深覆蓋層上建土石壩研究與實踐

魯傳銀

（河海大學 水工結構研究所，南京 210098）

隨著人們對電力需求的急劇增加，原眾多地質條件優越的場地都已修建了大壩，使得目前的水利水電建設不得不面臨地質條件差且更為復雜的深覆蓋層地基.深覆蓋層一般指堆積于河谷之中，厚度大于30 m的第四紀松散沉積物［1]，面對這些深覆蓋層地基，想完全挖除覆蓋層建壩幾乎不可能.土石壩壩型對復雜地基的適應性好，且施工運行經驗豐富，在深覆蓋層上建土石壩已成為一種趨勢，其筑壩技術也一直是水利界孜孜以求想要解決好的重點問題.

國內外已有不少建基于深覆蓋層的土石壩工程，典型工程見表1.特別是我國未來如大渡河干支流、金沙江、怒江等一些河流的開發都面臨著深覆蓋層的問題［2]，因此總結歸納深覆蓋層上建土石壩的設計和建設經驗，分析存在的主要技術問題、研究解決措施，有著重要的意義.本文中，通過工程實例，對深覆蓋層建土石壩的關鍵技術和難點及相應的解決方案做出分析總結，特別針對主要存在的壩基滲漏和滲透穩定問題進行了具體的分析.應用了Fortran語言編制的二維滲流分析程序，對采用混凝土防滲墻防滲的具體工程進行滲流計算，計算結果表明其防滲效果良好.因此在深覆蓋層上建土石壩時，建議采用以混凝土防滲墻為主的防滲型式進行防滲，特別對于厚度超深的覆蓋層，可采用混凝土防滲墻下接帷幕灌漿的聯合垂直防滲措施進行防滲.

表1 國內外建在深覆蓋層上的主要土石壩

1 深覆蓋層上建土石壩存在的問題

據不完全統計，國外建于軟基及覆蓋層上的土石壩工程，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉降太大或滑動等因素導致的.我國在已建的土石壩工程中，約35%～40%的工程是由于滲流控制及防滲措施不當以致存在隱患和發生事故［1].由此表明，在深覆蓋層上建土石壩時，滲漏、滲透穩定，沉陷、不均勻沉陷及砂土液化等問題較突出.

1.1 壩基滲漏與滲透穩定問題

由于砂礫石覆蓋層地基的透水性較強，壩基覆蓋層滲流量會較大，容易產生滲透變形和滲透破壞，因此滲漏及滲透穩定問題是覆蓋層地基存在的主要問題，應采用適宜的防滲和排滲措施，降低壩基滲流的水力梯度，確保壩基的安全穩定.覆蓋層壩基的防滲措施有水平防滲措施和垂直防滲措施，工程中主要以垂直防滲為主；排滲措施主要采用排水褥墊、反濾蓋重、減壓井、反濾排水溝等.在設計中，應根據土石壩壩型和深覆蓋層性質，對防滲方案進行綜合比較選擇，以達到安全、經濟、合理的要求［3].

1.2 壩基沉降及不均勻沉陷問題

深覆蓋層地基，具有結構松散、巖層不連續、巖性在水平和垂直兩個方向上均有較大變化等性質，會加大壩體的沉降.特別是地基的不均勻沉降對壩體的安全穩定存在很大的威脅，如可能加大土石壩心墻的拱效應、產生壩體裂縫、惡化壩體與基地防滲結構的受力條件及影響二者連接處的安全等.因此應綜合考慮場地和水文地質條件、壩體對地基要求、壩體結構類型和地基型式、周圍環境條件、材料供應情況、施工條件等因素，對覆蓋層一定范圍內的淺層地基做出加固處理，以控制覆蓋層地基的不均勻沉降.

1.3 壩基砂層液化問題

深覆蓋層地基組成成分復雜、巖層不連續，一般都夾有砂層.深覆蓋層砂層在地震等的作用下，會使孔隙水壓力急劇增長，來不及消散，使土中的有效應力削弱或喪失，形成液化地基，特別是我國西南地區是中強地震頻繁活躍的重點地區，頻繁的地震作用可能會引起地基的液化.應對這些深覆蓋層存在的可能液化砂層分析判別，并作相應的工程處理措施［4].

2 壩基滲漏與滲透穩定問題

2.1 防滲方案

1）水平防滲方案.水平防滲措施主要采是用上游粘土鋪蓋的方式.當對深覆蓋層采用混凝土防滲墻或帷幕灌漿等垂直防滲措施缺乏實際工程條件或造價過高時，可采用水平鋪蓋方案，特別是當上游地形有利、存在天然鋪蓋或壩前淤積物較厚可以利用的時候.同時根據“上堵下排”的滲控設計原則，應設置有效的排滲措施進行輔助.巴基斯坦的塔貝拉土斜墻堆石壩是采用水平防滲的典型工程.該壩高147m，建基于最厚達230m的砂礫石覆蓋層上，采用上游長1 432m、厚1.5～12m的水平粘土鋪蓋防滲，同時在下游壩址設置減壓井排滲.該工程于1975年建成，但是在1974年蓄水后，曾發生100多個塌坑，在經過拋土處理后才趨于穩定.由此也說明了水平防滲方案的一個缺點，即防滲效果有限，不如垂直防滲效果來的好，對高壩、復雜地基及防滲要求高的工程應慎用.

2）垂直防滲方案.垂直防滲措施包括截水墻、混凝土防滲墻、帷幕灌漿，對于深覆蓋層，以混凝土防滲墻的應用最為廣泛.混凝土防滲墻對復雜地基適應性好，造價較低，防滲效果也最為突出，是現代深覆蓋層上建土石壩采用的主要防滲措施；帷幕灌漿防滲效果沒有混凝土防滲墻好，但是其灌漿深度大（可達100 m以上），在深層覆蓋層底部，由于受現代施工技術的局限性，混凝土防滲墻的施工比較困難，可考慮使用帷幕灌漿進行防滲.隨著工程遇到的覆蓋層深度的加厚，地質條件更加復雜，近年來國內外的一些工程，也采用混凝土防滲墻下接帷幕灌漿的聯合垂直防滲措施.一方面考慮到深層覆蓋層底部帷幕灌漿施工較混凝土防滲墻要快速，可縮短工期；另一方面防滲效果也較好，可滿足工程的要求.綜合實際情況考慮，采用強接幕的方式，在滿足安全的前提下，可更加經濟合理.如國內已建成的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩，覆蓋層為冰水堆積覆蓋層，最大深度達400m，采用混凝土防滲墻及帷幕灌漿聯合防滲方案，防滲墻厚度為1～1.2m，最大深度為左岸53m、河床74m、右岸140 m，其防滲效果良好；在建的新疆下坂地瀝青混凝土心墻堆石壩，同樣是采用了85m混凝土防滲墻下接4排161m深帷幕灌漿，壩基覆蓋層最深為148m，帷幕深入基巖，防滲墻厚度為1m.

2.2 混凝土防滲墻結構設計

采用混凝土防滲墻防滲，需對防滲墻的深度、厚度以及細部結構進行設計，同時對其布置形式做出研究.另外，還可能需考慮防滲墻與岸坡的連接、高出建基面部分的防滲墻的配筋等問題［5].

對于混凝土防滲墻的深度設計，需要根據覆蓋層厚度、作用在防滲墻上的水頭、滲流場分析及施工設備等因素確定.對于具體工程來說，應盡量采用封閉式，因為其防滲效果要比倒懸式好；若對于深厚覆蓋層的壩基采用倒懸掛式防滲墻而不能完全對覆蓋層封閉時，防滲體下游的壩底會出現一定的滲水滲流，因此須在防滲體下游的壩底設置反濾層以及在下游壩坡腳設置排水溝［6].防滲墻的厚度應滿足墻體抗滲性、耐久性、墻體應力和變形的要求，同時還應考慮到地質情況及施工設備等因素，國內防滲墻設計并無標準規范.根據大量的工程實例總結（見表1），目前國內采用的混凝土防滲墻厚度范圍在0.8～1.4m，而主要以0.8m、1.0m和1.2m為主.

防滲墻細部構造設計包括防滲墻嵌入基巖的深度及與壩體防滲結構的連接型式、墻下基巖帷幕灌漿等.當采用全封閉式方案時，原則上混凝土防滲墻底部應嵌入相對不透水層1m左右；防滲墻頂部與大壩防滲體的結合部位，是滲漏的薄弱環節，易引起集中滲漏，必須妥善處理，當防滲墻底部基巖滲透性較強時，應進行墻下帷幕灌漿處理.

2.3 壩基防滲墻與大壩防滲體的連接型式

目前主要包括混凝土防滲墻與土質心墻、混凝土防滲墻與混凝土面板的連接形式的研究.

混凝土防滲墻與土質心墻的連接方式主要有廊道式和插入式.采用廊道式時，接頭方式有剛接頭、軟接頭和空接頭，應根對具體工程綜合比較后選擇合適方式，同時需對接頭的位置、廊道外輪廓形狀、周圍填料性質等作出具體研究.插入式中以剛性混凝土插入式最常見，應用也越來越廣泛，國內外實際工程中已有此型式較豐富的設計、建造及運行經驗.此類方案的主要研究問題為墻體插入心墻高度，其高度主要取決于防滲效果，一般大于10%防滲墻承擔的最大水頭.應注意，防滲墻與覆蓋層之間摩擦力是影響防滲墻受力的主要因素，因此在防滲墻施工中盡量選用合適的施工機械與施工方法，保證槽孔壁的平整及墻體的鉛直，并選配最佳泥漿濃度，確保泥皮有一定的厚度.此外，可將防滲墻項部做成頂端為圓弧形的楔形體，且在防滲墻頂填筑一定厚度的高塑性粘土，以緩解墻頂土體與其兩側土體的不均勻沉降、改善墻體和墻頂周圍土體的應力狀態，保證墻頂土體與防滲墻接觸面結合良好.

混凝土防滲墻與混凝土面板的連接形式大致可分為4種類型，①通過水平趾板、連接板和防滲墻水平連接，或稱為水平趾板分縫型式；②通過水平趾板和防滲墻水平連接，或稱為水平趾板不分縫型式；③通過多塊連接板整體上形成拱形和防滲墻連接；④通過座落在防滲墻頂上的趾板或重力式擋墻和防滲墻連接.類型①②均屬通過水平趾板水平連接的方式，是覆蓋層上面板壩混凝土面板和防滲墻連接的普遍型式，是目前最常用的型式.水平趾板分縫與否一般取決于壩高、覆蓋層厚度等因素.一般來說.壩越高、覆蓋層越厚，趾板和防滲墻之間的相對沉陷差越大，要求趾板有較好的柔性以適應地基變形，這就需要設置寬且分縫的趾板來滿足這一要求，且接縫均采用柔性止水.同時，為了更好地吸收趾板和防滲墻之間的不協調變形，還可采用面板通過趾板和連接板與防滲墻連接，在趾板和連接板下設置澆筑式瀝青混凝土或瀝青砂漿等柔性輔助防滲，并使連接板整體上呈拱形的方案，該方案適用于強震區深厚覆蓋層上的高面板堆石壩，因為此類高壩在強地震作用下，壩體將產生較大的永久變形，并使面板上部受拉而下部受壓，趾板和防滲墻之間的不協調變形較大，運用此方案可較好的解決這些問題［7].

3 滲流有限元分析原理

3.1 支配方程

對于服從達西定律的飽和滲流，在無源無匯的情況下，在由邊界Г所圍成的滲流場區域Ω中，水頭函數h滿足下列支配方程［8]：

式（1）是考慮了固相顆粒和水體壓縮性的非穩定滲流微分方程式，式中h＝h（x，y，z，t）為水頭函數；kx，ky，kz分別為x，y，z方向上的滲透系數；Ss為單位貯存量，Ss＝ρg（α＋nβ），即單位體積的飽和土體，當下降1個單位水頭時，由于土體壓縮（ρgα）和水的膨脹（ρgnβ）所釋放出來的貯存水量，α為固相顆粒的壓縮模量，β為水的壓縮性，β＝5×10－6cm2／N.

當不考慮水體和固相顆粒的壓縮性時，即Ss＝0，式（1）變為

式（3）即為飽和穩定滲流微分方程式，可見，穩定滲流是非穩定滲流的特例.

3.2 定解條件

求解穩定滲流方程時，只需列入邊界條件，此時的定解問題常稱為邊值問題；求解非穩定滲流方程時，需同時列入初始條件和全過程的邊界條件.

1）初始條件

2）邊界條件

水頭邊界條件

流量邊界條件

3.3 變分原理及有限單元法

設在滲流場Ω上定義水頭函數集合C.則根據變分原理，上述初邊值問題（1）（3）（4）（5）的求解應等于如下泛函所求的極值.

不失一般性，設單元的基函數Ni是由單元體相應的M個結點的位置坐標構成，最終通過泛函的計算可得如下矩陣形式：

式中，｛F｝為已知常數項，由已知水頭結點貢獻得出.

對時間取隱式有限差分，則上式變為

這就是最后求解的線性代數方程組.當矩陣［S]等于0時，即得Ss＝0的不可壓縮土體的非穩定滲流有限元法計算公式

而［P]亦為0時，上式則變為三維空間穩定滲流有限元法的計算公式，即

3.4 自由面的確定

在滲流計算過程中，自由面邊界除了滿足條件?h／?n＝0外，還應滿足水頭邊界條件h＝z（z為豎向坐標）.由于自由面為待求的未知邊界，計算時先假定一自由面的位置，利用自由面邊界條件?h／?n＝0，求出滲流場的水頭函數值.利用求得的自由面結點水頭值同其結點z坐標值比較是否相等，若不相等，則以計算的自由面結點水頭值代替原假定的浸潤面位置，重新計算.如此反復調整，直到滿足一定的精度為止.

4 某壩滲流分析

某壩采用土質心墻堆石壩，壩頂高程856m，最大壩高186m，壩頂長583m，正常蓄水位850m，正常尾水位670m.大壩坐落在厚達75.4m的砂礫石覆蓋層上.該壩地基采用兩道全封閉的混凝土防滲墻防滲，深70m，厚1.2m.本文采用FORTRAN語言編制成的二維飽和土滲流計算程序進行計算，計算模型如圖1所示.整個模型共劃分為1 678個結點，1 634個單元，各材料滲透系數取值見表2.

圖1 計算模型

表2 模型滲透系數取值

計算工況為正常蓄水位，計算結果如圖2所示（圖中壩體下游輪廓線未畫出，以浸潤線代替）.從結果中可以看出，該壩采用兩道混凝土防滲墻形式防滲，具有很好的防滲效果.心墻下游出滲點位置大約在672.5m處，已基本隔斷壩基滲透.

圖2 滲流計算結果

5 結 語

隨著水利水電事業的發展，在深覆蓋層上筑壩已成為一種趨勢，特別是對地基適應性強的土石壩工程.對于深覆蓋層上建土石壩所存在的壩基滲漏與滲透穩定、壩基沉降及不均勻沉陷、壩基砂層液化等問題，工程中分別采取了相應的解決措施，已取得了不少成功的經驗.針對主要存在的壩基滲漏和滲透穩定問題，根據文中具體的分析研究表明，采用混凝土防滲墻進行防滲的效果良好，建議采用以混凝土防滲墻為主的防滲型式進行防滲，特別對于厚度超深的覆蓋層，可采用混凝土防滲墻下接帷幕灌漿的聯合垂直防滲措施進行防滲.雖然各種工程技術在不斷發展著，但也有著其局限性，對于深覆蓋層上的土石壩研究還存在一些問題有待進一步研究.例如對于文中建議的混凝土防滲墻防滲型式，國內外分別有采用單道和兩道防滲墻的工程實例，那么針對具體工程，應如何確定選取幾道防滲墻進行防滲，目前還沒有類似的文獻進行分析說明，有待深入研究.

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