深厚覆盖层土石坝垂直防渗方案优化研究

谭清顺

(齐齐哈尔市铁锋区水利站，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

1 绪 论

新疆下坂地水利枢纽工程坝基覆盖层深厚，地质条件复杂，通过模拟计算分析大坝正常蓄水位若坝基不处理，大坝渗漏总量为1.24m3/s，年渗漏损失3620万m3，渗透坡降0.55，远>允许坡降0.1和临界坡降0.31，坝基将会出现大面积的渗透破坏[1]。渗流模拟分析说明该土石坝垂直防渗体系只有采取全断面截断覆盖层渗流的形式，才能有效阻止坝基渗流，工程才具备运行期的安全稳定。

2 垂直防渗试验及方案优化

2.1 工程概况

下坂地水利枢纽工程主要以蓄水为主，兼顾发电效益，工程规模Ⅱ等大(2)型，主要建筑物为沥青混凝土心墙坝、泄洪洞、引水系统和厂房。水库总库容8.67亿m3，电站总装机150MW，年发电量4.735亿kW·h，最大坝高78m[2]。坝基深厚覆盖层地质剖面图，见图1。

图1 坝基深厚覆盖层地质剖面图

2.2 防渗墙和灌浆帷幕组合

2.2.1 防渗墙顶高程确定

取坝址左岸台地高程作为防渗墙顶高程，选用防渗墙85m墙深时防渗墙不能全部穿过左岸砂层透镜体，将给帷幕灌浆施工造成一定难度。防渗墙顶高程放在2897m的可有效降低坝基防渗工程量，任何墙幕组合型式防渗墙均能穿过沙层透镜体，避免了沙层灌浆。当开挖至2897m高程，表层松散结构体全部挖除，同时防渗墙施工平台位于冰碛地层，地质条件较好，不需加固施工平台。

2.2.2 不同深度墙幕结合方案造价对比

通过同类工程坝基防渗试验对比表明，墙深60-80m的施工工效最高，为深度0-60m平均施工工效的77.7%，墙深80-102m工效为68.65%。

不同防渗墙深度的人、材消耗系数[3]，见表1：

表1 不同深度防渗墙成槽人、材系数

套用定额单价进行系数扩大可得不同墙深的造孔单价。不同方案工程量及投资对比表，见表2。

表2 不同深度墙幕方案工程量及投资对比表

2.3 防渗墙和灌浆帷幕深度组合

在下坂地坝基覆盖层中采用80m、85m、90m、95m、100m五个不同深度的防渗墙与灌浆帷幕组合型式进行技术经济综合对比[4]，来确定最优组合。

技术方面，80m深防渗墙可包住砂层透镜体，但考虑10m搭接后，帷幕顶部高程在砂层透镜体内，不能保证灌浆质量。墙深80-100m为技术合理区，该范围均能达到坝基渗漏量的控制标准，超过100m时防渗效果甚微且增加投资，且施工工效明显降低，故选用防渗墙槽孔造孔深度小的方案。防渗可靠性方面，随着防渗墙深度加大，防渗体系越可靠，带着的施工难度相应增加。从施工角度看，80m与85m深度防渗墙槽孔施工难度、工效基本相同，而墙深>85m施工工效明显降低，因而相对于其他墙深而言设计推荐防渗可靠性较好、施工相对较简单的85m深防渗墙方案；因为防渗墙施工，因此防渗墙施工相对简单，工效稳定，墙体的施工质量有充分保证。投资角度分析，防渗方案总体投资较小，85m深防渗墙仅比80m增大1.68%，故选用85m深防渗墙，可保证工效最高，工期最短。

2.4 墙体材料及墙厚

墙体材料主要研究材料弹模带来的应力变化，取墙厚1m，墙体弹模为30GPa、28GPa、25.5GPa、1GPa、0.8GPa及0.5GPa，建模分析防渗墙应力应变三维有限元计算结果。防渗墙的最大应力与最大位移计算结果，见表3。防渗墙应力计算结果。见表4。

表3 防渗墙的最大应力与最大位移计算结果

表4 防渗墙应力计算对比表

从上述结果可知，混凝土防渗墙弹性模量从25.5GPa提高到30GPa，竣工期的最大压应力在17.4-19.1MPa，蓄水期为16.0-17.8MPa，墙体应力在常规混凝土C20的抗压强度范围内。墙体局部产生较大拉压应力，南水模型的最大压应力19.0MPa，最大拉应力1.2MPa，邓肯模型的最大压应力20.2MPa，最大拉应力1.8MPa。

为研究不同防渗墙厚度的墙体应力变化，取防渗墙弹模为25.5GPa，墙的厚度分别取0.8m 、0.9m、1.0m 、1.1m、1.2m的应力计算，不同防渗墙厚度的应力值，见表5。

表5 不同防渗墙厚度的应力值

由表可知，最大应力随防渗墙厚度的增大不断降低，当墙厚度为1m时墙体的最大应力为18.4MPa，采用1m厚的常规混凝土，防渗墙受力上满足结构受力要求；抗渗角度看，坝基混凝土防渗墙的允许水力坡度取Jp=80，最大水头72m，厚度为1m的防渗墙最大水力坡降J=72，<允许水力坡降，满足抗渗要求；当厚度<1m时，应力过大；>1m时经济性较差。综合考虑选用墙厚为1m。

2.5 灌浆材料及帷幕体允许水力坡降

灌浆材料采用水泥黏土浆，黏土采用乌洽红黏土。在坝基防渗帷幕灌浆现场试验中，试验区共设置3个检查孔，每孔选2段进行压水试验。根据压水成果，定义水头衰减系数0.8，当安全系数为K=5和10时的允许水力坡降计算结果，水力坡降计算表，见表6。

表6 水力坡降计算表

从上述结果来看，深层帷幕的允许水力坡降值较规范规定空间较大。当安全系数取5是，幕体允许水力坡降>4.6。幕体破坏压力中，6个压水试验段3段不满足设计压力值要求。

2.6 防渗结构优化

经综合比较确定混凝土防渗墙深85m，墙厚为1m。左岸193m墙段墙顶高程2897m，右岸110.76m墙段墙顶高程2888m，墙底高程2812m。在防渗墙内预埋1排灌浆管，预埋管间距2m。墙体混凝土C25，抗渗等级为W8。

根据幕体允许水力坡降，防渗墙下接4排帷幕，墙外3排灌浆孔，上部70m空钻段下设护壁套管。帷幕灌浆第1、3排排距2.5m，中间排结合灌浆廊道的布置取排距为3.2m， 孔距3.0m。其中3排帷幕灌浆孔伸入基岩，中排孔伸入基岩10m，两边排孔伸入基岩5m。墙幕搭接长度按坝基渗流沿防渗墙下端部绕渗渗径≥帷幕厚度考虑，拟定墙幕搭接长度为10m。

图2 防渗体系典型断面图

3 结 论

文章针对坝基深厚复杂地质区的下坂地水利枢纽工程，根据地质条件和材料参数进行坝基三维渗流分析，提出垂直防渗体系中的防渗墙和防渗帷幕的最优组合，综合对比不同墙深、墙厚、搭接长度等因素，从施工组织、防渗、投资角度分析不同方案的可行性，最终确定最优的防渗处理方案，通过结果表明该防渗方案可有效截断坝基渗漏。