坝基防渗墙与土质心墙廊道式连接构造设计

2020-10-28邹德兵熊泽斌王汉辉闵征辉

人民长江 2020年10期

邹德兵，熊泽斌，王汉辉，闵征辉

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

1 研究背景

利用深厚覆盖层建坝，有其特有的经济优势、工期优势和环保优势，但也有其限制条件和技术难度。深厚覆盖层一般具有强透水性，多采用混凝土防渗墙与上部的土心墙连接构成完整的防渗体，因此，高坝深厚覆盖层中防渗体的布置与连接方式也是坝工领域最复杂和研究最多的课题之一[1]。

吴梦喜[2]对墙顶与廊道连接处高塑性黏土范围的设置进行了比较分析；肖白云[3]对瀑布沟水电站混凝土防渗墙墙体材料及接头形式进行了研究；陈刚[4]对瀑布沟水电站大坝基础防渗墙的廊道形式进行了研究；田景元[5]对毛尔盖心墙堆石坝防渗墙与廊道接头形式进行了研究；朱俊高[6]对防渗墙接头止水材料的防渗性能进行了试验研究。上述成果有的仅限于理论研究，有的是试验研究，对构造设计涉及甚少。基于此问题，本文依托国家重点研发计划项目“深厚覆盖层上特高土石坝建设与安全保障技术”，对深厚覆盖层上土心墙廊道与防渗墙布置、廊道与防渗墙之间的连接、廊道分缝及止水、防渗墙与心墙连接部位防渗抗渗措施等具有共性的设计构造问题进行了梳理与研究。研究成果可为深厚覆盖层上高土石坝防渗墙与土心墙采用廊道式连接形式的构造设计提供有益参考。

2 廊道式连接布置

防渗墙伸入上部心墙防渗体的连接形式主要有直接插入式和廊道连接式两种。工程实践表明：不少高坝工程由于河床地基的帷幕灌浆量比较大，为加快施工进度，节约工期，会在防渗墙顶部专门设置灌浆廊道，即采用廊道连接式，这样帷幕灌浆可方便安排在灌浆廊道里与大坝同步施工，且廊道兼起大坝内部变形、应力、水压观测作用。若防渗墙有施工缺陷，通过廊道还可对防渗墙、灌浆帷幕进行补强。

当坝基采用一道防渗墙时，为实现在廊道内灌浆以节约工期的功能，防渗墙与土心墙连接的廊道一般设置在防渗墙墙顶。四川毛尔盖直心墙堆石坝[5]、硗碛砾石土心墙堆石坝[7]、狮子坪砾石土心墙堆石坝[8]、泸定水电站黏土心墙堆石坝设计[9]均采用此种形式。

当深厚覆盖层上高土石坝(200 m级)工程由于水头高、受力复杂，坝基一般布置两道防渗墙。这两道墙与廊道的平面布置形式有3种：① 独立布置式，即前后两道防渗墙与廊道独立、分开布置，灌浆廊道布置于两墙之间。该布置形式的优点在于两道防渗墙的施工干扰小，工期短，缺点在于防渗墙与灌浆帷幕连接性差，廊道结构变形大，防渗体整体性与可靠性低，后期防渗修补条件差。② 廊道骑于双墙墙顶式，即两道防渗墙墙顶共设一个灌浆廊道。该布置形式的优点在于廊道和防渗墙的受力条件相对较好，缺点在于两道墙距离较近，施工干扰大，工期长，廊道尺寸大，不利于廊道结构受力，容易开裂渗漏。③ 主墙廊道式、副墙插入式，即两道防渗墙分开布置，一主一副。主防渗墙顶设置灌浆廊道，副墙可布置在主墙的上游或下游。该布置形式的优点在于两道防渗墙施工干扰小，工期省，廊道尺寸小，防渗体可靠性好，缺点在于主防渗墙与廊道连接处应力条件稍差。3种布置形式如图1所示。

注：1为防渗轴线；2为混凝土防渗墙；3为高塑性黏土区；4为灌浆廊道；5为帷幕灌浆孔。图1 两道防渗墙与廊道连接布置示意Fig.1 Diagram of connection arrangement of anti-seepage wall and gallery

独立布置式缺点明显，高坝工程中尚无应用实例。廊道骑于双墙墙顶式布置，仅有加拿大马尼克3号大坝采用，该坝最大坝高107 m，覆盖层厚130 m，这种布置形式尚无200 m级高坝应用实例。主墙廊道式、副墙插入式布置在200 m级高坝有成功应用实例，例如四川长河坝砾石土直心墙坝[10]、瀑布沟砾石土心墙堆石坝[11]均采用双墙布置、主墙廊道、副墙插入式的连接布置形式，这种布置形式节约了直线工期6～8个月，经济效益显著。

因此，当坝基采用一道防渗墙时，廊道宜布置在墙顶。对于200 m级高坝，布置两道防渗墙时，宜采用主墙廊道式、副墙插入式布置。

3 刚性与柔性连接

3.1 接头形式

防渗墙与廊道连成一体，一般有两种做法：一种是刚性连接，另一种是柔性连接。所谓刚性连接是指防渗墙与廊道底板或基座浇筑构成整体，称之为刚接头，如图2(a)所示。柔性连接又分为两种：一种是防渗墙插入廊道底板或基座，空隙中充填具有防渗性能又能在一定的压力下自由流动的塑胶材料，称之为软接头，如图2(b)所示；另一种是防渗墙插入廊道底板或基座，之间留有一定的空隙，不充填任何材料，称之为空接头，如图2(c)所示。

图2 混凝土防渗墙与廊道接头型式Fig.2 Joint type of concrete anti-seepage wall and gallery

刚接头的优点在于结构简单、施工方便、可靠性高，尤其是在高水头作用下防渗效果好；其缺点在于防渗墙应力偏大，但可以通过设置成倒梯型截面和在墙顶局部位置配置加强钢筋，以及在廊道顶部及周边设置高塑性黏土等措施加以改善。

软接头和空接头的共同优点在于可以改善防渗墙和廊道的应力，减载效果更好；但软接头的缺点在于施工复杂，填料选择困难，防渗可靠性差，难于满足在高水头压力作用下的防渗要求；而空接头防渗可靠性更差。根据文献资料，柔性接头中防渗材料抗渗强度一般较低，水压力在0.4～0.5 MPa时即存在较大的漏水风险，软接头与空接头高坝中未见有工程实例。

高坝工程一般采用刚接头，加拿大马尼克3号坝及中国硗碛、狮子坪、瀑布沟、毛尔盖、泸定、长河坝等高坝工程均采用刚性接头。已建防渗墙系统运行良好，基本达到了设计预期，因此，廊道与防渗墙连接推荐采用刚性接头。

3.2 倒梯形连接

防渗墙与廊道采用刚接头连接时，连接构造形式对廊道及防渗墙应力、变形开裂有较大影响，尤其是200m级高坝，在巨大的坝体填筑荷载与水压力作用下，该问题更为突出。在瀑布沟高土心墙堆石坝设计过程中，对防渗墙与廊道平接式、局部倒梯形式、整体倒梯形式等3种形式(见图3)进行了系统对比研究。计算表明，廊道和防渗墙的变形对3种接头形式均不敏感，量值基本相当，但是应力对接头形式相对敏感。平接情况下，廊道边墙和底部、墙顶以及接头与防渗墙连接部位的拉应力及压应力均超过混凝土设计强度，整体倒梯形连接情况下，应力最小，局部倒梯形连接情况下，应力量值居中。

相对于平接式与局部倒梯形，整体(扩大)倒梯形连接的应力条件最好，廊道底板受力状态明显改善，底板、两侧边墙的拉压力及压应力量值明显减小，长河坝、瀑布沟等高土石坝坝基廊道与防渗墙均采用该形式，运行情况较好。

综上分析认为，高坝工程坝基防渗墙与廊道连接采用整体(扩大)倒梯形刚接头形式更为合理。

4 坝基廊道分缝位置选择

200 m级高土石坝挡水后，在上部巨大的填土压力及水压力作用下，由于基础防渗墙的约束，廊道整体呈三向扭曲变形，尤其是两端可能出现沉降、错动、拉裂，导致渗水、颗粒物带出、渗漏等情况，影响大坝安全运行。为尽量减小廊道两端的变形错动，各工程一般在两端设置结构缝。因此，廊道分缝位置的选择则成为解决问题的关键。

4.1 变形规律

深厚覆盖层高土石坝典型工程计算及监测成果表明：坝基廊道整体呈三向扭曲变形，即河床部分向下游、铅直向下挠曲；廊道两端向上游、铅直向上翘曲。而两岸平洞结构一般位于基岩内，是相对固定的，因此坝基廊道与两岸平洞结构分缝位置必然产生三向变形，主要表现为：横河向变形方面，廊道两端顶部张开、底部挤压；顺河向变形方面，分缝处廊道上游侧张开、下游侧挤压，向上游变形及上抬。表1给出了深厚覆盖层上瀑布沟高土心墙堆石坝坝基廊道不同分缝方案时廊道两端结构缝的变位极值对比成果。

表1 瀑布沟心墙堆石坝坝基廊道不同分缝方案变位极值对比Tab.1 Comparison of extreme values of displacement under different joint schemes of foundation corridor in Pubugou high core wall rock-filling dam cm

由表1可以看出：廊道两端结构缝布置于基覆分界线处，结构缝错位最大，位移2.3～7.2 cm；深入基岩1 m处分缝，结构缝错位明显减小，位移1.2～3.6 cm；深入基岩10 m处分缝，结构缝错位变化不大，位移0.8～3.2 cm，说明将廊道伸入基岩5 m后再分缝，可以有效减小廊道两端结构缝的错位。

4.2 应力分布规律

结构缝位置的不同不仅会影响变形，也对廊道尤其是与两岸平洞连接段的应力状态有直接影响。表2给出了深厚覆盖层上瀑布沟高土心墙堆石坝坝基廊道不分缝、在基覆界线处分缝以及深入基岩1，5，10 m处分缝的应力极值成果。

表2 瀑布沟心墙堆石坝不同分缝方案廊道应力极值对比Tab.2 Comparison of stress extreme value of corridor in different joint schemes in Pubugou high core wall rock-filling dam MPa

由表2可以看出：① 不分缝情况下，横河向、顺河向及铅直向的拉、压应力极值最大，在基覆界限处分缝应力极值最小，前者数值是后者的3倍，固端效应明显；② 深入基岩5，10 m处分缝的应力极值相差不大，说明深入基岩10 m处分缝相较于深入基岩5 m处分缝对应力改善效果不明显；③ 仅从改善应力的角度而言，坝基廊道与两岸平洞结构在基覆界限处分缝最好。

4.3 实际工程中分缝位置选择

硗碛、狮子坪、瀑布沟等几个工程廊道在基覆分界线处设置了结构缝[12]。运行过程中发现廊道分缝处张开和错动变形较大,出现了局部渗漏情况，说明在基覆分界线处分缝虽然对应力改善有利，但也存在结构缝变形过大、止水拉裂的问题。因此，分缝位置的选择需要在控制廊道应力和变形之间寻找一个平衡点，即在适当改善应力条件的同时，尽量减小错动变形。毛尔盖、黄金坪、长河坝工程[12]将廊道分缝位置深入基岩5～10 m，并改进了结构缝止水，加强廊道结构衬砌，实际运行情况良好。

综合计算成果与典型工程实际运行情况来看：坝基廊道分缝位置宜深入基岩一定距离，并辅以改进止水、加强衬砌等手段。

5 高塑性黏土区抗渗与防渗

5.1 抗渗性能

为解决廊道混凝土与土质心墙之间的变形协调问题，通常在廊道或防渗墙周围设置一定范围的高塑性黏土区，塑性区厚度一般取为5～8 m[13]。高塑性黏土区在不同应力状态下的抗渗性能值得关注。深厚覆盖层上瀑布沟堆石坝坝基防渗墙墙顶高塑性黏土区在不同应力状态下的渗透系数与破坏比降试验成果表明：在围压0.5～1.8 MPa、偏应力0.2～2.0 MPa条件下，廊道周边设置的高塑性黏土区破坏渗透比降一般为148～360，说明高塑性黏土与廊道混凝土接触部位具有较强的抗渗性能。

5.2 防渗措施

为确保渗透安全，增大高水头条件下的渗透破坏安全裕度，根据类似工程经验，一般在主防渗墙廊道、副防渗墙与土心墙连接部位采取接触渗透保护措施[14]。该构造措施主要为两种：① 在第二道防渗墙(副墙)下游侧、心墙底部设置双层反滤层保护。② 铺设土工膜，延长接触渗径，降低接触坡降。第一道主防渗墙上游侧、主防渗墙与廊道之间、廊道下游侧均铺设一定长度的土工膜。三维渗流计算表明：通过设置土工膜延长渗径，可有效减小心墙与主防渗墙混凝土廊道接触面、心墙与副防渗墙下游侧接触面渗透比降，各部位出逸坡降均小于反滤保护材料的允许渗透坡降。瀑布沟200 m级土心墙坝坝基廊道与防渗墙土工膜铺设如图4所示，运行情况良好。