新疆深厚覆盖层坝基超深防渗墙建设关键技术

李 江，柳 莹，贾洪全，杨玉生，3

（1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

我国西南和西北地区河床深厚覆盖层现象较为显著[1]。河床深厚覆盖层的存在和现有技术手段的限制，使得覆盖层上大坝建设仅能考虑土石坝坝型[2]，同时坝基还需进行防渗处理。面板堆石坝和心墙堆石坝建设均需考虑坝基防渗系统与坝体防渗体系（趾板、防渗心墙）连接问题。心墙堆石坝采用廊道或盖板（基座）形式连接心墙和坝基防渗体各有利弊[3-5]。有效的坝基渗流和渗透变形控制是保障深厚覆盖层上高土石坝安全的前提，创新深厚覆盖层防渗处理及防渗结构型式是当前的迫切需求[6]。

在新疆，尤其是南疆普遍存在“高地震、高严寒、高海拔、高边坡、深厚覆盖层、多泥沙”的筑坝环境[7-8]，随着建坝需求变化和筑坝技术发展，当前山区控制性水库大坝建设多限于河流中上游，进入大坝越建越高、库容越来越小、防渗越来越深、难度越来越大、投资越来越多的开发方式，百米级高坝一旦坝基防渗处理不合格，后期维修将给运行管理带来极大压力[9-12]。

新疆自下坂地水库（坝高78 m、覆盖层厚150 m）建成后，又陆续建设了阿尔塔什[13-14]（坝高164.8 m、覆盖层厚100 m）、大河沿[15]（坝高75 m、覆盖层厚186 m）、石门[16]（坝高86 m、覆盖层厚110 m）等6座覆盖层厚度超过100 m的大坝。针对坝基处理中渗透稳定和防渗要求，多数都采用槽孔混凝土防渗墙型式。混凝土防渗墙因适应各种地层的变形能力较强，防渗性能好，施工技术成熟，是当前坝基防渗的主要手段。目前200 m级防渗墙处理技术已日趋成熟，设计施工上取得的若干关键技术有力地促进了坝基防渗的技术进步[17-19]。但坝基被完全“截断”的必要性、低弹性模量塑性混凝土防渗墙、不同连接形式防渗墙的顶部结构性态以及防渗墙是否需配筋等问题均有待进一步研究[4，20]。

2 河床深厚覆盖层

2.1 基本特点深厚覆盖层是指堆积于河谷之中，厚度大于30 m的第四纪松散堆积物，大多结构松散，岩层不连续，岩性成因复杂且变化较大。新疆天山、昆仑山区域大多数河流均存在深厚覆盖层，大多是以冲积砂砾石层为主，局部还存在薄弱黏土、粉土夹层。

深厚覆盖层普遍存在“深、透、软、难”的特点。①“深”—浅则数十米，深则数百米，防渗处理代价很大；②“透”—覆盖层上部普遍表现为强透水，渗透系数达10-1～10-2cm/s，下部局部强透水，个别防渗墙底部呈现强透水，大河沿即是如此；③“软”—部分覆盖层存在软弱夹层，如透镜体、砂土等，可能的沉降变形会影响上部坝体安全，如察汗乌苏；④“难”—百米以上的深厚覆盖层施工技术还存在很多难点，大多施工单位并不掌握，如专用成槽设备、拔管时机、墙底嵌岩深度、孔斜控制等，稍有差异，即会造成隐患。早期受投资影响及从坝基渗流安全可控的角度出发，坝基防渗墙普遍采取半悬挂方式处理[9-11，21-23]。当前考虑工程安全和施工技术进步逐步发展到“一墙到底”或“一幕到底”，不留隐患。斯木塔斯水电站[4]、九甸峡水利枢纽[24]的建设实践表明，分析研究覆盖层的基本特征及其成因类型，对工程防渗方案及具体处理措施的选择具有重大意义。

2.2 主要工程地质问题坝址区河床深厚覆盖层对水利工程的影响主要是：深厚覆盖层差异沉降、坝基渗漏、渗透变形、地震液化、抗滑稳定问题等。覆盖层的物理力学特性对坝体和防渗墙应力变形影响较大，理论上覆盖层的刚度与防渗墙混凝土越接近，其变形协调性和防渗墙的应力状态越好。

（1）不均匀沉降问题：设计普遍关心坝基覆盖层对上部高坝的支撑能否满足变形要求。阿尔塔什坝基覆盖层具有结构紧密、压缩性低、承载力高、透水性强的特点，地层总体比较均匀，不存在较大不均匀沉陷，沉降在施工期内即可基本完成，对建成后的坝体影响较小；坝体填筑完工时，坝体中心断面靠近坝轴线下游侧坝基沉降量近500 mm。

（2）渗漏及渗透稳定问题：新疆河流深厚覆盖层大多是以冲积砂砾石层为主，渗透性较强，在水库高水头差作用下，极易产生渗漏和渗透变形。阿尔塔什[25]、大河沿[15]河床均为透水性强的砂卵砾石层，存在管涌、渗漏和渗透变形问题，均采取了防渗处理措施。大石门水利枢纽工程[26]左岸古河槽中更新统Q2al冲积砂砾石覆盖层厚200 m以上，架空结构约占15%，存在严重的渗漏和绕渗问题，采用了纯帷幕灌浆（2排）+综合排水的防渗处理措施。

（3）坝基砂土振动液化问题：由于深厚覆盖层坝基内普遍存在较多的夹层，若夹层为砂层，地震工况下易产生振动液化。阿尔塔什河床砂卵砾石层中有零星透镜状或鸡窝状分布的中砂层，厚度约0.3～0.5 m。由于砂层埋深超过15 m且包裹在透水性很好的砂砾石中，孔隙水压力很容易消散，不存在振动液化的条件，无液化可能[25]。新疆高坝大库往往伴随高地震的筑坝环境，对坝基砂土夹层的液化判断应引起高度重视[7]。

3 坝基超深防渗墙的实践

3.1 国内外工程实践混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基最为有效的防渗处理手段，国外有较多的在深厚覆盖层上修建高土石坝的工程实例，如加拿大马尼克3号坝（坝高107 m，防渗墙深131 m）、美国穆德山土石坝（坝高128 m、防渗墙深122.5 m）、土耳其凯版心墙土石坝（坝高207 m、防渗墙深100.6 m）等[1]。20世纪90年代至今，我国混凝土防渗墙技术有了突飞猛进的发展，从100 m级突破到现在的200 m级[17]。四川冶勒水电站[22]（坝高125.5 m、防渗墙深140 m）、大渡河瀑布沟水电站[27]（坝高207 m、防渗墙深100.6 m）、狮子坪水电站[28]（坝高136 m、防渗墙深101.8 m）、旁多水电站[23]（坝高73 m、防渗墙深158 m）等都采用了深度超过百米的混凝土防渗墙，其中旁多试验段深度达201 m。大坝类型包括面板堆石坝（如阿尔塔什）、沥青心墙堆石坝（如冶勒、旁多）、土质心墙堆石坝（如瀑布沟、狮子坪）等，接头形式多种多样，墙体设计理论也在逐步完善。早期三峡二期围堰[29]采用双排塑性混凝土防渗墙（深度40 m），后期在建的工程很少采用双墙形式。杨昕光等[30]考虑到缩短工期和方便运行期检修，针对西南某238 m高土石坝提出了一种覆盖层上建心墙堆石坝的新型结构型式。

3.2 新疆超深防渗墙实践新疆针对深厚覆盖层防渗处理经历了不同的处理方案阶段：①1990年代初，因建坝难度太大暂缓建设，阿尔塔什在选坝阶段即如此，此时防渗墙处理深度基本在50 m以内；②2000年代初，因为百米级覆盖层防渗施工技术难度大、投资大的问题，故采用其他方式代替，如煤窑沟水库采用水平铺盖，下坂地水库探索采用80 m防渗墙+70 m帷幕；③2010年以来，技术发展日趋成熟，但仍然需要适当突破，如大河沿等。下坂地水库可研设计阶段针对深厚覆盖层的特点，进行了多种防渗形式比选，最终采用“上墙下幕”的处理型式，当时这种“上墙下幕”形式的设计、施工难度非常大，尤其是超深砂砾石层帷幕灌浆在国内还尚未颁布有关的施工规范[11]。下坂地的顺利建成对新疆深厚覆盖层上建坝起到了极大的推动作用，对于沥青心墙与坝基防渗墙的连接也开展了大量的工作。新疆深厚覆盖层上已建、在建超深防渗墙见表1。

表1 新疆覆盖层上建坝—坝基（古河槽）采用超深防渗墙实例

在建的阿尔塔什水利枢纽，坝高164.8 m，防渗墙深100 m，复合坝高264.8 m，属于整体已经达到250 m量级的高坝[13]。随着坝高的不断提升，如何解决深厚覆盖层高土石坝混凝土防渗墙应力过大、廊道设置、坝体防渗体与坝基防渗墙衔接型式、河床基础处理等问题将成为今后坝基处理的关键研究问题[14]。大河沿水库坝高75 m，但防渗墙深达186 m（世界之最），借助国内百米级防渗墙的施工经验，施工中创造性的攻克了造孔孔斜（1‰）、泥浆固壁、墙段连接方法及施工工艺、清孔、混凝土浇筑等一系列技术难题，很好的解决了深厚覆盖层成槽难、清孔难、浇筑易堵管的问题，为类似工程提供了宝贵经验[15]。部分工程古河槽也采用了超深防渗墙进行处理，如柯赛依水电站、斯木塔斯水电站[4]。

4 超深防渗墙设计关键技术

4.1 基础防渗原则为了保证砂砾石地基的渗透稳定，控制过大的渗漏量和下游过高的渗透压力，需同时满足几个条件：允许渗透破坏比降、控制渗漏量、施工技术成熟。①出逸坡降不超过地基的允许渗透破坏坡降，允许坡降的安全系数影响因素较多，但主要考虑地基的不均匀性和破坏坡降的离散性，可用1.5～2.0；②控制渗漏量，冶勒[21]、下坂地[9]、大河沿[15]大坝渗漏量按河道多年平均流量的1%控制，这项指标尤其适用于坝基不均匀、对渗漏控制要求较高的工程。大河沿河床砂卵石覆盖层厚84～185 m，渗透系数在8.7×10-2～1.2×10-3cm/s之间，底部渗透系数0.1 cm/s，属中等至强透水层。设计计算分析表明，在不封闭覆盖层（防渗深度80 m、100 m、120 m、140 m、160 m）情况下，渗流量占多年平均径流量比例均在14%以上，砂砾石坝体渗透坡降和出溢点渗透坡降均不满足渗透稳定要求，只能采取全封闭方案，即“防渗到底”。③施工技术成熟，灌浆帷幕方案施工工序和工艺较复杂，工作量大，且需要设置灌浆廊道；不仅施工难度大，工期长，而且帷幕质量难以控制，尤其当灌浆部位较深时，帷幕底部孔斜更难以控制。而防渗墙经过近三十年的发展，防渗效果好，墙段连接可靠，成墙水平越来越高，质量检验方法相对成熟[17-19]。对于地下隐蔽工程而言，投资相差不大时更倾向于选择防渗墙。

4.2 防渗墙结构设计深厚覆盖层内建造防渗墙应用最广泛的主要是槽孔型防渗墙，因防渗墙深埋于覆盖层内，大坝一旦建成，防渗墙性态变化存在很多变数，目前结构设计关心的问题突出在以下2个方面：

（1）墙体材料。刚性混凝土防渗墙主要用于防渗和强度要求较高的工程，新疆已建的100 m级高坝均采用此类型防渗墙。塑性混凝土防渗墙在国内大多应用于除险加固工程，墙深超过60 m的国内外均较少，代表性工程是伊朗卡尔黑心墙堆石坝（坝高127 m、塑性混凝土防渗墙深80 m），至今未见任何技术问题的报导。业界普遍认为墙体弹性模量过低，会导致墙体材料强度降低，进而使墙体的压应力发生很大变化[20]。防渗墙深埋于相对密度较高的覆盖层内，两侧约束很大，主要目的就是防渗和避免渗透破坏，施工质量可控的墙体连续、不分叉，片面追求高强度会带来投资的显著增加。塑性混凝土防渗墙在伊朗卡尔黑工程的应用实践表明此问题还需要进一步深入研究。

（2）墙体结构形式。墙体就单独成槽工艺来讲，是一块超长的混凝土板，早期计算均简化成弹性地基梁，目前多采用有限单元法分析。作为混凝土结构需要考虑以下因素：

①强度等级：混凝土的强度、抗渗性和耐久性主要与胶凝材料用量和水胶比相关。防渗墙混凝土强度指标选择一般可根据工程经验类比确定，需考虑工程地质条件、墙体高度与厚度、与上部防渗体的连接形式、墙体的应力应变等因素。对较均质低弹模材料、层间模量相差不大，选择C10—C15；地层沉积层复杂、物料分布不均，水力梯度较大（中、高坝）时选用C20—C30较为合适[33]。河谷较开阔时，墙体混凝土可选择单一强度等级，河谷覆盖层呈窄深状时，两岸墙体混凝土可适当增加强度等级，中部可适当降低强度等级。多数工程经验表明大坝防渗墙采用刚性墙是合适的。新疆已建、在建深度超过100 m的防渗墙都选择了C30混凝土，只有察汗乌苏（防渗墙深46 m、C35混凝土）比较特殊。

②钢筋设置：考虑防渗墙顶部与心墙之间的变形问题，尤其是狭窄河谷、高坝等，有些工程会在防渗墙上部设置5～10 m长的钢筋笼，以抵抗防渗墙变形、拉裂等问题。但有些工程未做此项设计，运行也是良好的[20]。由于升管法浇筑工艺的限制，防渗墙顶部5 m以上范围容易产生浇筑不均匀、墙体质量差的问题，而防渗墙顶部大多需要与盖板、基座或趾板等相连接，较好的墙体质量就显得较为重要。一般情况下建议还是考虑在防渗墙顶部设置5～10 m左右的钢筋笼。同时，对于窄深式或地质条件复杂的覆盖层，应该通过相关计算模拟分析防渗墙的应力应变状态，在拉应力较大区域设置一定深度的钢筋笼，以增加墙体的整体性和抗变形能力。

5 超深防渗墙施工关键技术

超深防渗墙施工的特点和难点是随着深度的增加施工控制越来越困难。下坂地85 m防渗墙施工创造了当时多项新疆第一，如造孔、拔管、预埋管等；同期狮子坪水电站坝基覆盖层防渗墙施工创造了当时5项国内第一[28]。大河沿防渗墙工程最深孔段186 m，在系统研究下坂地、狮子坪、旁多防渗墙建造的基础上，对各区域的覆盖层类型、施工及地质情况认真研究分析，制定了一系列保证造孔、挖掘成槽、清孔、混凝土浇筑、墙段连接等措施，通过先导试验段摸索出成套技术，一举解决了186 m防渗墙技术难题，创造了多项第一，实现了200 m级防渗墙施工的又一突破。施工关键环节、难点及对策见表2。

表2 超深防渗墙施工难点及控制关键技术

6 超深防渗墙变形监测技术

大河沿水库深厚覆盖层混凝土防渗墙是当今已建及在建同类工程中，防渗墙深度最深、工作水头最大、难度最高的水利工程，其面临的工作环境水荷载很大，运行期水头可达80～250 m。刚性防渗墙与深厚覆盖层之间的变形协调至关重要；蓄水后，防渗墙内部可能出现较大的应力。为了评估防渗墙的工作性态，根据防渗墙的工作环境，布置了若干监测断面对渗压、墙底压力、应力应变、挠度等进行监测，在施工期取得了较完整的监测资料[34]。

6.1 防渗墙安全监测设计应力应变监测断面为大坝0+187.0 m、0+255.0 m、0+270.0 m三个断面，墙内部沿高程方向设置固定式测斜仪、应变计、无应力计等；在0+255.0 m、0+270.0 m、0+340.0 m三个断面的防渗墙上、下游侧沿不同高程分别布置多组渗压计，同时在槽孔混凝土的顶部和底部布置土压力计（见图1）。

图1 大河沿水库防渗墙主监测断面布置

6.2 防渗墙监测成果

（1）防渗墙前后渗压水位监测成果。大河沿水库深厚覆盖层建基面以下3.5～102.6 m范围内的渗透系数在8.7×10-2～1.2×10-3cm/s之间，建基面102.6 m以下的渗透系数在1.9×10-2～1.7×10-3cm/s之间，属于中等至强透水层。以典型监测断面0+270.0 m断面为例，从防渗墙上、下游侧与深厚覆盖层接触面处布设的渗压计的监测数据（见图2）可知，防渗墙施工完成时，同一地层防渗墙上下游侧的渗压水头相差不大，仅相差1.8～4.4 m。原因在于防渗墙施工完成时大坝尚未填筑蓄水，渗压水头仅受围堰挡水水头的影响。

图2 截流前典型监测断面防渗墙上、下游两侧渗压水头分布图

（2）防渗墙混凝土应力应变监测成果。大河沿防渗墙混凝土的热膨胀系数为7.78με/℃左右，通过监测计算获得的混凝土自生体积变形可知，防渗墙混凝土基本呈膨胀状态。

从0+270.0 m断面竖向应变和左、右岸应变沿墙体高程分布（见图3和图4）可知，当前状态下（2020/8/9），防渗墙顶部上、下游侧竖向和左、右岸方向均呈受拉状态，竖向和左、右岸方向拉应变极值分别为98 με和63 με；1520 m高程以下墙体竖向基本呈受压或微拉状态，竖向、和左、右岸压应变最大值分别为305 με和332 με，分别出现在1483高程的上游侧和1513高程的下游侧。

图3 0+270.0m断面防渗墙混凝土竖直方向应变分布图

图4 0+270.0m断面防渗墙混凝土左右岸方向应变分布图

（3）防渗墙底部压力监测。从0+255 m、0+270 m断面槽孔底部土压力过程线（见图5）可知，坝体填筑期内，防渗墙底部应力随填筑过程持续增大。截至2020年10月18日，0+255 m、0+270 m断面混凝土防渗墙底部压应力分别为2.24 MPa、3.04 MPa，两者相差0.8 MPa，即由于坝体的分期填筑，右岸0+270断面（后期填筑）防渗墙底部压力要大于左岸0+250断面（先期填筑）防渗墙底部压力。

图5 0+255.0和0+270.0断面槽孔底部土压力过程线

（4）防渗墙挠度变形分析。从0+270.0 m典型监测断面埋设的固定式测斜仪监测数据（见图6）可知，不同高程部位的相对位移呈向上、向下游变形分布。大坝填筑前，墙体顶部测点表现为向下游位移，埋设初期位移增量相对较大，墙体底部测点表现为向上游位移，其相对变形微小；向上游最大相对位移值出现在墙体顶部约1/3处，其最大值为1.90 mm，向下游最大相对位移则出现在墙体底部约1/3处，其最大值为0.93 mm；大坝填筑后，截止至2020年8月9日，两个部位的相对位移分别增加0.52 mm和0.04 mm，说明大坝填筑后坝体盖重对墙体和底部的相对位移影响不大。

图6 大河沿典型断面防渗墙相对变形分布图

防渗墙渗压水头监测、应力应变监测、墙底部压力监测和挠度变形监测结果表明，大河沿坝基深厚覆盖层防渗墙施工期相关的技术指标均在正常范围之内，工作性状良好，说明大河沿186 m全封闭超深防渗墙的建设是成功的。

7 结语

新疆大河沿水库186 m超深防渗墙建设成功解决了深厚覆盖层勘探及试验、坝基渗漏及渗流控制、坝基覆盖层参数选择、坝基防渗墙受力状态、防渗墙成墙工艺措施等技术难题，创造了全封闭防渗墙技术之最。大河沿水库186 m超深防渗墙建设实践，证明经精心设计、科学施工、系统观测的超深防渗墙能做到质量优良和性态稳定，其设计、施工和监测技术可为类似工程提供宝贵经验。

（1）防渗墙设计逐步形成了以取消心墙廊道等复杂连接形式、墙体顶部钢筋混凝土为主、墙体上下游侧固结灌浆加固、加宽盖板与坝体心墙连接的结构形式。

（2）超深防渗墙建设深入研究了造孔平台与加固、造孔孔斜控制、墙段连接方法及施工工艺、槽孔清孔和混凝土浇筑技术，研发了200 m级超深防渗墙造孔成槽施工成套装备，提出了造孔成槽施工技术方法，优化了施工技术与工艺，形成了系统的施工技术体系，解决了深厚覆盖层成槽难、清孔难、浇筑易堵管的问题。

（3）通过埋设无应力计、土压力计、渗压计和测斜仪，能够对防渗墙的应力应变、墙底压力、渗压水位和挠度等进行有效监测，结合质量检测结果和监测数据分析，能够对防渗墙的工作性态进行评估。