在深厚覆盖层上修建土石围堰的主要技术问题研究

2018-03-30文志颖朱晓忠刘其文

水力发电 2018年11期

张飞，文志颖，朱晓忠，刘其文，2

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002；2.贵州省喀斯特地区水资源开发利用工程技术研究中心，贵州贵阳 550002)

0 引言

水利水电工程中围堰是施工导流工程中的临时挡水建筑物，用来围护基坑，保证水工建筑物在干地施工[1]。它的安全与稳定对于保证整个工程施工的顺利进行，尤其是工程的防洪度汛以及大型施工仪器设备的安全具有重要意义。

随着我国水利水电工程的进一步发展，特别是西部及西南地区水电工程建设中，在深厚覆盖层上修建土石围堰已成为必然趋势。在大渡河干支流、金沙江中上游、怒江中上游、西藏和新疆一些河流均存在深厚覆盖层问题[2]。西部及西南地区主要是高山峡谷区冲洪积、崩坡积、冰水推积混杂型深厚覆盖层，青藏地区高寒高原区主要是冰积、冲洪积混杂型深厚覆盖层[3]。利用这些天然覆盖层形成的围堰基础和围堰体本身将受到高水头和大流量江水威胁。总结归纳在深厚覆盖层修建土石围堰的经验技术，分析存在的主要结构安全技术问题，将对今后利用深厚覆盖层修建土石围堰及建坝技术发展起到一定的促进作用。

1 土石围堰与土石坝的主要差别

作为一种临时挡水建筑物，土石围堰与土石坝相比在材料、结构及施工工艺等方面有其自身的特点，主要表现在：

(1)填筑材料要求不同，土石围堰堰体的填筑材料组成复杂，主要有石渣、块石、土料等，这些组合材料级配差、密实度低。土石坝坝体的填筑料虽然也是由土、石料等当地材料组成，但这些土石料必须具有与使用目的相适应的工程性质且长时期内保持稳定，还要有良好的压实性[4]。

(2)施工工艺不同，土石围堰地基无法预先处理，堰体填筑顺序非对称。

(3)施工速度要求不同，土石围堰力求工期短，一般要求在一个枯水期完成，并在当年汛期挡水。

(4)加载方式不同，围堰堰体填筑包括围堰水下部分抛填加载，水上部分填筑加载以及基坑抽水加载等。

这些差别均会导致堰体结构在围堰施工运行过程中发生大变化，形成复杂的边坡稳定特性。目前国内深厚覆盖层上土石围堰边坡稳定计算模型一般未考虑围堰施工工艺和材料参数在施工运行过程中的时变性[5]。

2 在深厚覆盖层上修建土石围堰的主要技术问题及处理措施

2.1 堰基、堰体材料工程特性对围堰结构安全的影响

堰基、堰体材料的工程特性对围堰的结构安全有很大的影响，尤其是对于深厚覆盖层上的土石围堰。

覆盖层材料的密度、级配等一些工程特性决定了覆盖层的力学和渗透特性[6]。深厚覆盖层修建土石坝的勘察工作主要是查明覆盖层不同岩层的成因、厚度、组成物质、分布情况及工程地质特性等[7]为坝基处理提供依据。但对于围堰由于深厚覆盖层砂砾石颗粒粗大且覆盖层变化大，加目前的勘探技术的限制，对覆盖层取样十分困难，因此现在对于围堰深厚覆盖层材料的密度、级配等没有直接确定的方法，进而无法准确的确定覆盖层的承载力、渗透系数、加载变形等物理量，这给深厚覆盖层上土石围堰的结构安全带来重大影响。

堰体材料的力学及变形等特性的研究对整个围堰的结构安全有很重要的意义。通过对堰体材料物理力学性质分析和评价可以为围堰建设，特别是为围堰进行边坡稳定和变形的验算提供必要的计算数据。三峡工程二期土石围堰是整个三峡工程主要技术难点之一，和它的填筑材料性质不无关系，堰体主要利用当地花岗岩风化产物，这种材料质地松散、颗粒均匀、压实困难、稳定性差[8-9]。

2.2 土石围堰防渗结构安全主要技术

2.2.1 堰基防渗技术

地基防渗处理是在深厚覆盖层上修建土石围堰要解决好的重要技术问题。目前深厚覆盖层地基处理主要有以下方法：

(1)塑性混凝土防渗墙防渗处理。塑性混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基处理的主要方法之一。防渗墙设计的关键问题是防渗墙的深度的确定，在确定防渗墙厚度是需考虑以下几方面的要求[10]：①防渗墙底部与基岩或相对不透水层之间接触带的渗透稳定和渗流控制。②防渗墙体本身的支撑条件、允许应力和不均匀沉降的要求。③防渗墙底嵌岩深度的确定应准确，地勘精度至关重要。在特别深厚的覆盖情况下防渗墙无法达到可靠的防渗依托层，将采用悬挂式防渗墙方案。防渗墙的厚度主要由防渗要求、抗渗耐久性、墙体应力应变及施工设备等因素确定。塑性混凝土防渗墙虽然造价高、施工技术要求高但渗流控制效果好。国外大量实践表明，具有一定厚度的连续混凝土防渗墙的防渗性、耐久性均能得到保证。水利部发布的SL174—96《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》首次将低弹模塑性混凝土列为防渗墙的墙体材料，标志着我国的低弹模塑性混凝土防渗墙技术趋于成熟。我国在深厚覆盖层上已建了大量的土石坝，小浪底、瀑布沟水电站等，基础防渗处理均采用混凝土防渗墙方案，最大防渗墙深度超过80 m，经过了多年蓄水运行考验。在建工程如泸定、狮子坪等水电站覆盖成厚度已远远超过100 m，基础处理也同样采用混凝土防渗墙，其最大深度已达到90 m。

(2)灌浆帷幕防渗处理。有不少工程采用灌浆帷幕的方法处理深厚覆盖层地基，采用灌浆帷幕的方法需注意[12]：①覆盖层中的砾石层需采用粘土水泥浆灌浆，含砂层的成孔条件和可灌性较差，需采用化学灌浆，当同时含有砾石层和砂层时，两者的扩散半径不一致，抗渗性存在差异；②灌浆帷幕允许渗透坡降一般为3～4，对于深厚覆盖层上的高土石围堰，帷幕厚度大、灌浆孔数多、灌浆量大、施工工期长。

(3)高压喷射防渗处理。高压喷射灌浆是近30多年来发展起来的一项地基防渗和加固处理技术，在深厚覆盖层土石围堰堰基处理方面也得到了广泛的应用，并且处理效果比较理想。向家坝水电站围堰修建在40 m厚的覆盖层上，其堰基处理采用的就是高压旋喷灌浆[13]。值得注意的是①高压旋喷桩桩体的喷射胶凝状态呈不均匀性，抗渗能力差异较大；②高喷灌浆孔的孔距、灌浆方法与型式直接关系到工程造价和墙体质量；③在设计前必须选着代表性覆盖层进行高喷试验。

堰基的防渗加固处理除了上面的措施外还有截水槽、混凝土沉井防渗等方法。从国内外深厚覆盖层上已修建土石围堰堰基防渗处理措施看来，在以上这些垂直防渗的方法中混凝土防渗墙方案采用的比较多。

2.2.2 堰体防渗技术

复合土工膜作为一种新型的防渗材料已在水利水电工程中得到广泛的应用，传统的粘土心墙、斜墙防渗体已逐步被取代[14]。因此近些年修建在深厚覆盖层上的土石围堰堰体防渗几乎都是选用复合土工膜防渗。土工膜防渗分为心墙防渗与斜墙防渗，土工膜心墙方案结构简单、工程量较小、心墙与岸坡防渗连接接较方便，但堰体土石填筑必须在基础防渗墙完工后才开始施工，有效工期短，堰体土石填筑和土工膜施工干扰较大，围堰施工工期长。土工膜斜墙方案结构复杂，工程量稍大，斜墙与岸坡防渗连接没有心墙方便，但斜墙方案通过采用造墙平台伸出堰体上游坡脚的技术措施，可使堰体填筑与基础防渗墙同时施工，有利于争取工期[15]。

猴子岩水电站修建在深度为75 m左右的深厚覆盖层上，其上游围堰堰体采用土工膜斜墙防渗方案，按“一”字形铺设，最大防渗高度为36 m。下游围堰采用土工膜心墙防渗方案，按“之”字形铺设，最大防渗高度为10 m[16]。乌东德、白鹤滩等水电站均修建在深厚覆盖层上，其堰体防渗方案与猴子岩相似。

2.3 深厚覆盖层上土石围堰边坡处理和基坑排水措施

围堰边坡失稳是影响其安全运行的又一关键因素。围堰边坡失稳随机性因素主要有以下几个[16]：一个是堰前水位的随机性，另一个是堰体土石料的随机性以及深厚覆盖层材料的随机性。对于这些不确定的因素，在填筑围堰是要做好足够的边坡处理。土石围堰用作过水围堰根据土石过水围堰单宽流量的大小边坡处理可以采用大块石、钢筋笼块石、加筋块石、浆砌块石、混凝土保护等措施。此外还应做好溢流面、堰趾下游基础和两岸接头的防冲保护，过水围堰应分析研究围堰的过水水利条件，并通过水工模型试验论证消能防冲措施。

基坑和围堰边坡的排水也尤为重要，一方面，深厚覆盖层结构复杂，砂层、砂卵石层渗透稳定性差，基坑开挖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[17]。根据上堵下排渗控设计原则，在围堰背水面设置排水沟和集水井，集水井布置在建筑物轮廓线外侧，且要低于干沟的沟底。

2.4 深厚覆盖层上土石围堰各主要部位连接技术

深厚覆盖层土石围堰主要部位连接包括堰基防渗墙与堰体防渗体的连接，围堰与岸坡的连接以及与相邻建筑物的连接。连接部位的和相互作用的处理技术决定了连接部位的结构安全。

(1)堰基防渗墙与堰体防渗体的连接。混凝土防渗墙上接复合土工膜防渗是目前围堰防渗最常用的体系，特别是在深厚覆盖层上。连接部位的可靠性是围堰整个防渗成败的关键所在。按照传统的连接方式，堰体与防渗墙的沉降差，防渗墙的水平位移等都会导致防渗墙与堰体产生较大的脱开距离，进而防渗墙与复合土工膜连接处将会产生较大的变形与应力。为了避免上述现象的发生，可以通过离心模拟试验选择合理的连接方式[18]，试验的基本原则是当堰体沉降及堰体与防渗墙发生脱开时，尽量保证连接部位的土工复合膜不受拉应力。

(2)土石围堰与岸坡及相邻建筑物链接的防渗处理技术。围堰与岸坡的连接首先要对岸坡的杂物进行清理，其次还要对岸坡的坡度进行处理，然后再根据岸坡不同的地质情况，对岸坡进行防渗加固处理。例如，岸坡岩体风化层厚、节理裂隙发育，或有较大的断裂层破啐带，大量清除有困难时，可采取灌浆、加设铺盖或开挖截水槽等防渗措施。在围堰与岸坡防渗体结合处岸坡应大致平顺，不应成台阶状、反坡或突然变坡[4]，防渗的连接形式与堰体防渗体系和堰基防渗体连接基本类似。

由于围堰是临时建筑物，使用周期不长，因此围堰与相邻建筑物的连接处理措施可以适当的简便。一般情况下采用结构简单的插入式即可。

2.5 土石围堰的监测技术

围堰虽然是临时建筑物，但其运行安全直接关系到所围护的永久性建筑物的施工安全，一旦失事后果将不堪设想。与其他类型的围堰相比，建在深厚覆盖层上的土石围堰，其基础渗透稳定及渗流量监测，更是监控围堰安全的主要内容之一。

根据围堰的防渗结构以及覆盖层的厚度不同，监测形式与监测技术也不同。对于堰基采用封闭式混凝土防渗墙的围堰，如果围堰下游水较浅，覆盖层相对来说不是很厚，堰基渗流布置较方便，只需要将下游覆盖层清除，在基岩上做一个截水墙设置量水堰进行堰基渗流监测即可[20]。对于覆盖层过厚，堰基采用悬挂式混凝土防渗墙的围堰，在下游覆盖层中布置多个测压管断面，通过监测测压管水位的变化，用断面测流法推求渗流量。后者的测量精度相对于前者会比较低。

3 需进一步研究解决的有关问题

3.1 深厚覆盖层材料参数以及本构模型合理性

利用有限元对土石坝的计算模拟，一般都是将坝基作为堰体的一部分统一划分网格，取各自材料参数计算。土石坝应力变形计算模型有E-u模型、E-B模型、沈珠江双屈服面弹性模型等[20]。这些计算方法为深厚覆盖层上土石围堰的工程设计提供了一定参考基础，但由于堰体材料组成以及覆盖层的复杂性，通过这些模型计算的结果差别也比较大，所以其结果还不足以较准确地反应围堰的真实状态。因此更加合理的计算模型还有待业界进一步研究。

3.2 地震作用对深厚覆盖层土石围堰的安全影响

由于覆盖层厚度的不同，岩层性质的不同以及地震发生包括大小的无可预知性，目前对深厚覆盖层上土石围堰的极限抗震能力没有统一的评价标准[21]，需要进行多种工况、多种角度的综合分析。我们可以从围堰边坡坡稳定的角度分析围堰的极限抗震能力，从地震永久变形的角度分析围堰的极限抗震能力，从液化可能性、单元抗震安全性及防渗体安全的角度分析围堰的极限抗震能力等，综合从不同的角度不同的计算模型或方法可以分析出围堰的极限抗震能力。通过分析得出的结果都只是从定性方面得到的，不能比较准备的数值结果，从而也不能得到围堰比较精确地安全储备。安全储备过大，会给工程经济带来一些损失，安全储备小，又会给工程本身的安全带来风险。因此地震作用对深厚覆盖层土石围堰的安全储备的精确计算具有重要的工程意义。

3.3 深厚覆盖层上土石围堰防渗处理方式

虽然现在绝大多数深厚覆盖层地基防渗处理采用的是封闭式混凝土防渗墙、悬挂式混凝土防渗墙、灌浆帷幕、双层混凝土防渗墙、水平铺盖以及他们的组合等，但不同成因的覆盖层决定了其物质形成分及结构、层次等千差万别，地基变形及防渗处理方式也不尽相同。因此，具体哪一类的覆盖层适合采用什么样的防渗方法，还需大量的工程实践归纳总结。