長河壩水電站壩基防滲墻與土心墻連接研究

張　丹

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站壩基防滲墻與土心墻連接研究

張丹

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高240 m，壩基河床覆蓋層厚度為60～70 m，對于河床部位心墻建基面下厚度約53 m的強透水覆蓋層采用兩道全封閉混凝土防滲墻防滲。防滲墻與土心墻的連接部位是壩體和壩基防滲系統的薄弱及關鍵部位，其連接設計是否成功是大壩設計的關鍵點和難點。通過對壩基防滲墻與土心墻連接型式的對比選擇、副防滲墻插入心墻高度研究、主防滲墻與土心墻廊道式連接研究及防滲墻與土心墻連接部位高塑性粘土設置研究，精細化了防滲墻與土心墻連接部位的結構設計，選擇出了適宜長河壩水電站礫石土心墻堆石壩防滲墻與土心墻的連接方案。

關鍵詞：長河壩水電站；心墻堆石壩；壩基；防滲墻與土心墻連接

1概述

長河壩水電站礫石土直心墻堆石壩建造于深厚覆蓋層地基上，最 大 壩 高240 m，壩 頂 高 程

1 697 m，壩底高程1 457 m。

壩基河床覆蓋層厚60～70 m，局部達79.3 m，結構較復雜，自下至上由老至新分為3層。第①層：漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)，分布于河床底部，厚3.32～28.5 m；第②層：含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布于河床覆蓋層中部及一級階地上，②層中上部有②-C砂層分布；第③層：漂(塊)卵礫石層(alQ42)，厚4～25.8 m。壩基覆蓋層漂(塊)卵礫石層滲透系數K=8×10-2～2×10-1cm/s，具強透水性；②-C砂層滲透系數K=6.86×10-3cm/s，具中等透水性。漂(塊)卵礫石顆粒大小懸殊，結構不均一，允許滲透坡降J=0.1～0.15，局部架空層J=0.07；砂層允 許 滲 透 坡 降J=0.2～0.25，滲透坡降較低，抗滲穩定性差，易產生管涌破壞；此外，河床覆蓋層具多層結構且夾有砂層，由于滲透性的差異，有產生接觸沖刷的可能性，存在滲漏和滲透變形問題。

對于河床部位心墻地基在挖除②-C砂層后還余厚度約53 m的強透水覆蓋層采用兩道全封閉混凝土防滲墻進行防滲，兩墻之間凈距14 m，形成一主一副布置格局。主防滲墻厚1.4 m，布置于壩軸線平面內，副防滲墻厚1.2 m，布置于壩軸線上游。防滲墻與土心墻的連接部位是壩體和壩基防滲系統的薄弱及關鍵部位，同時，合理地接頭設計以協調防滲墻混凝土與土心墻之間的應力變形是大壩設計的難點。因此，防滲墻與土心墻如何進行可靠的連接是大壩防滲和應力變形協調設計中的關鍵問題。

2防滲墻與土心墻連接型式的選擇

國內外基礎防滲墻與大壩土質防滲體的連接型式主要有兩種：一種是將防滲墻直接插入土質防滲體的型式，即插入式連接型式；另一種是在防滲墻墻頂設廊道的型式，即廊道式連接型式。插入式連接型式的防滲墻墻體受力狀態相對簡單，在廊道式連接出現前，防滲墻與土心墻均采用插入式連接。近年來，多座壩高為100～200 m的高壩防滲墻與土心墻采用了廊道式連接。廊道式連接因其具有諸多優點而不斷被推廣應用。筆者針對插入式和廊道式連接的優缺點、結合工程情況，擬定了圖1所示的兩種連接型式并進行了比較研究。

對圖1所示的兩種連接型式進行了三維滲流及應力變形計算分析比較，兩方案從滲流和應力變形上看均成立，沒有明顯的優劣。但主防滲墻與土心墻采用廊道式連接具有以下優點：

(1)廊道可作為運行期防滲墻補強的通道，使后期基礎補強方便、快捷、經濟。防滲墻及基礎帷幕灌漿等屬于地下隱蔽工程，盡管目前在該方面的施工技術已得到了長足的發展，在施工過程中也進行了各種各樣的質量控制，但仍難免存在各種各樣的缺陷，且這些缺陷多在水庫蓄水后才能集中暴露出來，如無廊道，后期進行缺陷補強將非常困難或不可能。

(1)兩墻插入式連接

(2)副墻插入、主墻廊道式連接1 壩軸線；2 主防滲墻；3副防滲墻；4廊道；5插入式連接段；6 高塑性粘土；7反濾層圖1　混凝土防滲墻與土心墻連接型式示意圖

(2)可減少工程的直線工期。設置廊道后，防滲墻下部的基巖帷幕灌漿可以在廊道內進行，墻下的帷幕灌漿可以不占用直線工期。根據規范要求，長河壩水電站大壩主防滲墻平面內主防滲帷幕伸入3 Lu分界線以下5 m。若不設廊道，防滲墻下的灌漿帷幕施工約占8個月的直線工期。

(3)廊道可作為大壩運行期的觀測通道。目前基礎防滲墻的監測手段較少且監測儀器的存活率普遍偏低，設置墻頂廊道后，可以隨監測儀器設備的發展和運行需要補設監測儀器。

(4)基礎廊道也是連接大壩左、右岸的通道，可方便壩內左、右岸的交通。

綜上所述，最終確定長河壩水電站壩基主防滲墻與土心墻采用廊道式連接，副防滲墻與心墻采用插入式連接。

3副防滲墻插入式連接的研究

《碾壓式土石壩設計規范》DL/T5395-2007規定：當混凝土防滲墻與土心墻為插入式連接方式時，插入土質防滲體高度宜為1/10壩高，高壩可適當降低。長河壩水電站可研階段擬定副防滲墻插入心墻的高度為10 m、15 m和20 m，二維有限元滲流分析表明上述三種插入高度情況下防滲墻與心墻平均接觸坡降分別為7.2、4.8和3.1。根據高塑性粘土與混凝土接觸面滲透試驗(未模擬接觸面應力狀態)，接觸面取允許滲透坡降J=6，取副防滲墻插入心墻高度為15 m。

表1　高塑性粘土與混凝土防滲墻接觸

長河壩水電站招標階段進行了高塑性粘土與混凝土防滲墻局部接觸三軸滲流應力耦合試驗研究，試驗測得了不同三軸應力狀態下高塑性粘土與防滲墻接觸面的滲透系數和破壞坡降如表1所示。實際上，副防滲墻插入段的混凝土與高塑性粘土之間的接觸面更接近三軸應力狀態。根據高塑性粘土與混凝土防滲墻接觸三軸滲流應力耦合試驗成果，考慮到副防滲墻插入心墻高度15 m時插入段薄墻立模施工難度較大，在招標階段擬定了副防滲墻插入心墻高度為9 m的方案進行研究。三維有限元滲流分析成果表明：當副防滲墻插入心墻高度9 m時，高塑性粘土與副防滲墻和廊道接觸面的最大滲透坡降為17.1，遠小于高塑性粘土與混凝土防滲墻接觸三軸滲流應力耦合試驗接觸面破壞坡降。三維有限元應力變形分析成果表明：當副防滲墻插入心墻高度從15 m降低到9 m時，副防滲墻插入段和廊道周圍土體中的拉應力區明顯減小，插入高度的降低對連接部位局部應力變形有利。通過上述研究，最終將副防滲墻插入心墻高度優化至9 m，同時加強了對接觸面滲透出逸部位的反濾保護。

4主防滲墻廊道式連接研究

4.1廊道與兩岸連接分縫位置的研究

根據目前的防滲墻施工工藝，壩基覆蓋層內的防滲墻為地下連續墻，沒有設置結構縫。防滲墻與廊道通常采用剛性連接，因此，廊道在防滲墻范圍內不設置結構縫，以防止廊道結構縫變形將防滲墻拉裂而發生滲漏。廊道在跨過河床防滲墻頂后與兩岸灌漿平洞連接的部位通常設置結構縫，已建的磽磧、獅子坪、瀑布溝等工程將該結構縫設置于基覆分界線部位，在施工和運行過程中發現，廊道分縫處張開和錯動變形較大且變形狀態復雜。盡管對該結構縫止水參照面板壩周邊縫的止水進行設計，但所設計的多道止水仍難以適應這種變形，廊道兩端結構縫止水出現了破壞。為了減小分縫位置的變形量，避免結構縫止水破壞，長河壩工程對廊道的分縫位置進行了研究。首先考慮了取消結構縫，即廊道直接伸入基巖不分縫方案，這樣實施可以直接避免結構縫的止水設計難題。計算發現：如果不分縫，廊道與兩岸連接的支座處拉壓應力很大。因此，考慮了廊道伸入基巖一定長度后分縫并研究了廊道伸入基巖的合適長度。另外，對多個工程應用的基覆界線處的分縫方案也進行了對比研究。

對廊道與兩岸連接不分縫、伸入基巖分縫和在基覆分界線處分縫三種方案采用三維有限元子結構進行應力變形分析對比研究分析發現三種方案各有其優缺點：(1)廊道不分縫的優點是有效地減小了分縫位置的錯位，缺點是廊道兩岸支座處出現了很大的拉壓應力。(2)在基覆界線處分縫的優點是廊道應力極值及區域相較最小，缺點是分縫處錯位較大，止水結構設計困難。(3)伸入基巖分縫方案廊道兩岸支座端的拉壓應力及結構縫變位介于不分縫方案和基覆界線處分縫方案之間。考慮到基覆分界線位置分縫方案止水結構難以保證質量，而不分縫方案廊道在兩岸位置拉壓應力過大導致廊道結構和配筋設計困難，因此而選擇伸入基巖分縫方案進行了深入研究。

對伸入基巖分縫方案進行多個伸入基巖分縫長度對比研究發現：當廊道伸入基巖長度增長時，廊道兩岸支座處的拉壓應力增大，但結構縫變形和錯位減小。分析發現：當廊道伸入基巖1 m時，廊道支座端的應力和結構縫變形與錯位適中，廊道結構配筋和結構縫止水設計問題均能得到解決，因此，最終選擇了伸入基巖1 m的分縫方案。經研究決定，該方案使用時在廊道伸入基巖段廊道和基巖之間設置了彈性墊層，進一步減小了廊道在支座端的應力集中。

4.2廊道與防滲墻剛性連接的倒梯形型式研究

主防滲墻和廊道采用剛性連接，根據結構特點和已有的工程經驗，在防滲墻槽孔段和廊道之間設置了一個倒梯形段，可以改善廊道特別是廊道底板的受力狀態。根據類似工程經驗，對倒梯形連接比較了三種方案(圖2)。

圖2　主防滲墻與廊道連接的倒梯形型式示意圖

采用有限元子結構法對圖2所示的幾種倒梯形大小進行了三維應力變形分析研究。研究成果表明：接頭型式變化時，廊道及防滲墻的變形情況變化不大，廊道的頂部應力狀況基本不變，而廊道邊墻和底部、接頭本身以及接頭與防滲墻連接部位則對接頭型式的變化相對較為敏感。型式3廊道底板出現了較大的剪應力而導致底板的主拉應力較大；型式2相對于型式1加大了廊道底倒梯形的大小，在倒梯形和防滲墻的連接部位出現了一定的應力集中，但廊道底板的主拉應力、順河向和豎直向正應力及兩側邊墻的豎直向壓應力值明顯減小，接頭本身拉應力和壓應力絕對值亦減小。細部應力變形分析表明：型式3不宜采用，型式1和型式2各具優缺點，可視工程情況選用。但選用型式1時，倒梯形邊緣宜位于廊道邊墻范圍內。

5連接部位高塑性粘土設置的研究

對于防滲墻與土心墻連接，無論是插入式連接還是廊道式連接，其連接部位通常設置一定大小的高塑性粘土區。高塑性粘土比心墻土料更軟，適應變形能力更強，能在產生較大變形的情況下不產生裂縫，既使在產生較大變形或裂縫的情況下仍具有較好的抗滲性，并且相對于心墻土料具有更好的裂縫自愈能力。最終將防滲墻與土心墻連接廊道或插入段均設計為混凝土結構，相對于心墻土模量較高，在其周圍布置了一定大小的高塑性粘土區以更好地協調其與土心墻變形的差異，防止連接段周圍心墻土體出現裂縫。對于長河壩工程，因高塑性粘土料運距較遠，因此，在滿足工程要求的情況下，高塑性粘土區的設置盡量考慮了節省高塑性粘土料，將副防滲墻上游側和廊道下游側高塑性粘土區厚度設置為3 m，廊道和副防滲墻頂部高塑性粘土區的厚度通過比較確定，對所擬定的高塑性土區的厚度分別為5 m、3 m、8 m三種方案進行了研究。

采用三維有限元子結構法對三種方案進行了應力變形對比分析研究，研究成果表明：高塑性粘土區的大小對心墻、廊道及防滲墻的應力變形均有一定的影響。高塑性土區增大有利于改善廊道和防滲墻應力，但心墻的變形將增加，高塑性土區頂部一定范圍內心墻的拱效應明顯增大，因此，高塑性土區不宜太大，但也不宜過小。就長河壩工程而言，在所研究的廊道和防滲墻插入段頂3 m、5 m、8 m三種厚度的方案中，3 m方案中廊道與主防滲墻應力情況相對最差，8 m方案中廊道與主防滲墻應力狀況相對最好，但高塑性粘土區上部30 m以內區域的心墻壓應力值明顯減小，而廊道與主防滲墻應力狀況與5 m方案相比則沒有大幅度的改善，因此，最終選擇了比較適中的5 m厚方案。

6結語

防滲墻與土心墻的連接部位是長河壩水電站高礫石土心墻堆石壩防滲系統中的關鍵部位，該連接部位應力變形狀態復雜，剛性和柔性材料的接觸使變形協調問題突出。該連接部位從兩道混凝土防滲墻防滲過渡至心墻防滲，連接部位承受水壓力高，防滲結構尺寸及材料突變。因此，如何選擇合理、可靠的連接方式進行連接部位的細部結構設計成為長河壩水電站深厚覆蓋層上修建高土石壩的關鍵技術問題。

通過對壩基防滲墻與土心墻連接型式的對比選擇、副防滲墻插入心墻高度研究、主防滲墻與土心墻廊道式連接研究及防滲墻與土心墻連接部位高塑性粘土設置研究，精細化了防滲墻與土心墻連接部位的結構設計，選定了更適宜長河壩水電站礫石土心墻堆石壩防滲墻與土心墻的連接方案。

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張丹(1979-)，女，四川眉山人，設計副總工程師，高級工程師，碩士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號:1001-2184(2016)01-0035-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222；TV641