深厚粘土層上壩體設計

趙鵬飛

（遼寧省水利水電勘測設計研究院 遼寧沈陽 110006）

深厚粘土層上壩體設計

趙鵬飛

（遼寧省水利水電勘測設計研究院 遼寧沈陽 110006）

本文簡要闡述了在庫區存在大量透水性較差覆蓋層，可以利用當地粉土及粉質粘土修筑壩體及水平鋪蓋；并利用水平防滲取代懸掛式垂直防滲的措施及利用下游設置排水減壓井來減少壩體及壩基滲漏對下游的浸沒影響。

粉土夾粉質粘土 水平鋪蓋 排水減壓井

1 工程概況

德日蘇寶冷水庫位于內蒙古自治區赤峰市巴林右旗境內，距上游巴林右旗政府所在地大板鎮11km，是查干沐淪河干流唯一的骨干工程，位于河流下游，水庫控制流域面積8427.4km2，占全流域總面積的73.3%。水庫的任務是生態保護、工業和灌區供水等綜合利用。

水庫副壩位于友愛村東北約1.0km處，兩側為低山，地形舒緩，山頂呈渾圓狀，高程介于625.0～650.0m之間；中間地形相對平坦，寬約800.0～1000.0m，現為草地，高程介于600.0～607.0m之間，低于水庫正常蓄水位604.6m，需建副壩。副壩采用直線型布置。

2 副壩工程地質條件

副壩地層巖性為沖洪積的砂礫石層、卵石層，副壩位置為查干沐淪河的古河道。覆蓋層較厚，基巖埋藏較深。壩基地層巖性分述如下：

第⑴層：耕植土。黃色，為粉土夾少量粉質粘土，富含植物根系，結構松散，此層較薄，最大層厚0.5m，層底埋深0.5m。副壩壩址區均有分布。

第⑵層：粉土。黃色，局部夾粉質粘土薄層或透鏡體，沉積類型為風積，此層厚度變化較大，層厚介于1.7～12.7m之間，層底埋深介于2.0～13.0m之間，副壩壩址區均有分布。

（2-1）層：坡積碎石土，主要由碎石、粘性土、中細砂等組成，灰黑色，僅揭露于副壩左岸繞壩滲漏段鉆孔GFK1、FK7及FK8中，層底埋深14.5～23.0m，最大層厚為14.3m。

第⑶層：中細砂。灰白色，呈稍密～密實狀態，主要礦物成分為石英、長石等，此層厚度變化亦較大，層底埋深13.6～16.0m，最大層厚9.2m之間，副壩壩址區均有分布。8

第⑷層：礫砂，灰白色，呈稍密～中密狀態。該層為古河道河底沖洪積物，層間夾粉土、粉質粘土、中細砂薄層或透鏡體。該層顆粒不均，最大粒徑大于5cm。層底埋深67.0～77.0m，層厚44.0～63.4m。副壩壩址區均有分布。

（4-1）層：中細砂，為夾層，灰白色，揭露于鉆孔FK6(A-6)、FK4中，埋深分別為64.0～66.0m，48.5～54.5m。

第⑸層：卵石夾粘性土，灰色，卵石磨圓度較好，最大粒徑大于20cm，僅揭露于鉆孔FK2、FK4、FK7中，埋深88.0～95.0m，層厚12.0～20.2m。

（5-1）層：粉質粘土夾層，灰黃色，可塑，揭露于鉆孔FK4中，埋深86.0～88.2m。

第⑹層：碎石土，主要由碎石、礫石、中細砂、粘性土等組成，主要為堆積、沖洪積而成，灰黃色，僅揭露于鉆孔FK4中，埋深94.0～103.0m。

第⑺層：安山巖。灰紫色，質地堅硬，具氣孔、杏仁構造，僅鉆孔FK4揭露若風化（埋深約107m，高程497.4m），其他鉆孔均揭露為強風化。

3 壩頂高程確定

壩頂超高計算采用《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）中有關公式計算：

y=R+e+A

式中：

y—壩頂超高(m)；

R—最大波浪在壩坡上的爬高(m)；

e—最大風壅水面高度(m)；

A—安全加高(m)。

德日蘇寶冷水庫副壩為三級建筑物，正常運用情況壩頂安全加高A=0.7m，非常運用情況壩頂安全加高A=0.4m。最大波浪在壩坡上的爬高R及最大風壅水面高度e，按規范莆田試驗站公式計算。德日蘇寶冷水庫副壩多年平均年最大風速為22.1m/s，吹程根據萬分之一軍委圖量得為2540m。壩頂超高計算成果見表1。

表1 壩頂超高計算成果表

壩頂高程計算，設計洪水位的壩頂高程為設計洪水位加壩頂超高：

壩頂高程=603.800+3.476=607.276(m)。

正常蓄水位的壩頂高程為正常蓄水位加壩頂超高：

壩頂高程=604.600+3.593=608.193(m)。

校核洪水位的壩頂高程為校核洪水位加壩頂超高：

壩頂高程=604.600+2.255=606.855(m)。

以上壩頂高程取大值，所以壩頂高程為608.200m。

4 副壩壩體結構設計

副壩壩型為粉土夾粉質粘土均質壩，壩頂高程為608.20m，壩長為520.86m，最大壩高8.30m，壩頂寬度5.5m，上游坡坡比為1:3，下游坡坡比1:2.75。壩頂采用瀝青混凝土路面，路面由4cm的瀝青混凝土、20cm水泥穩定結構層、20cm的碎石墊層組成。壩頂從中央向兩側傾斜，坡度為2%。上游護坡采用20cm厚混凝土板護坡，其下設5cm厚M10砂漿、20cm厚碎石墊層，墊層下設250g/m2土工布反濾和130cm厚礫砂料，上游護坡下為頂寬0.5m、底寬1.3m、深2m的混凝土護腳。下游護坡采用30cm厚碎石護坡。混凝土護坡板、混凝土護腳抗壓抗凍性能指標均為C20F200。

4.1 副壩筑壩料特性

⑴ 砂礫料的設計要求：設計干密度≥ 2.14 t/m3，最大粒徑40mm，墊層料填筑相對密度不小于0.7。

⑵ 粉土夾粉質粘土的設計要求：壓實度不小于97%。

⑶ 粉土的設計要求：壓實度不小于97%，滲透系數不大于2.05×10-5cm/s。

⑷ 碎石護坡、墊層及排水溝：粒徑為5～100mm級配較好, 最大吸水率小于10%，凍融損失小于1%，碎石填筑相對密度為0.70。

4.2 副壩基礎處理設計

壩基基面清理范圍包括壩身、上下游護坡的基面，其邊界在設計基面邊線外1m，壩體置于耕植土下0.2m。壩體填筑前基礎應進行碾壓處理，壓實度不小于0.97。壩體填筑之前，對壩基表層的淤泥、腐植土、雜草、樹木與植物根系、種植土層等都應該全部清除，清基土清運至壩腳外整平。

4.3 副壩基礎防滲措施

4.3.1 鋪蓋設計

初步設計階段在壩底上游1/3處設有懸掛式帷幕，防滲帷幕總長1149m，其中壩基帷幕長749.564m，左岸繞壩帷幕線延長424m，右岸繞壩帷幕線延長47.436m，防滲帷幕布置1排灌漿孔，孔深30，孔距2m，頂部嵌入粉土內3m。灌漿漿液采用水泥粘土漿，最大灌漿壓力0.3Mpa。

經分析，副壩懸掛式帷幕防滲對滲漏量的影響較小，對下游出逸比降有一定作用，通過加強上游水平鋪蓋防滲措施可以達到同樣的目的和效果。壩線修改前，對副壩附近的粘土鋪蓋進行了進一步詳查，副壩壩址區天然粉土層最大厚度6.2m，最小厚度2.4m，平均厚度3.8m；粉土的最大滲透系數為1.21×10-3cm/s，最小滲透系數為2.28×10-4cm/s，平均滲透系數為2.05× 10-4cm/s，從粉土的分布、厚度及滲透系數看，該粉土層可做副壩的天然鋪蓋。

因此可采用加長水平鋪蓋取代原設計的水平鋪蓋加垂直帷幕的方案。故在壩前增設100m長的人工鋪蓋，人工鋪蓋兩側延伸到水庫正常蓄水位604.6m，人工鋪蓋由兩層組成，下層利用天然粉土碾壓而成，厚1m，上層為后鋪粉質粘土，厚1m，人工鋪蓋總厚度為2m。

4.3.2 排水減壓井與排水溝

在副壩下游150m處設排水減壓井，排水減壓井設在縱向排水溝內，減壓井井徑采用60cm，井距8m，深入到強透水層的深度為25m。井管材料為PVC-D管，采用PVC-D套管焊接而成；管材內外壁應光滑、平整，不允許有氣泡、裂紋、凹陷、色澤不均及分解變色線，管材端部應切割平整并應與軸線垂直；公稱外徑dn為250mm，環剛度為8（壁厚為7.3mm），單節長度偏差為+20mm，-10mm；濾孔采用圓孔，孔徑為12～14mm，開孔率為14%，梅花形布置；濾花管外壁包一層250g/㎡的土工布，土工布外圍螺旋纏繞細鐵絲；濾管底部用直徑為250mm的PVC-D板焊接封口；井蓋采用PVC-D板，出水口采用漿砌石井臺，井帽采用素混凝土；回填砂粒料要求級配良好，粒徑為1.5～15mm；回填素混凝土標號為C10。PVC-D管的物理力學性能和動能試驗要求見表2。

壩體下游壩腳處設貼坡排水，范圍為壩腳至壩體浸潤線以上2.0m。貼坡排水下設土工布反濾，土工布規格為250g/m2。碎石護坡自壩頂護至壩腳，壩腳處設縱向排水溝，排水溝內填碎石作為壓重，

自縱向排水溝到友愛村外的河漫灘設置橫向排水溝，形成完整的排水系統，排水減壓井滲水沿橫向排水溝排至河道。

表2 PVC-D管的物理力學性能和動能試驗要求

5 結束語

工程于2010年竣工后，現已運行3年多，從目前情況來看，副壩下游的滲流量與原設計采用的水平鋪蓋加垂直帷幕的方案相近；且采用壩后排水減壓井，并未抬高下游友愛村的地下水位，目前運行良好。

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4. 張曉明.荒溝抽水蓄能電站上水庫主壩壩基粘土質砂工程性質分析與評價[J].水利規劃與設計，2008(01):34-37.計,

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.030

TV64

B

1672-2469（2014）08-0095-03

趙鵬飛（1984年—），男，工程師。