超百米深河床覆盖层大坝围堰基础防渗设计方案比较研究

马敬 蒋兵

新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，中国·新疆 乌鲁木齐 830002

围堰基础防渗；方案分析；基坑排水

1 引言

中国坝工建设中，超百米深河床覆盖层的深基础大坝工程已建有数座。深防渗墙的施工技术日趋成熟，设计与实施已不是难题。但是，因主体基础防渗墙具有深度大，难度高，施工周期长等特点，加之上游围堰基础防渗情况又与防渗墙施工、坝体填筑实施等直接相关，所以，围堰基础防渗设计也是此类项目设计的关健，倍受关注。一方面，围堰防渗基础属临时工程，如与主体工程做同等深度全防渗，虽利于主体防渗墙及坝体填筑施工，但存在工期长、强度大、造价高等弊端。另一方面，如围堰基础做不完全防渗，虽节约了投资，但后序施工排水等带来的问题也是不易解决的难题。在兵团石门水库建设中，结合具体的地质、水文与施工条件，设计方案与施工组织紧密结合，对深覆盖层大坝围堰防渗基础的设计进行了科学严谨的分析论证，并得出了最优方案。该方案已在石门水库工程中成功应用，积累了成功经验，对类似工程具有很好的借鉴意义。

2 工程简介

中国新疆石门水库工程隶属兵团第二师，位于莫勒切河出山口处，地处祖国南疆边境，距乌鲁木齐市1450km。石门水库为莫勒切河上的一座拦河水库，枢纽建筑物由拦河大坝、底孔泄洪冲砂洞、表孔溢洪道组成。大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高81.5m，坝顶宽10m，坝顶长530.6m，上游坝坡为1:2.25，下游坝坡为1:2。坝体座落在第四系全新统冲洪（Q4al）漂卵砾石层及中更新统冰水沉积（Q2fgl）卵砾石层，最大覆盖层厚度118.7m，河床海拔高程2327m。大坝基础防渗形式采用混凝土防渗墙与基岩帷幕灌浆相结合，为完全防渗结构。防渗墙最大深度118m，伸入基岩1m，墙底设50m 深帷幕灌浆。大坝上游围堰工程为永临结合，是永久坝体的一部分，最大堰高24m。

莫勒切河发源于巴音郭楞蒙古自治州南部昆仑山北麓和阿尔金山的两条东西相邻河流，多年平均径流量大于2.71 亿m3，多年平均流量9.75m3/s，主要为暴雨洪水或雨雪混合洪水，主汛期在6-8月；最枯月为3月，最枯期多年平均流量1.33m3/s；9月中旬10年一遇洪峰流量为 69.8m3/s。河流出山口附近年平均气温2.3℃，最高月7月平均气温17.7℃，最低月1月平均气温-11.5℃。

3 坝址区工程地质条件

水库坝址区位于莫勒切河出山口处,为低中山河谷地貌,山顶高2500m,两坝肩基岩山体较为雄厚。该段河谷呈U 型,走向近南北向,河道纵坡11‰。现代河床宽200 ～380m,高程2325m 左右,河床为第四系全新统冲洪（Q4al）漂卵砾石层及中更新统冰水沉积（Q2fgl）卵砾石层，最大厚度118.7m。工程区地震动峰值加速度0.2g，地震动反应谱特征周期0.40s，相应地震基本烈度Ⅷ度。

地质勘察期采用现场原位测试及室内试验等方法，查明坝址区覆盖层物理力学性质，各项试验物理成果如表1所示。

4 大坝围堰基础防渗设计方案的分析论证

本工程大坝基础防渗墙为完全截渗结构，轴线长度335m，最大墙深118m，伸入泥岩1m，总成墙面积为39500m2。参照中国高原地区已有的超百米深（1m 厚）基础防渗墙施工平均能力水平140m2/d,石门水库大坝基础防渗墙施工用时需13 个月，需跨越一个主汛期。结合河道截流工时段，设计安排防渗墙施工均在枯水期进行，即河道两侧滩地处共255m 长的防渗墙施工在开工后第一年的枯水期9月开始，至第二年5月完成，第二年6、7、8 三个月主汛期不施工，待9月中旬河道截流后，围堰已进行填筑的10月初开始施工主河槽剩余段90m 长的防渗墙，防渗墙施工完成后即进入地上工程沥青混凝土心墙坝的填筑施工。

结合以上总体工期安排，并分析莫勒切河的河道特点，由水文勘察可知，莫勒切河为全年无干枯河流，多年平均流量9.75m3/s，枯水期多年平均流量1.33m3/s，枯水期主河槽水面宽40 ～70m，两侧滩地均无明水。充分分析水文、气候、施工条件等基础资料，研究大坝围堰基础的防渗设计型式事关主河槽段防渗体及大坝填筑施工，因此，在确保安全、可靠的前提下做到节约工期、节省投资，设计分别考虑了如下两种围堰基础防渗设计方案进行比较，并最终推荐了较优方案，指导了该项目的顺利实施。

4.1 方案一：上游围堰基础设0.5m 厚完全防渗墙[1]

该方案为在上游围堰前坡脚处设116.1m 深50cm 厚的混凝土防渗墙，防渗墙深入底部岩石，上部与围堰土工膜斜墙防渗体相接，此方案围堰为完全防渗结构。围堰防渗轴线长360m，成墙面积44000m2, 围堰防渗墙施工开始时段与主体防渗墙施工同步进行，但围堰截渗墙可以利用枯水期全部施工完成，即开工后第一年10月开始，至第二年5月完成，施工强度190 m2/d,9月份河道截流后可以进行围堰填筑、主河槽段的主体防渗墙及后序的坝体填筑施工。方案一围堰基础完全防渗墙设计横断面图及主要工程量投资情况见图1、表2。

表1 覆盖层主要物理力学性质参数表

图1 方案一：大坝围堰基础完全防渗设计横断面图

表2 方案一：大坝围堰基础完全防渗方案主要工程量及投资情况表

4.2 方案二：上游围堰基础设（0.5m 厚）悬挂式防渗墙[1]+截流后主体工程施工期(堰顶高程以下部位)的经常性排水[2]

经分析，该工程基础防渗墙主河床段施工在截流后10 ～1月进行，若围堰基础做非完全截渗结构，存在该时段枯水期排水问题；沥青混凝土心墙坝体填筑在第三年的3月中旬开始进行，3月中旬至5月底，主汛期来临之前，按照新疆地区沥青心墙坝施工平均水平，土方填筑强度35 万m3/月，每月有效施工期25 天，沥青心墙上升速度不低于9m/月，经计算，主汛期之前，坝体填筑高度不低于18m，即达到2342.5m 以上。依据水文成果，该河枯水期多年平均流量1.33m3/s，截流时段9月上旬，10年一遇的旬平均流量为21.1m3/s，最枯月为三月10年一遇平均流量为2.16m3/s，按10年一遇各月平均流量计算堰前水位-流量关系可知，主河槽段防渗墙施工期10月至1月，堰前最高水位在9月底，水位高3.5m，大坝开始填筑期3月中旬，堰前最高水位为0.9m，至5月底，堰前最高水位为8.7m，取枯水时段堰前最高水头为10m，堰后未进行坝体填筑施工的最不利工况进行围堰基础防渗墙悬挂深度设计，设计分别初拟了6m、8m、10m、12m、15m 等5 种深度进行渗流稳定分析及渗漏量计算。围堰堰体的防渗型式与方案一相同，即上游坡设土工膜斜墙防渗结构与基础防渗墙相连。不同工况下围堰悬挂防渗墙的渗透稳定计算[1]见表3。

表3 围堰悬挂式防渗墙基础不同工况的渗透稳定计算表

经对几种不同堰前水位分别对应不同防渗墙深度的渗透稳定分析计算可知，堰后最大出逸出降值均发生在堰后坡脚最低处，通过以上计算表可见，当防渗墙深度大于10m 后，堰后最大渗透比降值趋于稳定，即随着防渗墙深度的加深，渗透比降减小不明显或没有减小，其中枯水期9 ～3月，堰后比降值最大0.07，最小0.02，均远远小于地质勘察给出的围堰填筑砂砾料允许出逸比降0.25；5月底堰前最高水头为10m、防渗墙深度大于10m 工况，堰后最大出逸比降为0.21，发生在堰后坡脚，虽接近允许出逸比降值，但该种工况在实际施工中不存在，可作为围堰设计的安全复核工况。根据最低施工进度，该时期堰后坝体上升高度已大于18m，不存在堰后渗透不稳定问题。因此，综合渗流计算、安全、经济等因素，该方案围堰基础防渗墙深度取12m。

结合枯水施工期堰体渗流计算，该时段最大渗漏量为57.53m3/天/米，即 2.4m3/h/米，则围堰总渗漏为910m3/h,施工排水可由集水明排解决，即在围堰下游侧设一条排水明渠，排水渠内每隔50m 设一集水井，排水渠深1.5m，集水井较排水沟深1m，排水渠底宽3m，开挖渠边坡为1：2，集水井个数为8 个，沿排水渠匀均布设，每个集水井布置一台离心泵，单台离心泵技术参数为：流量150m3/h，扬程50m，电机功率30KW，可满足整个枯水施工期的抽排水要求。方案二围堰基础悬挂式防渗墙设计[1]与施工布置横断面图及主要工程量投资情况见图2、表4。

5 方案的比较与确定

方案一：优点是基础完全防渗结构保证了主河槽段施工可在较干燥的作业面进行，基本无施工排水问题。缺点是围堰完全防渗墙施工投入的机械设备较多，加之与大坝防渗墙同期施工，总体防渗墙施工的强度较高；且工程投资较高，堰体填筑、基础处理及少量排水工程投资约3574.69 万元。

方案二：优点是悬挂式防渗墙，墙体深度较浅，施工容易，且与施工排水相接合的总体工程投资较低，约为2729.05 万元，较方案一投资节约850 万元。缺点是该方案主体工程施工需有连续几月的基坑排水相配合，对现场施工组织要求高，特别科学排水要求严格，并应严格把握施工进度，确保工程如期进行。

图2 方案二：围堰基础悬挂式防渗墙设计及施工布置横断面图

表4 方案二：大坝围堰基础悬挂式防渗方案主要工程量及投资情况表

为保证石门水库工程的质量与进度，大坝基础防渗墙工程在正式开工前进行了试验段施工。经试验，防渗墙的施工进度略高于设计平均进度，约为230m2/天，因此在试验段成果的基础上，围堰基础防渗设计推荐方案二，即悬挂式防渗墙方案。

6 结语

石门水库工程于2013年7月正式开工，2016年9月下闸蓄水，2017年6月工程全部完工，水库建设顺利，至今该水库已正常蓄水运行，经各种监测数据显示，水库运行情况完好，坝体稳定、安全。超百米深河床覆盖层的大坝围堰悬挂式基础防渗的设计已在新疆兵团石门水库中得到成功应用，并为国家节约了工程投资，愿该经验能给类似工程以参考和借鉴。