堆石混凝土重力坝坝体防渗设计

陈焕民

黔东南州水利投资（集团）有限责任公司，贵州凯里 556000

0 前言

某水库工程主要任务是提供灌溉用水和生活用水，水库总库容1 518万m3，大坝为堆石混凝土重力坝，最大坝高71 m，坝顶总长148 m，坝顶宽6 m；坝体设有永久性横缝，横缝间距为15～20 m，由坝基贯通坝顶；坝体上游防渗层为二级配C25高自密实混凝土，厚0.80 m，防渗等级W10，抗冻等级F100。基础排水廊道为城门洞形，断面尺寸1.80 m×2.50 m，全长106 m，采用50 cm 厚C25 高自密实混凝土衬砌；基础强约束区岸坡段采用C15高自密实混凝土，厚0.60 m，防渗等级W6，抗冻等级F50；其余部位采用C15堆石混凝土，防渗等级W4，抗冻等级F50。

1 坝体防渗设计方案

现行行业标准SL 678-2014（以下简称“导则”）第5.5 节对胶结颗粒料坝（包括堆石混凝土坝和胶凝砂砾石坝两种坝型）的坝体防渗做出了具体规定，其中第5.5.2 条提出胶结颗粒料坝防渗设计的共性要求，第5.5.4 条是在共性要求的基础上提出堆石混凝土坝防渗设计的具体要求。此工程采用防渗自密实混凝土与防渗堆石混凝土共同构建大坝防渗体系的设计方案。

1.1 防渗层材料抗渗等级及防渗层厚度确定

根据导则第1.0.3条规定，当堆石混凝土坝的坝高超过70 m时，应补充必要的专题论证。因此在第5.2.2 条防渗设计的一般规定中，仅针对防渗层承压水头H＜30 m和30 m≤H＜70 m这两种情况提出了抗渗等级分别不低于W4 和W6 的要求，而未对H≥70 m时防渗层的抗渗等级进行规定。

本水库大坝防渗层最大承压水头为70 m，结合现行水利行业规范针对70 m坝高的坝体防渗层材料抗渗等级采用W10相对安全。试验研究表明自密实混凝土具有优良的抗渗性能，在强度等级较低时其抗渗等级也较高，因此选定W10作为此工程防渗自密实混凝土的抗渗等级。此外，第5.2.2条还规定了防渗层底部厚度宜为最大水头的1/30～1/60，此工程从偏安全考虑出发，将大坝防渗层厚度取为2.50 m，为最大水头的1/28。

1.2 防渗自密实混凝土厚度确定

根据导则第5.5.4 条规定，防渗自密实混凝土厚度宜为0.30～1 m。结合以往工程经验，自密实混凝土的胶凝材料用量较高，水化热温升和自生体积变形较大，若防渗自密实混凝土过厚容易增加其开裂风险。因此，此工程防渗自密实混凝土厚度取0.50 m，对应由同标号自密实混凝土填充的防渗堆石混凝土厚度为2 m，如图1所示。

图1 防渗层示意图

防渗层浇筑采用自密实混凝土与堆石混凝土一体化浇筑工艺，浇筑过程中部分防渗自密实混凝土流入坝体内部普通堆石混凝土区域，进而增加坝体防渗层厚度的安全裕度。

1.3 坝体防渗层水平施工缝技术要求

自密实混凝土和堆石混凝土本体均具有优良的抗渗性能，坝体防渗的薄弱环节是堆石混凝土水平施工缝面。堆石混凝土拱坝对层间结合性能要求更高，为了提高层间堆石裸露面积，拱坝工程多数采用塔吊进行堆石，水平施工缝面处理效果良好，大坝堆石混凝土的密实性、防渗性和层间结合质量均满足设计要求，部分蓄水拱坝工程坝体压水试验数据统计见表1。

表1 部分蓄水拱坝工程坝体压水试验数据统计表

对于堆石混凝土重力坝，考虑汽车入仓堆石与仓面块石外露之间的协调关系，提出坝体防渗层水平施工缝技术要求：

在施工缝面的上、下游侧设置堆石外露区，外露堆石高出混凝土浇筑面50～150 mm，露出部分不超过堆石自身高度的1/3，堆石露出的投影面积不小于外露区面积的20%；

堆石外露区在平行坝轴线方向贯穿整个坝段，分别布置于上、下游侧，每侧的范围不小于2.50 m，具体布置参见图2。

图2 水平施工缝面堆石外露区平面示意图

2 坝体防渗设计复核

根据上述拟订方案，复核设计的防渗层抗渗等级与厚度是否满足SL 319-2018及SL 678中的相关规定要求。

2.1 满足SL 319-2018防渗层混凝土水力坡降与防渗等级的要求

SL 319-2018 第8.5.4 条规定了防渗层混凝土抗渗等级应根据其所在部位的水力坡降i确定，根据本工程防渗设计方案，分别从下列3种情况进行复核：

假设2.50 m 防渗层均匀承担全部水头，计算水力坡降i=28，根据SL 319-2018的规定，防渗层材料抗渗等级取W6即可满足要求。此工程防渗层抗渗等级取W10，表明防渗设计方案足够安全。

假设防渗自密实混凝土和防渗堆石混凝土各自承担部分水头，已知自密实混凝土抗渗等级为W10，堆石混凝土的抗渗性能相较于自密实混凝土稍有下降（骨料粒径过大后，过长的胶结面使得抗渗性能有所降低），防渗堆石混凝土抗渗等级取W6。计算二者可抵御的水头高度见表2，结果显示此防渗设计方案至少能够抵抗85 m 水头，表明此防渗设计方案足够安全。

表2 防渗自密实混凝土取不同水力坡降下防渗设计方案可抵御水头高度表

仅考虑0.50 m防渗自密实混凝土防渗的最不利工况，对应水力坡降i=140＞50，其抗渗设计等级W10也满足规范要求。

2.2 满足SL 678承压水头与防渗厚度的要求

SL 678 规定在堆石混凝土重力坝的上、下游侧的水位变动区和水下区域均宜设置防渗区，防渗区由自密实混凝土防渗面层和堆石混凝土防渗区组成，并同步整体浇筑。

水库大坝最大承压水头为70 m，防渗层厚2.50 m，其中自密实混凝土防渗面层宽度为0.50 m，防渗区自密实混凝土抗渗等级统一采用W10，满足SL 678要求。

3 结论

综上所述，此水库工程大坝防渗层设计为0.50 m 的W10防渗自密实混凝土和2 m 的同标号自密实混凝土填充的防渗堆石混凝土共同构成，不仅符合SL 678 和SL 319 的规定，而且经过复核留有富裕的安全保障。此外，在此水库大坝施工缝面的上、下游侧需设置不小于防渗区宽度的堆石外露区，进一步提高堆石混凝土重力坝的层间结合性能。