深厚覆盖层上土石围堰渗流控制体系及结构安全研究

张家发，李少龙，潘家军，姜志全，刘 军

(长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室;b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 概述

在河道上开展工程建设时，往往需要依靠围堰维护施工场地。拦河大坝、水电站厂房、泄水闸、船闸等水利水电工程及航运工程的建设，更需要借助围堰工程使河水改由束窄的河床或者另外修建的导流建筑物通过，才能在围堰保护的场地内开挖基坑，并按设计要求开展建筑物的建设［1］。

在三峡水利枢纽工程的设计过程中，围绕围堰工程开展了大量研究工作。20世纪50年代就进行了抛填料密度试验研究。20世纪80年代集中进行了二期围堰防渗方案和围堰结构变形与稳定性的研究。尤其是通过“七五”、“八五”攻关，在围堰工程的研究方法、围堰填料特性、防渗结构形式、材料配方、施工技术、质量控制、监测技术等很多方面取得了一大批研究成果，为保障围堰工程的合理设计、顺利实施和安全运行提供了重要的技术支撑［2］。在二期围堰的建设和运行过程中，工程安全广受关注，而围堰工程设计和科研人员出于验证设计科研成果的愿望，也密切关注着堰体变形和防渗体的运行性态。作为围堰工程设计方案主要研究单位，长江科学院有幸继续开展了围堰工程运行期的安全监测工作，并在围堰拆除过程中开展了现场调查分析和补充试验研究［3］。

进入新的世纪以后，我国水利水电工程建设的重心进一步向西南地区转移。三峡工程二期围堰的设计科研成果可以为这些地区围堰工程的设计提供重要借鉴作用。但是，金沙江、雅砻江、大渡河、乌江等流域在建和即将建设的大型水电工程，大都建在厚达几十米到几百米深厚覆盖层上。如乌东德坝址处覆盖层厚达60 m［4］，白鹤滩覆盖层厚达59 m，向家坝覆盖层一般厚达30～60 m，冶勒水电站覆盖层厚度超过420 m［5］。这种基础条件为围堰工程的基础防渗带来了新的挑战。这些地区的当地建筑材料条件也与三峡工程有差别，这为堰体填料、防渗墙材料的选择与设计也带来了新的约束条件。

为了克服深厚覆盖层条件下土石围堰工程设计、施工面临的难题，在2008年启动的国家“十一五”科技支撑计划项目“特大型梯级水利水电工程安全及高效运行若干关键技术研究”中，第二课题“深厚覆盖层条件导截流及围堰安全控制技术”将“围堰防渗体系及结构安全研究”列为第4专题。到2011年6月为止，长江科学院联合长江勘测规划设计研究院、华东勘测设计研究院、三峡大学共同完成了专题研究任务，达到了创新目标，并顺利通过验收，本文将概要介绍长江科学院、长江勘测规划设计研究院、华东勘测设计研究院联合开展研究的主要内容和结论，详细研究方法和具体成果将由研究团队成员另行撰文介绍。

2 围堰工程特点和渗流控制目标

土石围堰工程本身就是一座土石坝，但是与一般土石坝相比，深厚覆盖层上土石围堰的填筑施工、材料和运行条件具有如下特点:

(1)河床表面为建基面，松散覆盖层为基础。

(2)截流戗堤和部分堰体需要在水下施工。为应对深水和急流施工条件，截流戗堤往往通过抛投块石、钢架石笼，甚至预制混凝土四面体形成，存在架空现象和大孔隙;为了便于防渗墙施工，其上游堰体需要采用控制最大粒径的土石抛填，填筑体密度低。

(3)大多数围堰工程，尤其是西部高山峡谷地区的围堰工程，一般采用河床砂砾石料、崩塌堆积体、残积土、岩石风化料填筑。水利水电工程建设会产生大量的开挖弃料，为了减少环境影响和提高土方利用效率，硐室等开挖弃料往往被大量用于围堰工程。

(4)围堰工程作为水利水电工程的准备工程，为了控制准备阶段的时间周期，也为了充分利用枯水季节作为有利的截流施工条件，围堰工程往往施工期短，施工强度很大。

(5)围堰工程建成后要经历基坑开挖和运用过程。例如图1中的乌东德水电站上游围堰，不仅堰体高度达70 m，而且在距离堰脚50 m处以外开挖基坑，逐步揭穿各层覆盖层，最终形成高达84.8 m的开挖边坡。堰体和堰基一起形成了高达154.8 m的复合边坡。基坑开挖过程中和完成后，堰体和堰基的渗流场经历复杂的变化，堰体和基坑的渗透稳定、堰基变形和与之紧密相关的围堰结构稳定、防渗体安全也要经受相应的考验。

上述特点为围堰工程的设计和科研带来的挑战，可以归纳如下:

(1)围堰基础和水下抛填施工堰体的防渗只得采用垂直防渗方案。堰体密度低，覆盖层中可能存在漂砾，防渗依托层埋深大，这些都限制了防渗墙施工方案的选择范围。在特别深厚的覆盖层条件下，防渗墙甚至无法深达可靠的防渗依托层，不得不采用悬挂式防渗墙方案。

图1 乌东德水电站上游围堰设计剖面图Fig.1 Sectional drawing for the designed upstream cofferdam of Wudongde Hydropower Station

(2)基坑和围堰边坡的排水尤为重要。一方面，覆盖层结构复杂，砂层、砂卵石层渗透稳定性差，基坑开挖施工需要超前排水才能避免出现渗透稳定问题和抗浮稳定问题;另一方面，基坑开挖边坡高，需要通过排水降低出逸段和水压力，才能促进边坡的稳定性。当采用悬挂式防渗墙方案时，排水措施更显必要。所以深厚覆盖层上围堰工程的安全及其功能的发挥，需要依赖综合防渗、排水措施的渗流控制体系，而不仅仅是防渗体系。

(3)设计的堰体结构，尤其是防渗体结构形式与材料方案，必须足以维护防渗体的完整性。

(4)需要密切监控堰体和防渗体的运行性态，及早判断不利于围堰工程安全的变化趋势，以便根据工程安全的需要，及时调度渗流控制体系，或者调整基坑施工方案。而实际上，针对防渗墙的监测仪器的埋设还是个难题。

为了保障围堰工程及基坑开挖和施工的安全，并有效地发挥围堰工程对于施工场地的维护作用，应该通过设置渗流控制体系，达到如下总体目标:

(1)有效控制堰体、堰基渗流场，保障堰体渗透稳定和堰体结构稳定，以及基坑开挖施工和永久建筑物施工的安全;

(2)有效控制基坑内的水位和地下水位，尽力提高排水效率，以保障工程工期，降低工程建设成本;

(3)在确保工程安全、有效控制工期和成本的同时，合理控制对于周围环境、地面设施和永久建筑物基础的不利影响。

上述前2条是所有围堰和基坑渗流控制体系应达到的目标，第3条目标对于平原地区的水利水电工程建设具有重要意义，要防止基坑排水造成的地面不均匀沉降、甚至塌陷危及邻近的堤防、水闸等水利设施，交通设施，房屋建筑，水、电、气输送管线，电力塔等等的安全。

当围堰已经建成以后，围堰和基坑安全的影响因素包括上游河道水位、下游基坑开挖、基坑排水，甚至大气降雨、施工用水、施工动荷载等动态因素。所有与水有关因素的作用都需要通过渗流控制体系的有效运行，甚至适当的调度运用得到制约或者补偿。

针对具体的围堰工程，要在上述总体目标下，详细研究制定渗流控制的具体目标。例如图1所示的乌东德上游围堰工程，应根据堰体填料和覆盖层的渗透变形特性研究确定堰体和堰基关键部位渗流比降的控制目标;根据堰体和基坑开挖坡稳定性的需要，研究堰体、堰基中的渗流场分布和基坑开挖坡的出逸段高度控制目标。围绕这些目标，研究渗流控制体系的具体设计方案，如围堰防渗体的布置、结构形式、材料和设置深度，堰体的分区反滤保护方案，堰基和基坑的排水方案，堰体和基坑开挖坡的防护方案等等。

3 主要研究内容和技术路线

本专题题目为“围堰防渗体系及结构安全研究”，以下称为“围堰渗流控制体系及结构安全研究”，这样不仅与围堰工程特点更贴切，也能更全面地反映本次实际开展的研究工作。

课题“深厚覆盖层条件导截流及围堰安全控制技术”中第3专题“深厚覆盖层及堰体材料的工程特性研究”与本专题关系密切，其研究成果为本专题提供重要基础。

本专题结合上述围堰的施工、运行条件和功能要求，通过4个子题对围堰渗流控制体系及结构安全的关键问题进行研究:

(1)深厚覆盖层上围堰渗流控制体系研究;

(2)防渗体与堰体和地基相互作用模拟技术研究;

(3)围堰结构安全监控及综合评价方法研究;

(4)围堰防渗体建设新技术新材料研究。

专题研究过程中，充分吸收三峡二期围堰等工程的已有研究成果和工程经验，并补充必要的试验工作进一步揭示其防渗体的变形机理，以乌东德和白鹤滩水电站的围堰工程为主要依托，采用第3专题“深厚覆盖层及堰体材料的工程特性研究”提出的最新研究成果，通过物理模型试验、数值模拟、材料配方试验等开展本专题的针对性研究工作。

图2是本项研究的技术路线简图。开展渗流控制体系及其论证方法，主要是数值模拟方法的研究，在此基础上开展对实际工程的渗流场和渗流控制体系的研究;通过防渗体与周围介质接触作用的模型试验，提出和完善接触作用模型及数值模拟方法;通过对实际工程的数值计算研究防渗体与堰体及覆盖层之间相互作用机理;通过渗流场模拟和应力应变计算工作之间的互动，充分发挥渗流控制体系促进防渗体安全和围堰结构稳定性的作用;根据围堰和防渗体的应力状态和变形特性，提出防渗墙材料设计的强度和模量等指标要求，据此开展防渗墙材料的配方研究;针对提出的防渗墙体材料，试验研究材料本构模型参数，反过来又运用到围堰的应力应变计算中，通过围堰及其基础与防渗体变形的分析，提出保障防渗体安全的变形控制目标;根据堰体和防渗墙之间相互作用的模拟成果，通过模型试验，研究提出土工膜与防渗墙之间新的连接形式，以防止二者连接部位的破坏;研究防渗墙表面监测仪器的埋设方法，研制相应的设备;根据深厚覆盖层围堰工程的特点，研究综合安全评价方法。

图2 技术路线图Fig.2 Technology roadmap

4 重要研究结论与建议

4.1 结 论

(1)总结围堰与大坝的差异体现在:围堰的施工条件远远不同于大坝，决定了围堰具有不同的基础条件、堰体结构形式、适用材料和建筑质量;基坑开挖是对围堰运行条件不断改变的过程，决定了堰体和堰基的渗流场将经历更复杂的变化。围堰和基坑的安全依赖于渗流控制体系的合理设置，同时围堰要经历复杂水文、气象和施工过程，也需要通过渗流控制体系的有效运行，甚至适当的调度运用得以保障。

(2)针对深厚覆盖层条件下围堰工程的特点，系统论述了围堰和基坑的渗流控制措施及其适用条件，以及渗流控制体系失效的后果，提出了失效表现形式，并建议作为早期失效的判别依据，相应地提出了失效的应急处置方案与后期处理措施。

(4)通过对乌东德水电站上游围堰渗流控制措施研究表明，采用塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜下接基岩帷幕灌浆的封闭式垂直防渗措施，对于堰体渗流场可以起到有效的控制作用，当基坑开挖到设计高程时，围堰防渗墙下游侧的自由面已经降至覆盖层中，但是基坑开挖坡上出逸段较高，排水措施既可用于基坑开挖的超前排水，也可用以降低开挖坡附近的自由面，以促进边坡的渗透稳定和结构稳定。

(5)多层结构的深厚覆盖层中，被防渗墙切穿地层的渗透性越强，防渗墙的渗控作用越显著;当防渗墙未切穿渗透性较强的地层时，防渗墙的渗控效果会显著降低;地层渗透性越强，基坑开挖的超前排水越有必要，排水效果也越显著。

(6)防渗墙的底部存在局部施工缺陷时，对基坑边坡出逸高程和出逸比降影响不大，但缺陷部位的集中渗流使其下游侧覆盖层中的局部比降升高，可能造成结构欠稳定的覆盖层发生渗透变形;土工膜与防渗墙搭接部位局部拉裂或破损，对边坡出逸影响也不大，但是缺陷部位附近的渗透比降较高，堰体的渗透稳定性有赖于下游侧反滤层的保护。

(7)渗流场数值分析是围堰渗流控制体系论证的有力手段。二维和三维渗流模型的结合使用可以有效地进行渗流控制方案对比;在分析防渗体出现缺陷或绕渗的影响时宜采用三维渗流模型;区域性的三维渗流模型可用以论证综合渗流控制体系布置方案，尤其是在排水井群布置方案和排水量的研究中可以发挥优势。这些研究方法在三峡二期围堰、汉江兴隆水利枢纽围堰、乌东德水电站上游围堰、南水北调中线穿漳工程和引江济汉工程进口段基坑等的渗流控制体系论证中发挥了重要作用。

(8)采用长江科学院大型叠环式剪切仪，进行了防渗墙墙壁与周围介质接触面特性大型叠环试验研究，根据试验结果分析了泥皮存在与否对防渗墙与周围介质接触特性的影响，提出2种条件下剪应力与剪位移关系分别呈刚塑性变化和双曲线变化。

(9)改造三轴压力室上的试验装置，开展防渗墙墙顶刺入堰体的物理模型试验研究，揭示了在不同上覆初始压力下防渗墙墙顶阻力及刺入变形发展过程及规律，提出了描述墙端阻力－刺入变形非线性接触面模型及其参数确定方法，据此完善了有限元计算程序，通过有限元计算结果与试验曲线比较，验证了模型的合理性和适用性。

(10)采用大型直剪仪进行了复合土工膜与砂砾料的直剪摩擦试验，获得了砂砾料与复合土工膜的摩擦系数范围;揭示了摩擦系数随砂粒含量和相对密度增加而增大的规律;当砂砾石层饱水时会导致摩擦系数有所减小，但影响不大。

(11)应用本专题提出的防渗墙体与周围介质接触模型，通过非线性有限元应力应变分析，研究了乌东德和白鹤滩深厚覆盖层围堰工程防渗体与堰体和地基相互作用机理，提出了乌东德围堰防渗墙材料的强度和模强比(弹性模量与抗压强度的比值)等建议指标，以及防止防渗体破坏的变形控制标准，可供工程设计和安全评价参考采用。

(12)根据规范规定的有关布置原则，结合三峡二期围堰、小浪底围堰等工程安全监测实践经验，归纳提出了围堰结构安全监测布置原则;以乌东德水电站上游围堰为例，结合本专题应力应变分析、渗流控制研究成果，系统提出了深厚覆盖层条件下土石围堰安全监测布置原则及监测工作重点。

(13)针对先填水下堰体后施工防渗墙的围堰工程施工特点，提出了改进顶推法埋设防渗墙界面土压力盒的新技术，并研制了顶推装置样机;通过模拟试验验证了技术的可靠性，解决了防渗墙界面土压力盒埋设技术难题。

(14)针对深厚覆盖层条件下土石围堰工程及运行的特点，以监测资料为基础、以有限元反分析为主要技术手段，提出了评价围堰结构安全状态的综合方法，也为完善模型参数提供了方法，有利于更可靠地分析预测后续施工条件下围堰结构安全状态。

(15)依据本专题通过围堰应力应变分析提出的防渗墙参数指标要求，采用乌东德白云岩作骨料，试验提出了塑性混凝土配合比，其强度可达6.6 MPa以上，模强比低于220，达到了“高强低弹”的目标，更适用于深厚覆盖层条件下高围堰工程的防渗墙建设。

(16)龄期28 d后，塑性混凝土防渗墙材料的抗压强度和弹性模量仍有增长，但抗压强度增长较快，模量增长较慢，模强比随龄期的增长有所降低，并趋于稳定，说明其长期性能对围堰工程安全更加有利。

(17)借助CT技术研究表明，塑性混凝土试样在应力峰值前后开始出现裂纹，试样密度减小，试件趋于破坏，从细观上揭示和量化了塑性混凝土破坏过程。

(18)通过离心模型试验，研究了土工膜与防渗墙之间的不同连接形式，结果表明，在以往采用的连接形式下，填料沉降和防渗墙变形产生的拉力可致使土工膜在与防渗墙连接部位拉断;采用本次新提出的联结形式，改变了土工膜的受力方式，可有效防止土工膜拉断。

(19)通过直剪摩擦试验，研究了土工膜与填料之间的界面摩擦效应、上覆压力与土工膜拉伸强度之间的相互关系，提出了保证设有伸缩节的土工膜不被拉断应满足的条件，即土工膜所受拉力及摩擦力均小于拉伸强度。为此，宜选用拉伸强度较高的土工膜、摩擦系数低的界面材料，或减小土工膜埋置深度。

4.2 建 议

(1)实际工程中应结合具体的覆盖层条件、围堰结构形式及其运行条件，具体研究渗流控制目标、渗流控制体系失效判别标准、防渗墙的强度指标及防止防渗体破坏的变形控制标准等，以便对工程设计、运行和安全管理提供直接的指导作用。

(2)鉴于改进顶推法仅进行了界面土压力盒埋设模拟试验，仍然有待于通过实际工程检验，建议在乌东德土石围堰防渗墙工程及白鹤滩土石围堰防渗墙工程中，开展防渗墙界面土压力盒埋设新技术的应用研究，以进一步优化埋设技术，实现推广应用。

(3)围堰工程施工中应夯实防渗墙附近的覆盖层，适当提高防渗墙附近填料的密实度，以增强其对防渗墙的约束能力，改善墙体的应力状态，加强对围堰填料与覆盖层界面处防渗墙应力变形的监测。

致谢:感谢国家“十一五”科技支撑计划和中国长江三峡集团公司对本项研究的支持。专题组成员共同为本项成果的取得做出了贡献，另有许多专家为立项论证、研究工作的开展及成果的完善提供了宝贵的帮助和重要的意见，在此一并致谢。

［1］郑守仁，杨文俊.河道截流及在流水中筑坝技术［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2009.(ZHENG Shou-ren，YANG Wen-jun.Technology of River Closure and Cofferdam Construction in Flowing Water［M］.Wuhan:Hubei Science and Technology Press，2009.(in Chinese))

［2］包承纲.二期围堰若干关键技术问题的解决［J］.中国三峡建设，1999，(5):32－36，39.(BAO Chenggang.Tackling Key Technology Issues in Stage II Cofferdam Construction［J］.China Three Gorges Construction，1999，(5):32－36，39.(in Chinese))

［3］李青云，程展林，孙厚才，等.三峡工程二期围堰运行后的性状调查和试验［J］.长江科学院院报，2004(5):20－23.(LI Qing-yun，CHENG Zhan-lin，SUN Hou-cai，et al.Investigation on Removal of Stage II Cofferdam of Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2004(5):20－23.(in Chinese))

［4］廖仁强，李 伟，向光红.乌东德水电站枢纽布置方案研究［J］.人民长江，2009，(23):5－6，20.(LIAO Ren-qiang，LI Wei，XIANG Guang-hong.Layout Plan of the Wudongde Hydro-junction［J］.Yangtze River，2009，(23):5－6，20.(in Chinese))

［5］宋胜武.冶勒水电站坝址水文地质条件及坝基防渗处理的建议［J］.水电站设计，1992，(2):36－42.(SONG Sheng-wu.Hydrogeological Conditions of the Dam Site of Yele Hydropower Station and Suggestions on Dam Foundation Seepage Control［J］.Design of Hydroelectric Power Station，1992，(2):36－42.(in Chinese ))