谷久浓水库深覆盖层坝基土石坝设计研究

梁坚

【摘要】谷久浓水库大坝坝基为冲洪积和冰积深覆盖层，且夹有软弱层，防渗和大坝变形是本工程大坝设计研究的重点和难点。经多方案比选结合三维有限元计算分析，最终推荐稳定和应力应变满足要求，投资相对较低，并具施工可操作性的设计和施工方案。

【关键词】深覆盖层；堆石坝；防渗墙；有限元；应力变形

1、绪言

谷久浓水库位于云南省迪庆州德钦县境内，地处高海拔寒冷地区，自然条件恶劣，地质条件十分复杂，其建设难度堪称云南省之最。工程建设任务主要解决德钦县城供水，是德钦全县唯一的一件蓄水水源工程，其建设具有稳定和发展藏区的重大政治意义。水库总库容102万m3，大坝最大坝高43.6m。

2、坝址地质条件

坝址为古冰斗、古冰湖、历史冰川U谷与现代冲沟复合地貌，谷底较宽平，河床宽80m，水面宽度2～5m。坝基覆盖层分为4层：

（1）坡积层②，主要为含细粒土块石、碎石及砾石，局部含有大孤石。块石粒径一般为0.3～2m，右岸厚度较左岸大，厚度达到20.9m，左岸厚度一般为表层3～5m。一般表层2～3m，结构松散，强度较低，下部呈稍密，承载力为350～400kPa，分布在兩岸坡。

（2）河床冲洪积层①：主要成分为砂卵砾石土，级配较好，总厚度5～18.7m。表层2～3m结构松散，强度较低；中部呈稍密状态，承载力为250～300kPa。主要分布在河床一带。

（3）湖积泥炭质土③：根据木屑含量可划分为含木屑泥炭质土③-2及泥炭质土③-1，含木屑泥炭质土③-2：为灰褐-黑色泥炭质土，呈可塑状态，成分复杂，局部含有未腐化的木屑，强度低，允许承载力为50～70kPa。埋深18.7m，厚度为3.5～10.3m。泥炭质土③-1：为褐色泥炭质土，呈可塑状，强度低，承载力为100～120kPa，埋深16.5～25m，厚度为3.5～10m。

（4）冰川堆积层④：分粉土夹碎石④-1及砾石土④-2两层，砾石土④-2：分布在上部，受地下水冲刷细粒土被带走，在河床形成管涌现象，将河水分为上下两层，该层为下层河水的主要通道，局部存在大孤石，埋深大，密实状态较好，承载力为350～400kPa，主要分布在河床及两岸坡，河床埋深为25～28m，左岸埋深3～5m，右岸最大埋深达20m，河床一带厚度为8m，两岸坡厚度为13～20m。粉土夹碎石④-1：大面积下伏于砾石土④-2之下，埋深大，较为密实，承载力为300～350kPa。

河床段覆盖层深40～61.5m，底部冰水堆积层④强度较高，但埋深大，难以直接利用；中部湖积层含木屑泥炭质土③-2和含木屑泥炭质土③-1软弱下卧层强度和承载力低、压缩性高，抗剪强度低，大坝存在沉降量大、不均匀沉降和抗滑稳定等问题，但因厚度较大，埋深大，清除工程量大、施工困难，而顶部冲洪积层①厚度5～18.7m，中部呈稍密状态，强度较高。

3、坝型选择

坝址河床和两岸覆盖层较深厚，河床覆盖层中还存在埋藏较深、厚度较大、向上游倾斜的泥炭质淤泥夹层，属软土，地质条件只能建土石坝。土石坝型中面板坝方案趾板线地质条件极差，并且软基变形沉降易造成面板拉裂，因此不适宜面板坝方案；工程区周边粘土料源欠缺，无建土质防渗体坝型的条件；沥青混凝土心墙堆石坝的心墙基座河床和两岸均无法清至基岩面，建在土基上不均匀沉降可能导致心墙开裂，同样不宜选择。混凝土防渗墙堆石坝相对适宜坝址地质条件，在坝基开挖、防渗体系、施工难度、安全可靠性方面相对优于其他坝型，因此，推荐混凝土防渗墙堆石坝。

4、坝基处理方案研究

（1）混凝土防渗墙：贯穿河床和两岸覆盖层，嵌入强风化基岩一定深度，以确保形成连续完整防渗体系。

（2）堆石区：河床砂卵砾石层和两岸坡积层的浅表层结构较松散，承载力、变形模量不满足要求，须清除。

泥炭质土呈软塑—可塑状，抗剪强度、承载力、变形模量等指标小，性质软弱，不满足坝基持力层要求。如清除，则清基深度达25～30m，形成深基坑，坝高大幅增加。如不予清除，则构成软弱下卧层，对坝基变形稳定、抗滑稳定起控制作用，必须采取工程措施处理，解决大坝变形稳定和抗滑稳定问题。

（3）坝基地质条件不宜采取高压旋喷桩或深搅桩处理，如采取振冲碎石桩处理，桩体需贯穿上部冲积盖层，盖层厚度达5～18.7m，含大小不等块石和漂孤石，碎石桩难以穿过，须采用钻孔探测、孔内爆破、冲击钻造孔成桩等手段解决，施工难度较大。如采取强夯加固处理，由于软弱下卧层埋藏较深，加固效果难以达到要求。经比较，采取大坝上、下游坝脚设反压平台方案，并严格控制大坝填筑速度，使坝基软弱下卧层逐步排水固结，以降低软土层含水量，提高紧密度，增加抗剪强度、承载力和变形模量。

（4）坝基、坝肩坡积、冲积和冰积层具强透水性，湖积泥炭质土层和基岩强风化带属中等透水，存在严重坝基渗漏、绕坝渗漏和渗透变形问题，须实施防渗处理。

河床及岸坡段坝基采用混凝土防渗墙，防渗墙底界嵌入基岩内0.5m，大坝填筑至正常蓄水位附近时开始造槽施工，最大墙深为101.8m。为防止漏浆和垮槽，坝体内混凝土防渗墙上、下游各设3.0m厚土夹石过渡层。因防渗墙深度大，且坝基坡积、冲洪积、冰积层内漂孤石块径大，部份架空，防渗墙施工遇坚硬大孤石须采取孔内爆破处理，防渗墙施工难度大，能否顺利实施决定本工程的成败。为防止绕坝渗漏，两坝肩采取3排孔帷幕灌浆防渗。

5、大坝稳定和变形分析

5.1大坝结构布置

大坝为混凝土防渗墙堆石坝，坝顶高程为3635.50m，最大坝高43.6m，坝轴线长216m，坝顶宽5m。坝体上游坡坡比为1：1.8，变坡处高程3608.00m设置30.0m宽反压平台，下游为三级坝坡，从上至下为1：1.7、1：1.7、1：1.5（棱体坡度），高程3611.00m设置75.0m宽反压平台，高程3597.0m设置5.0m宽平台（排水掕体平台）。混凝土防渗墙轴线位于坝轴线上游1.5m，墙厚1.0m，最大深度为101.8m，抗压强度等级为C20，抗渗标号≥W8，抗冻标号≥F150。

5.2工期和施工程序控制

从建基面开始，用6个月将坝体填筑至3611m高程、停工固结4个月、用9个月从3611m高程填筑至防渗墙施工平台、用8个月进行混凝土防渗墙施工、用1个月完成剩余坝体回填，总工期28个月。

5.3大坝稳定分析

经大坝抗滑稳定分析，上、下游坝坡在正常运用、特殊工况Ⅰ（校核洪水位）和特殊工况Ⅱ（正常运行遇8°地震）最小安全系数均大于规范规定的最小值，抗滑、抗震稳定均满足要求。

5.4应力应变分析

大坝应力应变采用三维有限元進行静、动力分析，分析结论为：

（1）竣工期坝体、坝基最大沉降为187.2cm，沉降量主要为坝基沉降，蓄水后沉降略有增大，为189.7cm。竣工期、蓄水期坝体指向上游最大水平位移分别为14.8cm和11.8cm，指向下游最大水平位移分别为8.1cm和12.9cm。

（2）坝基覆盖层渗透系数较大，填筑过程中产生的超静孔隙水压力很小，最大值为0.069m，停工期间很快消散。

（3）竣工期和蓄水期坝体内均未出现拉应力，也没有出现塑性破坏区域。

（4）防渗墙是在坝体基本填筑完成后施工，蓄水期防渗墙大、小主应力最大值分别为5.26MPa和-0.67MPa，拉压应力均在混凝土的抗压抗拉强度允许范围内（C20混凝土强度设计值：抗压9.6MPa，抗拉1.1MPa），蓄水后防渗墙不会发生破坏。

（5）设计8°地震动力情况下，坝轴向、顺河向和垂直向最大反应加速度分别为4.79m/s2、5.75m/s2和4.30m/s2，相应于输入的基岩峰值加速度，坝顶反应加速度放大倍数分别为2.44、2.93和3.29。坝顶及坝顶附近区域的加速度绝对值较大，永久变形最大震陷为46.2cm，坝顶需预留相应的附加沉降量。

（6）设计地震动力情况下，防渗墙大主应力和小主应力最大值分别为6.38MPa和-1.04MPa，拉压应力均在混凝土的抗压抗拉强度允许范围内，地震后防渗墙不会发生破坏。拉应力产生位置为与强风化基岩接触部位。

6、结论

谷久浓水库大坝坝基采用混凝土防渗墙进行防渗，大坝上、下游利用开挖料进行前后压脚，既减少了工程弃渣，又节省了投资。只要严格控制大坝填筑速度和施工程序，使坝基软弱下卧层逐步排水固结，坝基主要变形完成后，再进行防渗墙施工，尽管竣工期的变形量较大，但坝体内均未出现拉应力，也没有出现塑性破坏区域，防渗墙的最大拉应力小于混凝土的允许应力，工程安全是可以保证的。

参考文献：

[1] 李国英，米占宽，魏匡民等. 谷久浓水库混凝土防渗墙堆石坝三维有限元静动力分析[R]. 南京水利科学研究院，2017年7月.

[2] 云南省德钦县谷久浓水库工程工程地质勘察报告（初设阶段）[R]. 昆明市水利水电勘测设计研究院，2017年4月.

[3] 云南省迪庆州德钦县谷久浓水库工程初步设计报告5.工程布置与建筑物[R]. 昆明市水利水电勘测设计研究院，2017年4月.