毛尔盖水电站防渗墙结构设计

谢红英，王达会，张连明

(1.四川准达岩土工程有限责任公司，四川成都610072;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072)

1 概述

自防渗墙问世以来，由于混凝土防渗墙的建设速度快、防渗可靠及较经济等因素，已逐渐成为深厚覆盖层防渗处理的重要手段，在水利水电工程建设中被广泛采用。

笔者以毛尔盖水电站为工程背景，探讨了深厚覆盖层中混凝土防渗墙的结构型式。

2 工程概况

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，是黑水河干流水电规划“二库五级”开发方案的第三个梯级电站，为以发电为主、兼顾与紫坪铺水利枢纽一道向成都、都江堰灌区供水的综合性工程。电站设计装机容量为420 MW，年发电量17.17×109kW·h。大坝正常蓄水位高程2 133 m，正常蓄水位以下相应库容为5.35亿m3，调节库容4.44亿m3，具有年调节能力。

毛尔盖水电站大坝为砾石土直心墙堆石坝，最大坝高147 m，坝顶宽12 m，坝顶长约470 m。坝址区河床覆盖层厚30～50 m。根据其物质组成，从下至上、由老至新总体可分为6层:

第①层:冲、洪积堆积(Q3al+pl)灰色含漂沙卵砾石夹土层。分布于河床谷底，结构较密实，具有较高承载力，但透水性强，不均一，需作防渗处理。

第②层:冲积堆积(Q3al)灰黄色含漂卵砾石层。该层结构相对较松散，可作为基础持力层，但透水性强，不均一，需作防渗处理。

第③层:冲、洪积堆积(Q4al+pl)含漂沙卵砾石夹土层。结构较密实，可作为基础持力层，但透水性强，不均一，需作防渗处理。

第④层:含漂沙卵砾石(Q4al)和第⑤层沙卵砾石夹粉土(Q4al+pl)层。结构松散，透水性强，局部架空，承载力较低，工程特性较差且分布于表浅层，厚度变化也较大，部分予以挖除。

第⑥层:崩坡积块碎石土(Q4col+dl)层。主要分布于左岸坡角，该层以块碎石为主，块径大小悬殊，多呈棱角状，土为灰～黄灰色粉土，结构松散，局部架空，工程特性极差，予以全部挖除。

坝基河床覆盖层以粗粒土为主，总体属中等至强透水层，其中②、④层含漂沙卵砾石层渗透系数大值平均值为1.83×10－1cm/s，属强透水层，渗透破坏型式为管涌，第①、③层为含漂含土沙卵砾石层，透水性相对较弱，渗透系数大值平均值为2.26×10－2cm/s，属中等透水层，渗透破坏型式为管涌。

河床覆盖层下伏基岩的强风化、强卸荷岩体属强透水;弱卸荷、弱风化上段岩体压水试验透水率大值平均值为19.8 Lu，属中等透水;弱风化下段岩体透水率大值平均为14.6 Lu，总体可视为弱透水。因工程地质条件复杂，河床覆盖层深厚，渗透性强，因此，防渗成为该工程关键问题之一。

3 防渗墙结构型式研究

土石坝常建在深厚覆盖层地基上，对覆盖层的防渗采用混凝土防渗墙技术在国内外已运用多年，有许多成功经验，如瀑布沟、长河坝、狮子坪、跷碛等堆石坝工程，覆盖层均深达60～70 m，如表1所示。

表1 四座水电站深厚覆盖层防渗墙形式表

坝基混凝土防渗墙结构设计包括防渗墙道数、墙体厚度、与心墙的连接型式以及墙底插入基岩深度等。

3.1 防渗墙厚度

防渗墙厚度的确定主要考虑墙体的应力、混凝土的耐久性、渗透坡降、现有造孔机械设备能力和施工技术水平等因素。

考虑到不同防渗墙道数和防渗墙厚度对墙体应力变形规律的影响，采用邓肯-张非线性弹性E-ν模型和椭圆-抛物双屈服面弹塑性模型，拟定了以下5个方案，对毛尔盖水电站心墙堆石坝进行了三维有限元应力变形计算分析。在力学性质相差较大的材料之间，如混凝土防渗墙和覆盖层，防渗墙和接触粘土，混凝土廊道和接触粘土等位置均设置了接触面单元。在心墙下部的混凝土盖板和接触粘土之间可能有不协调的错动位移发生，故也设置了接触面单元。接触面单元采用了Goodman单元。计算采用分级加荷对大坝施工逐级加荷及蓄水过程进行了模拟。

不同防渗墙数和不同墙厚计算成果列于表2。方案2:1.5 m墙厚，一道墙;方案3:1.2 m墙厚，两道墙;方案4:1 m墙厚，一道墙;方案5:1.4 m墙厚，一道墙。

表2 不同防渗墙数和不同墙厚计算成果表

从表2成果可见，不同防渗墙道数和防渗墙厚度对坝体的变形应力影响很小，其主要对混凝土结构本身有较大影响。两道墙和一道墙以及墙体厚度不同的方案中的坝体的应力和变形规律几乎一致。采用一道墙方案，坝体变形比两道墙方案略有增加，所以河谷段心墙大主应力有所减少，但幅度不大。可以认为墙体的变化对坝体的应力变形影响不大。比较相同一道墙方案和相同两道墙方案中相同墙道数，墙厚对坝体的影响可以忽略不计。一道墙方案计算得出的坝体变形比两道墙略大。

无论是一道墙还是两道墙方案，墙体厚度都不宜太薄，双墙方案在墙厚1～1.2 m变化，其墙体最大压应力近33 MPa，拉应力变化不大，均在2 MPa以内。单墙方案墙厚自1～1.5 m变化，1 m墙厚方案的压应力最大，达36.5 MPa;1.5 m墙厚方案最小，为27.1 MPa，两者相差近10 MPa。在条件许可的前提下，墙体越厚，对改善混凝土结构的应力变形越有利。

在能保证防渗功能和墙体安全的前提下，可以考虑采用一定厚度的单墙方案:在三种单墙方案中，1.4 m墙厚的应力变形规律介于1 m和1.5 m墙厚之间，并且和1.2 m墙厚的双墙相比，其坝体应力变形基本变化不大，廊道和防渗墙的大主应力有所增加，但增加幅度有限。

总体来说，单墙方案中，墙厚1.5 m方案的墙体应力变形最小。但墙体厚度太厚，施工难度增大;单墙1.4 m方案的墙体应力变形略高于1.2 m厚度的双墙方案。虽然墙厚略有增加，但只有一道墙，从而减小了施工工作量。

3.2 廊道结构型式

廊道外轮廓采用抛物线型，不仅可以减少传给下部混凝土防渗墙的荷载，还可以改善交界面处心墙的应力和变形，在廊道顶部设接触粘土，可以增强该处抗渗变形能力，减少坝体传给廊道的压力，以改善防渗墙的应力。廊道为方圆型，内部尺寸为3.5 m×4 m(宽×高)，满足在廊道内进行帷幕灌浆的尺寸要求。为减少廊道与心墙接触部位的水力坡降，在廊道上下游铺设了复合土工膜。

3.3 接触粘土的设置

为了改善防渗墙的应力状况，提高灌浆廊道与心墙接触面的抗渗透变形能力，在廊道两侧及顶部填筑接触粘土。

为了分析接触粘土参数对防渗墙应力影响的敏感性，以表3中M1方案为基础，将该方案中的接触粘土料参数用表4中不同密度的参数代替，定为方案M1、M2、M3。

表3 接触粘土对防渗墙主要应力变形的影响表

表4 接触粘土料不同密度的邓肯模型参数表

从计算成果看，M2方案中的K值较小，防渗墙沉降比其它两种方案有一定的减小，顺河向水平位移有所增加，防渗墙上下游面的最大竖向应力比其它两个方案降低;考虑其原因，应为该接触粘土比其它两方案的稍软，传给防渗墙的竖向力比其它两方案有一定减小，但在水荷载作用下，由下游接触粘土对廊道提供的支撑力相应也小些，故水平位移比其它两方案稍大。对于M1和M3方案，虽然M3方案的邓肯-张参数的K比M1的大，但M3方案中的n值比M1方案的小，故总体差别不算大。总体来说，两方案防渗墙的主要应力和变形值及其分布规律相差不大。

3.4 防渗墙与心墙的连接型式

深厚覆盖层中防渗墙与土石坝防渗体的连接往往是大坝防渗体系的关键因素，也是防渗的薄弱环节，对防渗墙的应力状态和安全具有决定性的影响，对土质防渗体底部的应力和防渗性能也有重要影响。借鉴我院瀑布沟、狮子坪等工程的设计经验，毛尔盖工程采用顶部设置灌浆廊道与防渗心墙连接的型式。廊道连接型式的最大优点是廊道设置在防渗墙顶端，廊道沉降小，并且方便墙底基岩帷幕灌浆施工，不占直线工期，同时也具有大坝运行后防渗系统出现异常破坏时的补救条件，从而增强了防渗系统安全运行的保障;缺点是防渗墙不仅仅承受墙体两侧土体沉降产生的下拽力，而且还要分担廊道传下来的坝体荷载，因此，防渗墙内应力较高。防渗墙与廊道之间宜采用刚性连接，以保证止水系统运行的可靠性。

防渗墙顶端接头形式计算成果见表5，表中方案A在防渗墙与廊道连接的防渗墙顶部做成倒梯形;方案B在防渗墙顶未采用倒梯形混凝土接头。方案B中的防渗墙与廊道间不设置倒梯形接头，采用直接相连，对坝体和混凝土结构的影响都很小，这是因为采用的是1.4 m墙厚，已经能从一定程度上避免因接头部分太小而引起的廊道底部拉应力或剪应力过大;方案A可以减轻由于接头部分太小而导致廊道底板拉应力或剪应力太大。防渗墙结构形式见图1。

表5 防渗墙顶端接头形式计算成果表

图1 毛尔盖水电站防渗墙结构图

毛尔盖水电站自2008年2月项目核准正式开工建设，2011年3月20日电站提前8个月实现导流洞汛前下闸蓄水目标。截止目前，各水工建筑物运行正常。工程在建设期间经历了汶川“5.12”大地震，克服了诸多困难因素的影响，仍然实现了提前下闸蓄水的目标，取得了巨大的经济、社会效益。

4 结论及建议

通过对不同方案进行计算分析，可得到以下结论与建议:

(1)不同防渗墙道数和防渗墙厚度对坝体的变形应力影响很小，其主要对混凝土结构本身应力变形规律有较大影响。在能够保证防渗功能的前提下，可以考虑采用1.3～1.5 m墙厚的单墙方案。毛尔盖水电站大坝坝高147 m，上下游水位差约140 m，而一般防渗墙混凝土允许坡降为100左右。为了更好地处理基础防渗问题，坝基覆盖层防渗采用一道厚1.4 m的混凝土防渗墙，该防渗墙布置在坝轴线平面内，与心墙及墙底帷幕灌浆共同构成防渗面。大坝防渗墙由两道优化为一道，厚1.4 m，开创了国内坝基防渗墙设计施工的先河。

(2)毛尔盖水电站大坝防渗墙廊道连接型式采用廊道高出混凝土防渗墙底面6.5 m、刚性倒梯形接头。

(3)防渗墙墙底嵌入基岩0.8～1.5 m，墙底设灌浆帷幕，同时在墙顶设置观测、灌浆廊道，廊道尺寸为3.5 m×4 m，廊道周围铺设接触粘土，廊道顶部接触粘土厚5 m。