砾石坝是在近几十年总结传统面板堆石坝与碾压混凝土坝优点基础上发展起来的一种新坝型[3]。基本断面为等腰梯形，筑坝材料为坝址附近易于得到的河床砂砾石或开挖弃渣等材料中加入水和少量水泥而获得的一种低强度材料，这种新型的筑坝材料被称为hardfill材料[4,5]。允许施工期坝身过流和洪水漫顶，如大华桥上游围堰[6]和洪口过水围堰[7]经历过多次洪水漫顶仍可正常运行。工程实践表明，采用胶凝砂砾石筑坝技术可以节约投资10%～20%，并可缩短建设周期20%以上，且有利于环境保护和水土保持，在不少坝址具有优越性[8]。坝体安全性高，地基的适应性强，低坝可修建在覆盖层地基上，如顺江堰[9,10]、飞仙关围堰[11,12]。值得注意的是，目前国内外永久性胶凝砂砾石坝基本是建于基岩上，对覆盖层上胶凝砂砾石坝的相关研究较少。本文的惠水拦河坝工程基本坝型为胶凝砂砾石坝，坝高16m，属于低矮坝，坝基位于弱胶结卵砾石层上。大坝的工作性态、坝基的承载力和不均匀沉降问题以及抗滑稳定问题都是值得重视和深入研究的。

1 惠水拦河坝工程地质条件及设计方案

坝区河谷为宽缓的“U”形河谷，左岸为河流一级阶地，右岸山体雄厚。坝址区岩土自上而下分为：耕表土、残坡积黏土层，河流冲洪积层(粉质黏土层、砂卵石层)，弱胶结卵砾石层，下第三系(E)泥岩层。弱胶结卵砾石层在河床段分布较厚较大，河床钻孔揭露埋深为2.8～13.0 m，厚度为10.2 m，两岸厚度变化大，均匀性一般，泥质、钙质胶结，钻孔揭露岩体较破碎，砾石间胶结较差，力学指标较差，具有强风化特征。下第三系(E)泥岩层在坝区钻孔控制深度内(未揭穿)分布连续、稳定，均匀性较好，厚度较大。其中河床段埋深较大，呈弱风化状；两岸埋深较浅其表层2.0 m左右呈强风化状，力学指标较差，压缩变形较大。弱风化状岩体承载力较高，各项力学指标较好。

惠水拦河坝工程为贵州省惠水县打造水生态文明建设示范区应运而生，其主要功能是对翁吟河的水体进行自然调节净化作用，溢洪道宽，需满足长期过流的要求，不宜修建土石坝。若修建重力坝，经挖除覆盖层地基后，坝高增加大于50%。混凝土重力坝建设成本昂贵，在坝高15 m以上的大坝总数中占比不到5%[8]。而胶凝砂砾石坝坝体断面相对较大，坝体应力水平低，应力分布均匀，安全性高，坝体材料可直接从库区河床和阶地取料，经济环保，具有更好的地基适应性，对地基要求低，可修建于弱胶结卵砾石层地基上，故采用胶凝砂砾石坝作为设计方案。

胶凝砂砾石坝坝顶轴线总长249.98 m，坝轴线方位角为N98.0°E，其中溢流坝段长56m，非溢流坝段左岸长138.5 m，右岸长55.48 m，最大坝高16 m(包括垫层)，最大库容为214 万m3。坝顶宽5 m，最大坝底宽度为24.2 m，垫层底向上、下游伸出1.8 m宽以更好扩散应力。大坝基本断面为等腰梯形，上、下游坝坡均采用1∶0.6，上、下游坝面浇筑一层厚0.5 m钢筋混凝土防渗(保护)面板。在地基处理方面，有防渗帷幕和截水墙两个设计方案。防渗帷幕方案中，灌浆孔距取1.5 m，帷幕厚度取为0.7倍孔距，深入泥岩3 m；截水墙方案中，考虑地基条件和施工条件要求，截水墙宽3 m，深入泥岩1 m，由富浆胶凝砂砾石碾压而成。两方案坝体非溢流坝段断面图如图1所示。

图1 非溢流坝段剖面图(单位：m)Fig.1 Section plans of non-overflow dam

2 有限元模型及材料参数

运用有限元软件ADINA[13]，分别建立防渗帷幕方案和截水墙方案非溢流坝段相应的二维有限元模型。ADNIA渗流计算模型[14]计算范围为：向上、下游方向均取4倍坝高，竖直向下方向取1.5倍坝高，两模型分别有11 205个节点、8 560个单元，10 790个节点、8 240个单元。应力变形计算模型如图2所示，坝体材料、地基泥岩均采用线弹性本构模型，覆盖层采用邓肯-张E～μ模型，模型整体施加基于渗流场计算得出的渗透力。模型计算范围为：向上、下游和竖直向下方向各取1倍坝高，对侧边界施加法向约束，底边界施加法向和切向约束。两个模型分别有6 970个节点、5 276个单元，10 120个节点、7 728个单元。计算工况有竣工工况、正常蓄水位工况和校核洪水位工况，因正常蓄水位工况为本工程控制工况，本文仅对该工况的计算结果进行分析。

图2 有限元模型图Fig.2 Finite element models

根据国内外胶凝砂砾石坝材料试验和工程实例，计算模型中胶凝砂砾石弹模取8 GPa，泊松比取0.2，容重取23 kN/m3，渗透系数取6.18×10-3cm/s；富浆胶凝砂砾石弹模取13 GPa，泊松比取0.185，容重取23.5 kN/m3，渗透系数取8.96×10-6cm/s。混凝土的弹模取25 GPa，泊松比取0.167，容重取25 kN/m3，渗透系数取1×10-8cm/s。根据地质勘探和现场试验，坝基可灌性不强，故防渗帷幕渗透系数取1×10-4cm/s。覆盖层地基渗透系数取1×10-3cm/s。坝基岩体材料参数见表1。覆盖层邓肯-张E～μ模型参数见表2。垫层与覆盖层、截水墙的抗剪断参数见表3。

表1 岩体材料参数Tab.1 Parameters of rock material

表2 邓肯-张E～μ模型参数Tab.2 Parameters of Duncan-Zhang E～μ modle

表3 抗剪断参数Tab.3 Shear parameters

3 成果分析

3.1 防渗帷幕方案坝体工作性态及安全性分析

(1)渗流场分析。流网图如图3所示(坝基仅绘出局部)，浸润线沿上游防渗面板下降至961.71 m，在坝体的浸润线几乎和坝基面平行，坝体材料大部分处于干燥状态[15]，在下游面板处下降至960.0 m处。等势线在由上游防渗面板、趾板和防渗帷幕组成的坝体-坝基防渗系统内分布密集，削减水头5.29 m。上游坝体-坝基防渗系统的渗透坡降较大，最大值出现在上游防渗面板，为10.79，防渗帷幕最大渗透坡降为2.41。由于坝体胶凝砂砾石的渗透系数较大，渗透坡降最大值仅为0.242%，垫层胶凝砂砾石和富浆胶凝砂砾石的最大渗透坡降分别为0.129、1.815。覆盖层地基最大渗透坡降为0.337。分析成果表明，防渗帷幕方案满足防渗和渗透稳定性要求。

图3 流网图(单位：m)Fig.3 Flow network diagram

(2)地基应力变形状态分析。正常蓄水位工况下，坝基沉降主要集中在弱胶结卵砾石层上，泥岩层沉降十分小。从坝基面特征点A、B、C(分别位于坝踵正下方、中点、坝趾正下方)三处铅直方向上沉降的变化情况看，如图4(b)所示，弱胶结卵砾石层上的变化率较大，泥岩层变化率小。由于坝体上、下游对称，坝高较小，上游库水水深小，所以上、下游坝基沉降差异不明显，A点和C点处铅直方向上的沉降曲线图几乎重合。坝基沉降基本关于坝基面中心线呈对称分布，中间最大，上游侧稍大于下游侧，极值为-5.6 mm，位于坝基面中间。坝基面水平段沉降在中间约2/3的宽度内基本变化很小，保持在-5.5 mm左右。坝基沉降等值线图，坝基面水平段沉降曲线分布图如图4(a)、(c)所示。

坝基的第三主应力基本上关于坝基面中心线呈对称分布，从中间向两侧则依次递减，如图5(a)所示。坝基面B点处同一铅直方向上第三主应力随高程减小变化不大，A、C点处则逐渐减小，如图5(b)所示。水平段坝基面第三主应力从上游至C点处逐渐减小，在A点至C点之间应力较均匀，减小幅度小，A点之前变化幅度较大，从C点至下游，应力先稍有增加再减小。第三主应力极值位于坝基面水平段上游侧，为-0.25MPa，仅为覆盖层最小容许承载力的31.25%。坝基面水平段第三主应力曲线分布图如图5(c)所示。

(3)坝体应力变形状态分析。坝体的顺河向位移在上游面1/3坝高处达到最大值——1.01 mm，向下游侧递减，在下游面1/2坝高处达到最小值；竖直向位移对称分布，对称轴在距上游约2/3距离处，极值为-5.72 mm，位于坝顶上游侧。竖直向位移在竖直方向上，随着高程的增加而增加；在水平方向上，从上游到下游现增后减。坝体位移等值线图如图6(a)、(b)所示。

坝体的顺河向应力、竖直向应力、第一主应力和第三主应力基本上都是大致关于坝体剖面中心线对称分布。在上、下游两侧三角形区域一定坝高以下，顺河向应力、竖直向应力和第三主应力分别以坝踵和坝趾为中心，沿坝坡向上、向坝体中间呈辐射状分布；在坝体中间部位，从坝底到坝顶，顺河向应力由拉应力变为压应力，压应力随着高程的增加而先增后减，竖直向应力和第三主应力随着高程的增加而减小。在坝趾处有不同程度的应力集中现象。顺河向拉应力极值为0.05 MPa，位于坝底中间，顺河向压应力、竖直向压应力和第三主应力极值分别为-0.31、-0.33和-0.45 MPa，都位于坝趾。第一主应力在坝体底部中间1/3底宽范围内出现较大拉应力，极值为0.06 MPa，位于坝底中间，其他部位处于低应力状态。坝体应力等值线图如图6(c)、(d)、(e)、(f)所示。

图4 坝基沉降Fig.4 The settlement of dam foundation

图5 坝基第三主应力Fig.5 The third principal stress of dam foundation

图6 坝体应力位移等值线图Fig.6 Contour of stresse and displacement in the dam

(4)抗滑稳定安全性分析。坝基面水平段滑动面1如图7所示，滑动面1上竖直向应力和剪应力曲线分布图如图8所示，点安全系数分布图如图9所示。滑动面1上竖直向应力与坝基面水平段第三主应力的分布规律相似，剪应力在A点处为零。垫层底部向上游伸出1.8 m范围内，剪应力值为负，没有向下游滑动趋势，因此，图9中未绘出此范围内点安全系数；从A点至滑动面1的终点，剪应力整体逐渐增大，应力值为正，有向下游滑动趋势。滑动面1的点安全系数整体较大，点安全系数的最小值为3.09，大于1，整体抗滑稳定安全系数计算得11.09。

图7 滑动面1示意图Fig.7 Schematic diagram of sliding surface 1

图8 滑动面1应力分布图Fig.8 Stress distribution map of sliding surface 1

图9 点安全系数分布图Fig.9 Point safety factor distribution map

3.2 截水墙方案坝体工作状态及安全性分析

(1)渗流场分析。流网图如图10所示(坝基仅绘出局部)，浸润线沿上游防渗面板下降明显，在坝体内极低，在下游面板处下降至960.0 m处。等势线在上游防渗面板、趾板和截水墙内分布十分密集，下游几乎没有等势线，防渗效果明显，削减水头6.79 m，增大28.4%。上游坝体-坝基防渗系统的渗透坡降较大，最大值同样出现在上游防渗面板，为13.94，截水墙最大渗透坡降为2.40。坝体胶凝砂砾石的渗透坡降最大值仅为0.037%，垫层胶凝砂砾石和富浆胶凝砂砾石的最大渗透坡降分别为0.021、0.207。覆盖层地基最大渗透坡降为0.038。分析成果表明，截水墙方案满足防渗和渗透稳定性要求。

图10 流网图(单位：m)Fig.10 Flow network diagram

(2)地基应力变形状态分析。正常蓄水位工况下，由于坝基上游侧有截水墙，坝基的最大沉降移向下游，位于坝基水平段距下游侧约2.4 m处，极值为-5.7 mm，截水墙底部的泥岩最大沉降为-2.2 mm，位于下游侧。特征点D、E、F、G(分别位于截水墙后1.8 m、D点至F点的中央、坝趾正下方、截水墙底部中点)处在铅直方向上的沉降变化如图11(b)所示，弱胶结卵砾石层沉降变化率较泥岩层大，位于截水墙底部周围一定范围的泥岩沉降较大些。坝基面水平段沉降在F点附近之前逐渐增加，之后逐渐减小。坝基沉降等值线图，坝基面水平段沉降曲线分布图如图11(a)、(c)所示。

由于地基较软，截水墙刚度较大，起到一个顶托支撑的作用，将部分的上部结构自重、水荷载及於沙荷载等较集中的传递于泥岩，故截水墙底部周围的泥岩应力较大，坝基第三主应力等值线图如图12(a)所示。坝基第三主应力在截水墙底部两侧基岩出现不同程度的应力集中现象，其极值位于截水墙底部泥岩下游侧，为-0.54 MPa，为泥岩最小容许承载力的54%。覆盖层上第三主应力极值位于截水墙下游侧的弱胶结卵砾石层底部，为-0.30 MPa，增加20%，为覆盖层最小容许承载力的37.5%。在D、E、F、G点处第三主应力铅直方向的变化如图12(b)所示，D点处由于距离截水墙较近，在覆盖层上应力值较小，到截水墙底部附近应力值突然增大。坝基面水平段第三主应力在截水墙之前呈现递减规律，在截水墙之后至F点之间呈现递增规律，在F点之后呈现先增后减的规律。坝基面水平段第三主应力曲线分布图如图12(c)所示。

图11 坝基沉降Fig.11 The settlement of dam foundation

图12 坝基第三主应力Fig.12 The third principal stress of dam foundation

(3)坝体应力变形状态分析。与防渗帷幕方案相比，坝体的位移分布规律明显不同，并且顺河向位移和竖直向位移极值增加。坝体的顺河向位移随着高程的增加逐渐增大，在水平方向上，从上游到下游逐渐减小，极值为4.14 mm，位于坝顶上游侧。坝体的竖直向位移沿高程方向变化较小，在水平方向上，从上游到下游逐渐增加，极值为-5.80 mm，位于坝趾处。坝体位移等值线图如图13(a)、(b)所示。

坝体的应力分布规律与防渗帷幕方案大体上相似，但由于设置了截水墙，应力分布规律也有其特点。在上、下游两侧三角形区域一定坝高以下，顺河向应力、竖直向应力和第三主应力的应力值更大，沿坝坡向上、向坝体中间辐射状分布的范围更广，数值变化幅度更大，在坝趾处同样有不同程度的应力集中现象。顺河向拉应力极值为0.05 MPa，位于坝底距下游2/5距离处；顺河向压应力、竖直向应力和第三主应力极值分别为-0.43、-0.41、-0.58 MPa，增幅分别为38.7%、24.2%、28.9%，都位于坝趾。第一主拉应力在坝底分布范围更广，一直延伸至坝踵处，应力极值为0.05 MPa，减少了16.7%，位于坝底距下游2/5距离处。坝体应力等值线图如图13(c)、(d)、(e)、(f)所示。

(4)抗滑稳定安全性分析。坝基面水平段滑动面2如图14所示，滑动面2上竖直向应力和剪应力曲线分布图如图15所示，安全系数分布图如16图所示。滑动面2覆盖层上竖直向应力与坝基面水平段第三主应力的分布规律相似，由于地基较松软，截水墙的刚度较大，起到一定支撑作用，故在截水墙处，竖直向应力较大，呈逐渐增大规律。剪应力在截水墙中点和D点处为零。截水墙中点之前范围内，剪应力为正，有向下游滑动趋势；剪应力在截水墙中点至D点之间为负。D点至滑动面2终点的剪应力较小，为正值，有向下游滑动趋势。滑动面2的点安全系数的最小值为1.98，大于1，但由于截水墙的作用，整体的点安全系数较大，整体抗滑稳定安全系数计算得17.90。

图13 坝体应力位移等值线图Fig.13 Contour of stresse and displacement in the dam

图14 滑动面2示意图Fig.14 Schematic diagram of sliding surface 2

图15 滑动面2应力分布图Fig.15 Stress distribution map of sliding surface 2

图16 点安全系数分布图Fig.16 Point safety factor distribution map

4 讨 论

由以上讨论可知，卵砾石地基上修建这样规模的胶凝砂砾石坝，其结构力学性态良好，安全性高。地基应力小，应力变形均匀，坝体应力变形小，抗滑稳定安全性高。两方案由于地基处理的差异，存在一些不同之处：

(1)由于地基的可灌性不强，防渗帷幕方案帷幕渗透系数较大，而截水墙渗透系数小，宽度大，等势线在截水墙处分布更密集，截水墙方案的浸润线沿上游防渗面板下降更明显，在上游坝体-坝基防渗系统的作用下，水头削减增加28.4%，下游各部位的渗透坡降也减小。由此可见，截水墙方案的防渗效果更明显。

(2)两方案坝基的沉降和应力都较小。防渗帷幕方案地基沉降基本呈对称分布，沉降均匀，截水墙方案由于截水墙的支撑顶托作用使地基沉降从上游至下游逐渐增加，截水墙底部泥岩沉降增加，沉降相对不均匀。防渗帷幕方案坝基第三主应力基本呈对称分布，截水墙方案第三主应力从上游至下游逐渐增大，截水墙底部附近两侧应力较大，有应力集中现象，两方案在覆盖层地基上第三主应力极值分别为-0.25、-0.30 MPa，截水墙方案应力值增大20%。可见，防渗帷幕方案的坝基应力变形状态更好。

(3)防渗帷幕方案的坝体变形和应力都较截水墙方案小。截水墙方案坝体在坝踵下方的截水墙支撑作用下，顺河向位移增加明显，竖直向位移极值增加1.4%。截水墙方案的应力分布规律基本上与防渗帷幕方案的相似，呈现以坝踵和坝趾为中心呈辐射状分布规律，但应力值和变幅更大，辐射状分布的范围更广，其顺河向应力、竖直向应力和第三主应力的应力极值分别增加了38.7%、24.2%、28.9%。防渗帷幕方案第一主拉应力主要集中在坝底中间1/3底宽范围内，截水墙方案则分布范围扩大至坝踵处，但应力极值减少了16.7%。分析表明，防渗帷幕方案的坝体应力变形状态更好。

(4)截水墙方案的上游截水墙深入地基，在起到防渗作用的同时，也间接地起到了齿墙的作用，增加了坝体的抗滑力，与防渗帷幕方案相比，明显增加了坝体的整体抗滑稳定安全系数。

5 结 语

本文以惠水拦河坝工程为实例，通过对弱胶结卵砾石覆盖层地基上两种方案下胶凝砂砾石坝的渗流场、坝基和坝体的应力变形规律以及抗滑稳定安全性进行分析，进而探讨覆盖层地基上修建胶凝砂砾石坝的可能性，以供参考：

(1)两方案的坝体-坝基防渗系统均起到较好的防渗作用，满足防渗和渗透稳定性要求，但由于截水墙的渗透系数较小，截水墙方案防渗效果更佳。

(2)两方案坝基的应力变形都较小，均满足坝基承载力和不均匀沉降要求。坝体应力变形也较小，应力较大值主要出现在坝踵和坝趾附近，拉应力出现在坝底。但防渗帷幕方案坝底对称性较好，故坝体和坝基的应力变形状态更好些。就本工程而言，总体工程量不大，坝体施工建设工期延续时间不长，推荐坝体胶凝砂砾石设计强度等级为C904[16]。

(3)两方案滑动面的最小点安全系数分别为3.09、1.98，整体抗滑稳定安全系数分别为11.09、17.90，抗滑稳定安全性满足要求。因截水墙方案的上游截水墙起到了齿墙的作用，故整体安全裕度更大。

(4)在覆盖层上修建较小规模的胶凝砂砾石坝是可行的。从安全性角度分析，防渗帷幕方案应力变形状态更好，截水墙方案防渗效果和抗滑稳定全性更高；从施工难易程度和经济角度分析，防渗帷幕方案施工方便，更经济。在满足防渗和抗滑稳定安全性的条件下，防渗帷幕方案更实用。

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