长河坝深厚覆盖层防渗布置分析

姜媛媛，索慧敏，伍小玉

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年来，随着水电工程建设的飞速发展，越来越多的水电工程修建在深厚覆盖层上，而土石坝凭借其对复杂地基条件，尤其是深厚覆盖层地基的良好适应性、结构简单、施工简便等优点，已成为坝工建设中应用最为广泛的一种坝型。深厚覆盖层上建土石坝，尤其是高土石坝，一个重要的技术问题就是其渗流控制方案的选取，这直接关系到工程的运行安全和经济效益。目前国内外多采用混凝土防渗墙作为地基覆盖层的防渗体，并已演变出了多种组合形式，根据已建或在建工程研究成果，防渗墙布置方式，对整个大坝渗透稳定性至关重要。

通过对长河坝心墙堆石坝的不同防渗体布置形式进行二维渗流有限元分析，重点研究多种设计防渗方案对坝体及坝基渗流场的影响，为选择合适的主副防渗墙布置及墙下帷幕深度设计提供参考。

1 工程地质条件

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内大渡河上游金汤河口以下约4～7km河段，大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240m，电站总装机容量2 600MW。

表1 坝基各层渗透系数

2 防渗方案

砾石土心墙堆石坝防渗心墙顶高程为1 696.40m，顶宽为6m，上、下游坡度均为1∶0.25；心墙上游设一层水平厚度8 m 的反滤层，下游设两层水平厚度6m 的反滤层， 上、下游反滤层坡比均为1∶0.25；上、下游反滤层与坝体堆石间设置过渡层，过渡层最大厚度20m。坝体各料区、坝基各层渗透参数见表2。

坝基覆盖层采用两道全封闭混凝土防渗墙防渗，主防渗墙厚度为1.4m，副防渗墙厚度为1.2m，两道墙净距离14m。其中主防渗墙顶部设置廊道与防渗心墙连接，墙底部嵌入基岩1.5m，下游副防渗墙顶部直接插入防渗心墙内，插入高度10m，底部嵌入基岩1.5m，两道防渗墙顶部都设置了高塑性粘土，墙下接防渗帷幕灌浆。覆盖层纵剖面和防渗措施见图1。

表2 坝体各料区渗透系数

3 渗流计算分析

主、副坝基防渗墙联合墙底帷幕共同防渗，是目前同类工程中较多采用的形式，主、副防渗墙布置位置和墙下帷幕深度直接影响大坝及坝基渗流场分布，为了了解防渗墙在运行期水头分布情况，在基本方案的基础上，变换出其他5种典型组合方案，分别进行二维渗流有限元计算分析，对比得出渗流场的主要影响因素。

基本方案C1是副防渗墙位于主防渗墙上游侧，主墙下接帷幕深入基岩3Lu线以下5m，副防渗墙插入心墙10m，底部下接10m深的防渗帷幕，帷幕底深入弱卸荷下限。其他方案在此基础上变化主副防渗墙下接帷幕深度、副防渗墙相对位置，具体方案见表3。坝体剖面等势线见图2。

图1 覆盖层纵剖面(单位:m)

方案C1副防渗墙位于主防渗墙上游侧，主防渗墙下接帷幕深入基岩3Lu线以下5m，副防渗墙下接10m深防渗帷幕，坝体和坝基单宽渗流量分别为0.217 m3/d、37.39 m3/d，坝基覆盖层为主要渗漏通道；大坝总水头为212m，主防渗墙消减水头137.83m，占总水头的65%，副防渗墙消减水头69.0m，占总水头的32.5%，上、下游覆盖层消减占总水头2.5%。副防渗墙与高塑性粘土最大接触坡降在防渗墙顶部为7.51；廊道与高塑性粘土最大接触坡降为11.26。防渗心墙坡降均小于允许坡降。

表3 不同方案及各方案下渗透流量及坝体关键部位的最大渗透坡降

图2 方案C1等位势分布(单位:m)

方案C2～C3是对主防渗墙下不接帷幕，副防渗墙下接不同深度防渗帷幕的情况进行了计算。与主防渗墙下接帷幕深入基岩3 Lu线以下5m相比，副防渗墙起到主要隔水作用，副防渗墙下接10m深帷幕时消减水头占总水头的63%；帷幕加深到3 Lu线以下5m时消减水头占总水头的75.5%，由于承担水头大幅增加，防渗墙与高塑性粘土最大接触坡降增加到了12.16，廊道与高塑性粘土最大接触坡降减小20%为9.07。

方案C5～C6是对主、副防渗墙下接同一深度帷幕情况进行的计算。当主、副防渗墙同时下接10m深帷幕时，主防渗墙消减水头106.4m，占总水头的50%，副防渗墙消减水头95.8m,占总水头的45%，上、下游覆盖层消减占总水头5%；当主、副防渗墙下接帷幕均深入基岩3Lu线以下5m时，主防渗墙消减水头105.6m，占总水头的49.8%，副防渗墙消减水头101.6 m，占总水头的47.9%。由此可知，当两墙帷幕深度相同时，不论帷幕深浅两道防渗墙将平均分担总水头。

方案C4是将副防渗墙布置在主防渗墙下游侧，与放置在上游侧相比，渗流量相当，主、副防渗墙承担水头比例也近似，但对廊道外测水头分布影响较大，副防渗墙在上游侧时可有效降低廊道围水压力近50m水头，利于廊道的应力变形。

4 结 语

通过对长河坝心墙堆石坝渗流有限元计算分析可知： 随着副防渗墙底端帷幕深度的加大，副墙承担总水头的比例逐渐增大，当主、副防渗墙下接帷幕深度相同时，两墙承担水头相当；副防渗墙位于主防渗墙上、下游，对于两墙分担水头比例没有明显变化，对整个坝体渗流场分布影响较小，但是副防渗墙在上游侧可有效降低主防渗墙上接廊道的围水压力

参考文献：

[1] 王柏乐.中国当代土石坝工程[M].北京:中国水利水电出版社,2004:1-5.

[2] 陈海军,任光明,聂德新.河谷深厚覆盖层工程地质特性及其评价方法[J].地质灾害与环境保护,1996,7(4):53-54.

[3] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003:5-17,89-99.

[4] 速宝玉,沈振中,赵坚.求解有自由面渗流问题的截止负压法[J].水利学报,1996 (3) :22-29.

[5] 姜媛媛,沈振中,郭娜,等.岩溶、裂隙介质渗流的三重介质模型[J].中国科学技术大学学报,2004 ,34(增1) :361-366.