浅谈拦河坝防渗墙设计

李晓平 樊 勇 聂卫军

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

浅谈拦河坝防渗墙设计

李晓平 樊 勇 聂卫军

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

麻栗坝水库枢纽工程拦河坝为均质坝和分区坝，坝长1172m，基础是上第三系含砾砂土，为无限深透水土基，土的压缩系数小。通过方案比较和研究采用薄壁悬挂式混凝土防渗墙，结合三维有限元渗流稳定分析和平面有限元渗流计算，根据施工区的水文地质条件，开展工地现场试验，提出了切合实际的施工控制指标和混凝土配合比，成功地解决了复杂地质条件下拦河坝基础三维防渗和渗流稳定以及防渗墙适应地基变形的问题。5年的原型观测成果表明：防渗效果好，无应力计观测其应力无变化，防渗墙无变形变位。本文详细介绍了麻栗坝水库枢纽工程拦河坝基础混凝土防渗墙的设计和计算过程，旨在为相同地质条件下的同类工程设计和施工提供有益经验。

薄壁悬挂式混凝土防渗墙设计；施工控制指标；三维有限元渗流稳定分析；平面有限元渗流计算

1 工程概况

麻栗坝水库位于云南省德宏州陇川县境内的南宛河上游，为大(2)型水库，以灌溉、防洪为主，结合发电等综合利用。

水库总库容1.067亿m3，拦河坝为土质分区坝和均质坝，最大坝高37.6m，坝顶轴线长1172m。拦河坝及防渗体为2级建筑物。工程的设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇，设计地震烈度为7度。

麻栗坝水库于2003年开工建设， 2009年大坝下闸蓄水。目前大坝已安全运行了5年。麻栗坝水库在上第三系软弱夹层互层的无限深透水地基内采用悬挂式薄壁混凝土塑性防渗墙防渗的型式，这在国内外尚无先例。

2 工程地质

防渗体均位于上第三系(N)地层内。上第三系地层为砂性土与黏性土相间分布，按岩性及工程地质特征各分为15个岩组，由巨厚含砾砂土﹑黏土层构成，呈互层状，以含砾砂土为主，含砾砂土8层(N1、N3、N5、N7、N9、N11、N13、N15)，总厚度约205m，占77.65%；黏土7层(N2、N4、N6、N8、N10、N12、N14)，总厚度59m，占22.35%。

工程区上第三系含水层和隔水层相间分布，地下水补给、径流、排泄条件受岩层走向、埋藏条件、地形条件控制。

根据大型现场管涌试验，得到各岩组渗透变形形式及允许比降值，见表1。

表1 枢纽区岩土参数

3 防渗处理方案比较

大坝基础沿深度和广度分层较多，透水层和不透水层相互夹杂交错，沿坝轴线水平向的地层分布较多、较复杂，坝基设垂直防渗体。

3.1 防渗范围

两岸防渗体边界范围按以下原则确定：

a.水库正常蓄水位与蓄水前两岸地下水位的交点为两岸防渗边界点。

b.水库正常蓄水位与相对隔水层在两岸的交点为两岸防渗边界点。

3.2 防渗方案比较

利用复杂三维渗流控制分析计算程序(SPGCR-3.FOR)成果，在满足渗流稳定需设防渗体的条件下，确定防渗处理的深度和范围后，拟定高压旋喷、混凝土防渗墙和薄壁混凝土塑性防渗墙三种方案作比较，见表2。

表2 坝基防渗方案比较

经技术经济比较，依据各处理方案及坝基沉降大的特点，采用工程造价相对较低、施工简便的薄壁混凝土塑性防渗墙。

4 薄壁混凝土塑性防渗墙设计

溢洪道左岸坝段为黏土均质坝，最大坝高12.1m，长度478m；右岸坝段为土质分区坝，最大坝高37.6m。防渗墙沿坝轴线布置，河床段防渗墙最大深度为20.37m。

4.1 混凝土防渗墙墙体材料

由于拦河坝上第三系土基为中压缩性土，防渗墙受外力作用时必须适应土的变形，故首选塑性混凝土作为墙体材料。这种材料抗渗性能好，变形模量低，极限应变值大，适应变形能力强。选用的塑性混凝土配合比见表3。

表3 塑性混凝土配合比 单位：kg

4.2 混凝土防渗墙墙体厚度确定和结构布置

防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性，以及墙体应力和变形的要求，同时还应考虑上第三系土基及施工设备等因素。

在设计时，根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度(δ)，计算公式为

δ=kh/J

式中δ——防渗墙厚度；

k——安全系数，取1.5；

h——坝前水深；

J——防渗墙运行的水力梯度，取90。

经计算，δ=0.25～0.45m即可满足要求。

由于在施工期混凝土防渗墙要承受上部碾压荷载，防渗墙厚度不能太薄，但为节约材料，降低成本，并考虑造孔机具限制，右岸、河床段的坝体承受水头高，采用厚度为60cm的一般混凝土塑性防渗墙，设计指标为： C10塑性混凝土，弹性模量E=8000～13000MPa，抗渗等级为W6，抗压强度不小于5MPa。

左岸坝体承受的水头低，采用厚度为40cm的薄壁混凝土塑性防渗墙，设计指标为：C10塑性混凝土，弹性模量E=15000～13000MPa，抗渗标号为W6，抗压强度不小于3MPa。

河床一般混凝土防渗墙段与两岸的薄壁混凝土塑性防渗墙段的连接方式为：薄壁混凝土防渗墙段增加10m长度与一般混凝土防渗墙段进行搭接。

防渗墙按8～10m分段。

混凝土防渗墙纵剖面结构布置见图1。

4.3 施工控制指标、施工配合比

经工地现场试验，施工控制指标和施工配合比如下：

a.采用硅酸盐水泥，不低于P.O42.5。

b.混凝土配比采用一级配，最大粒径不大于20mm。

c.河砂的细度模数控制在2.4～2.8。

d.混凝土抗渗等级大于W6。

图1 混凝土防渗墙纵剖面结构布置

e.混凝土允许水力坡降为50。

f.混凝土28d抗压强度大于6MPa。

g.弹性模量小于13000MPa。

h.渗透系数小于(1～5)×10-8cm/s。

i.入槽坍落度18～22cm，扩散度34～40cm，坍落度保持18cm的时间应不低于1h；初凝时间应不低于6h，终凝时间不宜大于24h。

j.水胶比不宜大于0.65。

考虑到河床段的防渗墙承受的水头和产生的沉降较两岸大，对防渗墙适应基础变形的要求更高，故在满足抗压强度和抗渗等级的设计前提下，应尽量降低弹性模量。

4.4 防渗墙设计计算

采用复杂三维渗流有限元计算程序(SPGCR-3.FOR)，把整个大坝划分为5万多个单元体渗流场，在渗流场内布置5个典型剖面，对防渗体的深度进行了7种渗控布置的组合，按照固定网格迭代法进行有限元渗流分析。经有限元渗流分析，坝基垂直防渗深度，在河床部位以20m较为合适，渗流量为61万m3/年，远小于兴利库容7205万m3，仅为其0.85% 。

按以上防渗墙结构布置，在复杂三维渗流控制总体分析的基础上，采用平面渗流有限元分析软件进行局部的平面渗流稳定计算。

4.4.1 计算断面选择

每隔100m选择1个计算断面，内插地质条件最差地段(即上第三系含砾砂土层N3-1、N3-3、N3-5、N5、N9、N13、N15)，共计12个断面：0+200、0+300、0+400、0+500、0+600、0+700、0+800、0+860、0+928、1+050、1+180。其中内插断面桩号为0+860(土质分区坝段、渗透系数较大前提下的最大坝高段)、0+928(土质分区坝段、渗透系数较大地段)、1+050 (土质分区坝段、渗透系数较大地段)。

4.4.2 渗流稳定分析计算工况

共选择3种工况。

a.上游正常水位与下游相应的最低水位。

b.上游设计洪水位与下游相应水位。

c.上游校核洪水位与下游相应水位。

4.4.3 坝基及坝体的允许渗透比降

经对现场25组、室内104组管涌试验数据统计后，坝基土层的允许渗透坡降设计采用值见表4。

计算简图见图2。

图2 0+860校核洪水位稳定渗流期计算简图

4.4.4 平面渗流稳定计算成果

各断面渗透比降计算成果表明：各断面坝体下游统计的最大值为0.79，均小于坝体的含砾砂土区允许渗透比降0.8和黏土料区允许渗透比降1.5；上游校核洪水位与下游相应水位为最不利工况，各断面坝基出逸处渗透比降均小于出逸处土层的允许渗透比降。计算成果见表5。

表5 渗透比降计算成果

4.5 防渗墙观测

在0+300、0+400、0+500、0+600、0+700、0+800、0+860、0+928、1+050、1+180共10个断面的防渗墙上、下游各埋设一个渗压计观测渗流，各断面的防渗墙上、下游的上、中、下部各埋设一个无应力计观测变形和变位。

5 无限深透水地基复杂地质条件下的防渗设计结论

a.经渗流稳定分析、防渗工程方案比较，采用薄壁混凝土塑性防渗墙较好地解决了渗流稳定和适应基础变形的问题。

b.在复杂的地质条件下，各断面渗透比降计算成果与三维渗流稳定分析的结论相符，坝体和坝基的渗流稳定满足设计要求。

c.平面渗透计算成果表明：最不利工况下各断面坝基出逸处渗透比降均小于出逸处土层的允许渗透比降。

d.经5年的运行观测，渗流压力保持稳定，渗流量始终小于设计值，无应力计观测的应力无变化，薄壁悬挂式混凝土塑性防渗墙无变形、变位。

悬挂式薄壁塑性混凝土防渗墙较好地解决了基础三维防渗、渗流稳定和适应基础变形问题，从渗流稳定和适应基础变形的角度来看，防渗墙的设计是成功的。

[1] SL 274—2001 碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[2] SL 174—96 水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，1996.

[3] GB 50007—2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4] 王宏硕,翁情达.水工建筑物[M].北京：水利电力出版社,1990.

[5] 劳正绍,梁水新,陆家辉.浅谈塑性混凝土防渗墙在花山水库除险加固工程中的应用[J].中国水能及电气化,2016(8).

[6] 金文.接头管法在靠山屯水库大坝混凝土防渗墙施工中的应用[J].中国水能及电气化,2016(5).

[7] 张保才.浅谈新疆吉音水利枢纽工程混凝土防渗墙施工质量控制[J].中国水能及电气化,2016(5).

[8] 杨洋,黄德强.土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙应力变形分析[J].中国水能及电气化,2016(5).

[9] SD/T 5144—2001 水工混凝土施工规范[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[10] SD 105—82 水工混凝土试验规程[S].北京：水利出版社，1982.

[11] SL/T 191—2008 水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[12] 张强.薄型混凝土防渗墙在清水河水库除险加固中的应用[J].中国农村水利水电,2009(11).

[13] 王平.天生桥水电站副坝基础塑性混凝土防渗墙设计与实践[J].电网与清洁能源,2009(6).

[14] 高钟璞.大坝基础防渗墙[M].北京：中国电力出版社，2000.

[15] 刘杰.渗透稳定与渗流控制[M].北京：水利电力出版社，1992.

[16] 张家发.堤防加固工程中防渗墙防渗效果及应用条件研究[J].长江科学院院报,2001(5).

Discussion on Design of Cut-off Wall for Barrage

LI Xiaoping, FAN Yong, NIE Weijun

(YunnanWaterandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Kunming650021,China)

The barrage of Mali dam reservoir project is a homogeneous dam and zoned dam. The dam length is 1172m. The foundation is the Neogene system gravel sand. It is an infinite deep permeable soil foundation. The compressibility of this soil is small. The suspended concrete cut-off wall with thin-wall is adopted based on comparation and study for the scheme. It combines the three-dimensional finite element seepage stability analysis and plane finite element seepage calculation. The site test is conducted according to the hydrogeological conditions of the construction area. Put forward the practical construction control index and concrete mix ratio and successfully solved the three-dimensional auti-seepage and seepage stability of embankment dam foundation under complex geological conditions and the problem that the cut-off wall adapts to the foundation deformation. 5 years of prototype observation results show that: its anti-seepage effect is very good. There was no change in the stress observed using the stress-free gauge. The cut-off wall has no deformation and displacement. In this paper, the design and calculation process of the concrete cut-off wall of barrage foundation of Mali dam reservoir project is introduced in detail. It is intended to provide useful experiences for similar engineering design and construction under the same geological conditions.

Design of suspended concrete cut-off wall with thin-wall; construction control index; three-dimensional finite element seepage stability analysis; plane finite element seepage calculation.

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.006

TV640.31

B

1673-8241(2017)02- 0034- 06