沥青混凝土心墙坝基超深厚覆盖层防渗处理方案研究

吴剑疆，李现社

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 工程概况

西藏旁多水利枢纽位于西藏自治区境内萨河流域中游，坝址位于西藏自治区林周县旁多乡下游1.5km。工程由大坝、泄洪洞、泄洪兼导流洞、引水系统、发电厂房、灌溉输水洞等组成。水库总库容12.3×108m3，正常蓄水位4095m。工程等别为Ⅰ等，主要建筑物级别为1级。大坝采用碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高72.30m，坝顶长为1052.00m。工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，地震设防烈度采用Ⅸ度。

2 现有坝基防渗措施分析

深厚覆盖层上土石坝坝基防渗的主要问题是渗透稳定和渗漏损失的控制，目前防渗措施主要有垂直防渗和水平铺盖防渗两种。

2.1 垂直防渗

采用垂直截渗能可靠而有效地截断坝基渗透水流，是一种非常有效的防渗形式，主要包括混凝土防渗墙、帷幕灌浆两种措施。混凝土防渗墙结构安全、可靠，防渗效果好，其设计、施工已达到较高水平。随着冲击反循环钻机、液压铣槽机等施工造孔设备的研制、开发、施工工艺的不断更新、优化，以及施工水平的不断提高，防渗墙的施工工效、造墙深度不断增加，目前已在国内、外大坝工程中广泛采用。在砂砾石层中通过灌浆形成防渗帷幕也是坝基垂直防渗的一种重要手段，国内、外已在灌浆工艺、设备和浆液材料等方面都取得了很大进步，也有许多成功的经验。不过在国外，防渗帷幕往往单独采用，而在国内常与防渗墙联合使用，形成墙幕结合的垂直防渗方案。国、内外一些深厚覆盖层地基上建坝的垂直防渗工程特性见表1。

2.2 水平铺盖

水平铺盖是土坝坝基防渗设施中一种常用形式，它不能完全截断渗流，但可增加渗径，减小坝基渗流比降和渗流量至允许范围以内。水平防渗措施具有造价低、施工快捷、方便取材的特点，当垂直防渗措施效果不明显、施工难度较大或投资过大时，可采用这种措施。国内采用水平铺盖作坝基防渗措施多用于坝高50m以下的坝(具体见表2)，且主要集中在七、八十年代以前，受当时垂直造孔设备的限制，在覆盖层上采用这种措施较多。但在运行过程中，这些工程多数出现铺盖裂缝、漏水等现象，后经加固处理后运行正常。进入21世纪，随着新型施工造孔设备的研制、开发及施工工艺的提高，加之开采铺盖土料对环境影响较大，坝基覆盖层防渗处理采用水平铺盖的越来越少。

表1 国内外部分深厚覆盖层垂直防渗工程特性表

表2 国内土坝铺盖防渗工程特性表

3 坝基防渗方案拟定

旁多水利枢纽工程位于西藏高海拔地区，生态环境极其脆弱，铺盖土料的获取很困难，水平防渗不适用于该工程。另外，由于坝基有近500m宽覆盖层深度超过150m，现有的施工技术水平难以对覆盖层进行全封闭，故拟定5种不同的悬挂防渗方案进行分析和比较。拟定的防渗方案见表3。

(1)150m深混凝土防渗墙悬挂方案

大坝基础覆盖层深度小于150m部位，采用混凝土防渗墙全封闭的防渗型式；覆盖层深度大于150m部位，采用150m深混凝土防渗墙悬挂防渗型式，防渗墙厚度1m；150m以下覆盖层不再处理。

表3 拟定防渗方案

(2)120m深混凝土防渗墙下接3排30m深帷幕灌浆悬挂方案

大坝基础覆盖层深度小于120m部位，采用混凝土防渗墙全封闭的防渗型式，防渗墙厚度1m；覆盖层深度大于120m部位，采用120m深混凝土防渗墙下接3排30m深灌浆帷幕悬挂防渗型式，其中2排帷幕通过墙内预埋灌浆管进行施工，第三排设置在防渗墙下游侧，帷幕孔距2.5m。

(3)150m深混凝土防渗墙下接3排15m深帷幕灌浆悬挂方案

大坝基础覆盖层深度小于150m部位，采用混凝土防渗墙全封闭的防渗型式；覆盖层深度大于150m部位，采用150m深混凝土防渗墙下接3排15m挂灌浆帷幕深悬防渗型式。防渗墙厚度及帷幕孔布置与方案二相同。

(4)150m深混凝土防渗墙下接3排30m深帷幕灌浆悬挂方案

该方案与方案三基本相同，仅防渗墙下接帷幕深度改为30m，其他参数不变。

(5)150m深混凝土防渗墙下接3排50m深帷幕灌浆悬挂方案

该方案与方案三基本相同，仅防渗墙下接帷幕深度改为50m，其他参数不变。

4 防渗方案比选及结论

4.1 渗流分析

选取覆盖层最深剖面(桩号0+437.4m)进行渗透稳定分析，并选取5个典型剖面(桩号0+437.4m、0+517.4m、0+555.9m、0+648.7m、0+771.3m)汇总计算大坝和基础总渗漏量。渗透稳定分析采用校核洪水位工况，渗漏量计算采用正常蓄水位工况。筑坝料和覆盖层渗透系数取值见表4。

表4 渗透系数取值表

4.1.1 渗透稳定计算成果

5种方案覆盖层和灌浆帷幕平均渗透比降值见表5。

表5 渗透系数计算成果

4.1.2 渗漏量计算成果

5种方案渗漏量见表6。

表6 渗漏量计算成果表

由上述结果可看出，5种方案的坝基覆盖层渗透比降均小于设计允许值，渗漏量均小于多年平均径流量的1%，渗透比降和渗漏量均随帷幕深度的增加而减小。

4.2 防渗可靠性

5种方案中，方案一为150m深混凝土防渗墙悬挂方案，其他方案均为防渗墙接灌浆帷幕悬挂方案，防渗措施的可靠性主要取决于灌浆的可灌性和质量。对于冰水堆积层帷幕灌浆的可灌性，采用可灌比法、渗透系数法进行判别。可灌比判别法公式为：

(1)

式中，D15—受灌砂砾石层中小于此粒径的土重占总土重的15%的粒径；d85—在灌浆材料中小于此粒径的重量占总土重的85%的粒径；一般情况下，水泥的d85=0.08mm；粘土d85=0.02mm。当M>10～15时，属可灌性地层；其中M>10，可灌注水泥粘土浆；M>15时，可灌注水泥浆。根据地勘所取试样，可灌性分析成果见表7。

表7 冰水堆积层可灌性分析表

由表7可知，采用粘土浆灌注属可灌地层，而采用水泥浆灌注各试样均为可灌性差地层。

当采用渗透系数法进行判别时，渗透系数K>5～6×10-2cm/s可灌水泥粘土浆；渗透系数K>2～3×10-1cm/s可灌水泥浆。根据地勘成果，冰水积卵石混合土渗透系数K为8.0×10-3cm/s～2.0×10-2cm/s，按此判断采用水泥浆和水泥粘土浆均属可灌性较差地层。

另据旁多水利枢纽坝基覆盖层帷幕灌浆现场试验结果，冰水积卵石混合土层可灌水泥粘土浆，但存在局部可灌性较差等问题。

综上，坝基冰水堆积层采用水泥浆和水泥粘土浆均为可灌性较差地层，幕体质量不易保证；另外灌浆部位较深，帷幕底部孔斜难以控制，幕体质量无可靠检查手段，因此灌浆帷幕的防渗可靠性不如混凝土防渗墙。

4.3 工程施工和投资分析

方案二至方案五需在防渗墙内预埋灌浆管，并用钢筋骨架固定，以防止管道产生过大变形。在混凝土浇筑过程中，施工干扰非常严重。浇筑混凝土对灌浆管产生较大的挤压，常常会导致灌浆管变形过大使得后期扫孔困难，甚至废孔。扫孔工作难度较大，直接占用直线工期。经初步分析，五个方案工期分别为29、32、32、35和39个月。从施工技术条件和工期方面比较，方案一较优。

经投资测算，五个方案中，方案二投资最少，方案一次之，方案三至方案五逐渐增加。

4.4 比选结论

经计算分析，上述五个方案在技术上均可行。方案二工程投资最少，但该方案120m深以下覆盖层可灌性较差，幕体及防渗质量难以保证；方案一采用150m深防渗墙，防渗可靠性高，耐久性好，通过前期部分槽孔施工，150m深混凝土防渗墙施工已顺利实施。其他三个150m深混凝土防渗墙下接帷幕方案虽可减少渗漏量，但幕体质量不易保证。帷幕施工增加工程工期，且投资增加较多。经综合比较，推荐方案一，即150m深混凝土防渗墙悬挂方案。

5 推荐方案布置及计算分析

5.1 防渗墙布置

根据地勘资料，对于大坝基础覆盖层深度小于150m部位，采用混凝土防渗墙全封闭；对覆盖层深度大于150m部位，采用150m深混凝土防渗墙悬挂防渗，150m深度以下覆盖层不再做防渗处理。防渗墙厚度1m，入岩深度1.0m。分成A、B两个区(如图1所示)，A区位于防渗墙高部位，混凝土180d抗压强度≥25MPa，抗渗等级W10，弹性模量E≤28GPa；B区位于防渗墙低部位，混凝土180d抗压强度≥36MPa，抗渗等级W10，弹性模量E≤31GPa。

图1 混凝土防渗墙分区图

渗透系数/(cm/s)冰水积卵石混合土冲积卵石混合土平均渗透比降J允许比降[J]平均渗透比降J允许比降[J]渗漏流量/(m3/s)年总渗漏量/(107m3)占多年平均流量百分比5.0×10-30.290.4<0.10.151.424.480.728.7×10-30.290.4<0.10.151.946.150.981.20×10-20.290.4<0.10.152.337.351.181.60×10-20.280.4<0.10.152.758.671.392.00×10-20.280.4<0.10.153.119.811.57

表10 邓肯-张E-B模型和接触面模型参数

5.2 渗流分析

在方案比选基础上，对150m以下冰水积卵石混合土层渗透系数进行了敏感性分析，渗透系数范围为5.0×10-3～2.00×10-2，计算结果见表8。

由上述结果可看出，随着渗透系数增加，冰水积卵石混合土层平均渗透比降减小，但变化幅度较小。从渗漏量看，随着渗透系数增加，渗流量增加。当渗透系数取最大值2.0×10-2cm/s时，年总渗漏量为9.81×107m3，占多年平均径流量的1.57%，大于多年平均径流量的1%，但超出范围不大，渗漏量仍在多年平均径流量的1%～3%范围内，基本满足工程建设要求。

5.3 防渗墙应力应变分析

5.3.1 计算方法和参数

选取典型断面，采用邓肯-张非线性E-B模型进行大坝二维有限元静力计算，分析混凝土防渗墙竣工期和蓄水期应力和变形。计算材料参数见表9、10。

表9 线弹性材料参数

5.3.2 二维有限元静力计算结果

防渗墙竖向应力最大、最小值及水平向和竖向位移最大值见表11，防渗墙竣工期应力和位移分布如图2、3所示。

表11 防渗墙静力计算结果(应力以压为正)

图2 竣工期防渗墙应力分布

图3 竣工期防渗墙位移分布

从上述结果可知，应力控制剖面为150m深混凝土防渗墙入岩剖面，该剖面墙底变形受到基岩约束，竖向应力值较大，控制工况为竣工期，最大竖向应力为36.5MPa，位置为110m深左右。竖向位移最大剖面为150m深混凝土悬挂防渗墙剖面，竣工期最大竖向位移为61.1cm。蓄水期，受水的浮力影响，防渗墙的竖向应力和位移均有所减少，但在水荷载作用下，水平位移增加。水平位移最大值为150m深混凝土悬挂防渗墙剖面，最大为37.8cm。上述结果符合防渗墙应力应变一般规律，且应力和变形成果基本满足结构设计要求。

5.3.3 防渗墙弹性模量敏感性分析

为分析混凝土弹性模量对防渗墙应力的影响，通过二维有限元计算，对混凝土防渗墙弹性模量敏感性进行了分析。墙体弹性模量分别取25.5GPa、28GPa、31GPa、35GPa和40GPa，结果见表12。

从表12可知，随着混凝土弹性模量的增加，竣工期和蓄水期混凝土防渗墙的竖向应力最大值和最小值均有所增加，但增加幅度较小，说明墙体弹性模量对墙体应力有一定影响，但影响不大，也由此说明采用强度较高的刚性混凝土防渗墙进行防渗是合适的。

表12 不同混凝土弹性模量下防渗墙竖向应力最大和最小值 (应力以压为正) 单位：MPa

6 结语

(1)对于超深厚覆盖层坝基，在坝基渗流安全有保障和渗漏量可控的前提下，采用悬挂防渗方案在技术上是可行的，可有效解决全封闭方案施工难度大、工程投资高等问题。

(2)和灌浆帷幕相比，混凝土防渗墙的投资较大，但防渗可靠性高，耐久性好。通过多方案技术经济比较，旁多水利枢纽大坝坝基采用150m深混凝土悬挂防渗墙方案是合适的。计算分析表明，坝基覆盖层渗流比降和渗漏量满足规范要求，防渗墙应力等指标满足结构设计要求，防渗墙的布置和结构设计合理。

(3)目前，旁多水利枢纽工程已基本建成并发挥效益，混凝土防渗墙质量总体良好，大坝总体渗漏量较小，坝基防渗处理的质量和效果较好，可供其它工程参考和借鉴。