深厚覆盖层地基土石坝防渗处理研究

刘吉祥，林 超

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

深厚覆盖层地基土石坝防渗处理研究

刘吉祥，林 超

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

深厚复杂坝基的地质条件差，在这种地基上进行水利工程建设面临着巨大的压力。修建高土石坝工程时，渗流控制和防渗处理等在坝工设计中特别重要。文章对坝基位于深厚复杂地质区的土石坝，进行三维渗流分析，确定最优的防渗组合和地基处理方法，为国内外同类工程的防渗处理提供了一定的参考价值。

深厚覆盖层；地质条件；土石坝；防渗处理；渗流分析

0 前 言

我国幅员辽阔，地质结构复杂，深厚覆盖层地基广泛存在我国西南地区，在这种不良地质条件上建设水利工程问题诸多，对于防渗体系的构建显得尤为重要。随着坝工技术水平的不断发展，现行比较成熟的防渗处理方式有两种：垂直防渗和水平铺盖[1]。水利工程因地制宜，采取的水平铺盖和垂直防渗的组合特点要充分考虑当地地形、地质、水文条件。水平铺盖的基本原理是增大渗漏，这种防渗方式并不能完全渗流，只是将渗流量降低，以致达到允许范围内。目前组合防渗方式应用广泛，在国内多个大坝上已成功应用，其中最大坝高已达62m。铺盖填筑土料的允许渗流水力坡降，一般为3-10，铺盖长度一般为4-8倍的水。垂直截渗可以有效的进行坝基防渗，截断渗透水流，这种防渗技术目前已发展成熟，并在众多水利工程的地基防渗处理中应用，垂直防渗的主要方式有混凝土防渗墙和帷幕灌浆等，其中混凝土防渗墙在实际工程设计和施工应用广泛，因其可靠度高、安全性强、防渗性好等特点，目前相关技术已发展至行业内的领先水平。

1 深厚复杂坝基防渗处理基本原理

1.1 渗流分析

渗流分析是对选定坝的形式和尺寸进行检验，确保渗流作用力不影响坝体稳定，最终确定浸润线的位置、坡降和渗流量。渗流分析根据达西定律和连续条件可得二维渗流分析方程为[2]：

(1)

式中：Kx、Ky分别为x，y方向的渗透系数。

渗流分析的一般分析方法有水力学法、流网法和有限元法。文章采用的有限元法，基本原理是将求解域分别为单元的混合结构，求解域上流场函数表示为单元定义的近似函数，而近似函数是通过渗流场函数和求导插值函数扥方式来表示。

1.2 垂直防渗

垂直防渗的主要方式有混凝土防渗墙、帷幕灌浆和喷射灌浆等措施。其中混凝土防渗墙在实际工程设计和施工应用广泛，因其可靠度高、安全性强、防渗性好等特点，目前相关技术已发展至行业内的领先水平。随着大型造孔机械的研发，施工工艺的改良，垂直结构的防渗形式越来越受到重视，中国在这方面的技术成熟度越来越高。

1.3 水平防渗

水平铺盖是土石坝工程处理坝基防渗的主要形式，基本原理是增大渗漏，这种防渗方式并不能完全渗流，只是将渗流量降低，以致达到允许范围内。目前水平防渗方式在国内多个土石坝工程中得到成功应用，最大坝高已达62m。但一般在中低坝时采用铺盖形式。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程主要工程效益为蓄水，兼顾发电、灌溉、防洪的综合性水利工程。水库总库容8.34亿m3，电站总装机170MW，年发电量4.362亿kW·h。工程等级为Ⅱ等大(2)型，主要建筑物由大坝、泄洪洞、发电系统和电站厂房四部分组成[3]。

水库正常高水位2963m；设计洪水位2966.40m；校核洪水位2967.80m。覆盖层最大深度135.72m，根据颗粒组成的不同结构，分为四层，坝基覆盖层地质剖面图见图1。

图1土石坝坝基覆盖层地质剖面图

2.2 有限元模型基本参数

坝基为深135.72m的冰碛砂砾石层，上层黏土层平均厚度4.52m，孔隙比1.173。下层为软黏土层厚度约20m，孔隙比1.063。冰碛砂砾石层渗透系数K=1.75×10-2cm/s[4]。

基岩计算边界选取：左、右岸强风化厚度各10m，透水性4×10-4cm/s；两岸弱风化厚度为50m，透水性为1×10-4cm/s。

坝体及防渗土料渗透特性：坝壳砂砾石料K=1×10-2cm/s；铺盖土料K=1×10-5cm/s；混凝土防渗墙厚1.0m， K=1×10-7cm/s；帷幕幕体渗透系数K=5×10-5cm/s；沥青混凝土心墙，渗透系数K=1×10-7cm/s。

2.3 计算方案

具体计算工况见表1。

表1 土石坝三维渗流计算方案

2.4 计算成果

方案1-7计算成果见表2；方案8-10计算成果见表3-4。

2.5 成果分析

成果分析包括以下5个方面：

1)无防渗措施:从表3可得出，方案1在正常蓄水位下大坝渗漏总量为1.119m3/s，坝基渗透坡降为0.55，远>允许坡降0.1(已大于临界坡降0.31)，蓄水后大坝保持天然状态，那么大坝坝基势必将受到水流的渗透破坏。心墙下游逸出点和下游水位高程相比，差值53m，因此此坝基必须采取防渗措施。

2)水平铺盖防渗方案：铺盖总长度915m，其中人工铺盖766m(从心墙的上游面开始计算)与围堰相接，并在围堰下用混凝土防渗墙将人工铺盖与第二层软黏土相联，利用了围堰前连续分布的软黏土层149m。大坝渗漏量为0.305m3/s。心墙上游坡脚处铺盖最大渗透坡降为5.05，心墙底平均坡降为0.067，下游坝基覆盖层水平渗透坡降0.066。铺盖承受约78.8%的水头，约21.2%的水头通过下游冰碛层中损失，心墙下游逸出点高程和下游水位高程相比高出约17m。工况3为铺盖长为615m的计算成果，表明坝基砂砾石层的渗透稳定性<基本值了，坝基存在较严重的渗漏破坏。

3)悬挂式垂直防渗：坝基采用深100m的垂直防渗时坝基渗漏量为0.82m3/s，和方案1相比坝基渗漏量69.2%，心墙下游坝基渗透坡降值远<冰碛层渗透坡降，足以可见此方案满足坝基渗透稳定性的要求。即使垂直防渗贯入度设计为93.5%，渗漏量值仅是0.62m3/s，远远<方案1计算渗透量，渗水通过墙底渗向下游，导致心墙下游冰碛层渗透坡降值远<防渗底部。由渗流计算成果来看，悬挂式垂直防渗在深厚覆盖层地基下的防渗效果不理想，最佳设计方案应定义为全部截断强透水层，这样才能有效控制渗流量，保证坝基稳定性。

4)方案6、7的水平铺盖结合混凝土防渗墙方案的计算成果表明：基于方案5的防渗效果不理想，导致与水平铺盖联合形式渗流量没有有效达到控制。如铺盖长度为915m加垂直截渗100m大坝渗漏总量为0.3m3/s，此时水平铺盖结构承受大部分约70%的水头压力，16%的水头压力施加给混凝土防渗墙，剩下14%压力值向坝基底部渗透。方案7中915m水平铺盖和100m混凝土防渗墙组合方式心墙下游坡脚逸出点的水头和不加防渗墙时相比下降程度不明显，仅为4m，但明显使得心墙与坝基接触面的渗透比降得到降低。

5)全断面垂直防渗：由表3、4看出采用防渗墙下接帷幕灌浆的组合方式能有效截断坝基水流，进而达到渗流控制标准要求，上游库水位不同高程时，坝体总渗漏量明显减少，且渗流量值均<标准值，且各部位渗透比降值均<允许渗透比降，大坝此时是安全稳定的。

表2 三维渗流计算成果

表3 坝轴线剖面各部位渗流量

表4 不同材料x方向比降和垂直比降

3 总 结

文章在深厚复杂坝基防渗处理的基本原理和方法的基础上，结合工程实例进行三维有限元渗流计算和分析，认为坝基防渗的垂直防渗及水平铺盖两种型式特点各异，在自身地质特点基础上结合不同防渗型式的方式，计算分析最佳防渗结构，优化设计方案，通过计算成果对比分析表明此土石坝工程的防渗设计方案是可行性的。

[1]陈海军.河谷深厚覆盖层工程地质特性及评价方法[J].地质灾害与环境保护，1996(07)：7.

[2]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社，2003：17-26.

[3]刘昌军.水电站土石坝坝基三维渗流场分析及渗控措施研究[J].水利水电技术，2007，38(03)：29-32.

[4]覃新闻，龚木金，刘建发，等 .新疆下坂地水库坝基防渗墙试验研究[J].工程地质学报，2006(04)：570-575.

StudyonAnti-seepageTreatmentforEarth-rockDambasedonDeepOverlyingStratumn

LIU Ji-xiang and LIN Chao

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company, Harbin 150080, China)

Deep and complex dam foundation is poor of the geology, therefore, there is enormous pressure to construct the water conservancy project on this kind of foundation. Filtration control and seepage protection treatment are especially important in dam design when building high earth-rock dam project. According to the earth-rock dam which dam foundation is located in the deep and complex geological area, three-dimensional seepage analysis was carried out to determine the optimal anti-seepage group and foundation treatment method, so as to supply references for seepage protection treatment of domestic and foreign similar projects.

deep overlying stratum; geological condition; anti-seepage measure; infiltration analysis

P642.1；TV543

B

1007-7596(2017)09-0038-03

文章编号：1007-7596(2017)09-0017-04

2017-08-16

刘吉祥(1982-)，男，山东平阴人，工程师；林超(1990-)，男，黑龙江甘南人，助理工程师。