新疆某碾压式沥青混凝土心墙坝渗控设计及评价

秦文保

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

近年来，国内外成功的修建了一批百米级沥青混凝土心墙坝，虽然取得一定成功和宝贵经验[1]，然而有一些工程在蓄水期或运行期时出现了库内水绕坝渗流、沥青心墙底部漏水量较大等一系列问题[2-3]，有些渗漏在水库蓄水初期时不明显，但随着时间的延长坝体或坝基中的细小颗粒被水流带走，渗流通道逐渐变大，最终发展成流土或管涌对整个坝体造成不可逆的损坏，严重时甚至影响到了坝体的整体稳定性[4-6]。因此，设计人员应结合地形、地质、水文、工程规模等边界条件合理的对防渗系统进行必要的渗控设计，以往在评价渗控设计时常采用二维渗流计算进行评价，该方法对评价河床段渗控设计尚可接受，但对两岸渗控设计就无法满足绕坝渗漏量及浸润面、等势面分布等重要水力要素对渗控设计的影响程度。尤其是面对一些特殊地质地形条件，对大坝进行整体渗漏设计及评价至关重要[7-8]。本工程最大的特点是河谷呈“U”型，河谷谷底宽350m左右，河床堆积物为第四系全新统冲积砂卵砾石，最大厚度43m。覆盖层下伏基岩为砾岩呈巨厚层状，分选性较差，库坝区地层较为单一，均为第四系地层，砾岩主要为泥钙质中等胶结，遇水软化，抗冲蚀能力较差。因此，合理的渗控设计对本工程的安全运行至关重要，本文结合经验与规范提出适合的渗控设计方案，并采用三维有限元法对其进行评价[9-16]。

1 渗控设计

1.1 坝体渗控设计

新疆某水库工程由拦河坝(碾压式沥青混凝土心墙坝)、导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。大坝防浪墙墙顶高出坝顶1.2m，沥青混凝土心墙与防浪墙紧密结合，上游坝坡坡1∶2.25，上游围堰与坝体结合，上游护坡为混凝土现浇护坡板，板厚0.25m，护坡至死水位2465.00m以下2.5m。下游坡度为1∶1.8，最大断面综合坡度为1∶2.05。坝体填筑分区从上游至下游分别为坝壳砂砾料区、过渡料区、沥青混凝土心墙、利用料区，坝体标准横、纵剖面如图1—2所示。坝体填筑主要以砂砾石料为主，过渡层位于沥青混凝土心墙两侧，顶部位于防浪墙底部，最大粒径80mm，水平宽度为3m，利用料区位于防渗体下游，采用枢纽建筑物开挖砂砾料及洞渣料，以上填筑相对密度不低于0.85。

图1 坝体标准横剖面图

图2 坝体心墙轴线纵剖面图

工程大坝心墙布置型式确定采用直心墙，墙体轴线偏向上游距坝轴线2m。考虑到工程地处高震区，同时，大坝基础为砂砾石覆盖层，在满足规范要求时，并结合同类型工程，心墙顶宽0.5m，底宽取0.9m，采用变台阶式设计，按高程加厚，底部靠近基座2.4m范围采用放大脚与混凝土基座相连接，心墙厚度扩大为2.2m，与基座防渗系统连接，河床段与两岸段连接形式如图3所示。

图3 心墙与两岸坡基础连接型式 心墙与河床覆盖层基础连接型式

1.2 坝基渗控设计

按照规范要求覆盖层大于15m宜采用防渗墙对河床段进行防渗处理，本工程河床段覆盖层最大深度达38m，因此，覆盖层采用混凝土基座+混凝土防渗墙+帷幕灌浆方案，防渗墙为C20、厚0.8m，入岩1m，帷幕伸入q≤5Lu下限以下5m，帷幕最大深度为46m，单排，帷幕孔的孔距2m。两岸沥青心墙位于混凝土基座上，两岸基础混凝土宽6.0m、厚1.0m，混凝土为C20F100W6；河床部位基础混凝土宽3.0m、厚2.3m，混凝土为C25F100W6，在建基面表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆，灌浆深度5m，以下连接帷幕。

2 渗流计算分析

为更好的复核本工程渗流控制设计是否满足渗流要求，对设计方案大坝进行三维有限元渗流计算分析。依据地形图、水文地质剖面图、水工设计图，采用三维有限元软件建立枢纽区的三维渗流分析有限元网格模型，该方法生成的C3D8P单元为六面体八节点等参有限单元，局部区域采用四面体单元或五面体单元过渡衔接。坝体实体几何模型及三维有限元网格剖分图如图4所示，大坝防渗体系三维有限元网格剖分图如图5所示。

图4 坝体实体几何模型及三维有限元网格剖分图

图5 大坝防渗体系三维有限元网格剖分图

根据工程各个特征水位确定计算工况，下游水位取对应工况下的下游河道水位，具体计算工况见表1。

表1 大坝渗流场计算边界条件表

借鉴类似工程及现场试验得出各材料分区渗透系数取值见表2。

表2 各材料分区材料参数

3 渗流计算评价

按照本工程坝体、基础渗流控制设计方案建立模型计算上述3种工况，当正常蓄水位时，通过模型三维渗流场成果等值线云图可知，心墙下游侧水位大幅降低，且坝体内浸润线很低很平缓，基本上位于覆盖层内部，坝体最大断面库水位受防渗体作用折减率达94.5%，等水头线云图分布规律符合一般覆盖层上土石坝渗流场规律。

统计各个区域渗漏量可知，坝体、两岸山体、坝基覆盖层与基岩总的渗流量为122.12L/s，其中河床较宽渗流量为77.56L/s，渗流量占总渗流量63.5%。左岸绕渗渗流量为16.28L/s，渗流量占总渗流量13.3%。，右岸绕渗渗流量为28.29L/s，渗流量占总渗流量23.2%。上述计算表明在正常蓄水位时，当坝体坝基防渗体系完好时，工程区多年平均流量为5.4m3/s，渗流量占全年径流量2.2%，表明大坝防渗体设计方案是有效可行的。

坝基覆盖层土体的水力梯度均未超过其相应的允许比降见表3。表明在设计防渗体系完好的情况下，坝基覆盖层土体均满足渗透稳定要求。

表3 正常蓄水位下坝轴线剖面坝体坝基渗流量计成果

设计洪水位与校核洪水位计算规律与正常蓄水位一致，考虑篇幅因此，仅给出正常蓄水位计算成果云图，其余计算成果见表3。

4 结语

新疆境内百米级沥青心墙坝建设无论从技术还是材料都很成熟，本工程位于宽河谷砂砾石覆盖层上，覆盖层下伏基岩为西域砾岩，砾岩呈巨厚层状，分选性较差，库坝区地层较为单一，均为第四系地层，砾岩主要为泥钙质中等胶结，遇水软化，抗冲蚀能力较差。考虑蓄水位后砾岩特性可能发生变化，因此，大坝与基础的渗控设计极为重要。本文结合经验及规范对大坝及基础提出一套渗控设计，筑坝材料也提出了相应渗透系数指标，结合大型有限元软件对整个工程区进行三维渗流评价，在正常蓄水位等工况下，坝体、山体、坝基渗流场的水头分布规律合理，水头等值线在沥青混凝土心墙、固结灌浆、帷幕中较为密集，符合一般渗流场分布规律。下游出逸点最大水力梯度均未超过其相应的允许比降，坝基覆盖层土体均满足渗透稳定要求。当满足渗控设计要求时，坝轴线断面渗漏量占整个河道径流2.2%，也可表明在该坝址修建大坝、防渗系统采用沥青混凝土心墙+防渗墙+帷幕灌浆防渗设计方案是可行、有效的，大坝渗控设计满足要求。