老渡口深覆蓋層上的面板堆石壩研究

梁謙 后開龍?王輝

【摘要】扼要概述覆蓋層面板堆石壩筑壩的技術及設計要點。

【關鍵詞】深厚覆蓋層；面板壩；堆石體的變形；柔性防滲系統

1、深覆蓋層上的面板堆石壩概述

根據《混凝土面板堆石壩設計規范》SL228-2013：“在深覆蓋層上建壩布置趾板時，應根據地基地質特性進行地基防滲結構及與趾板以及兩岸連接的布置設計；對于神覆蓋層的地基防滲處理及趾板布置，經詳細論證后也可以采用混凝土防滲墻防滲，將趾板置于覆蓋層上”。自98規范頒布以來，堆石壩在建在深覆蓋層的已有云南109m壩高的那蘭、新疆107.6m的察汗烏蘇、湖北96.6m的老渡口等。

將趾板直接建在深覆蓋層上的面板堆石壩與趾板置于基巖上的筑壩方案相比，不但能夠縮短工期且減少工程投資，具有明顯的經濟效益。在深覆蓋層上直接建造面板堆石壩的關鍵技術是：其一是了解地基覆蓋層的空間分布特性及其壓縮模量；其二是通過可靠的防滲系統將壩基柔性的防滲系統與岸坡相對不變的防滲系統連接成封閉的防滲系統。其三是使其滿足滲透（流）穩定、地基強度穩定與變形的要求。其四是防滲墻需要有一定的剛度，滿足變位與大壩加載引起的應力。

2、將趾板建在覆蓋層上的必要性

將趾板建在深覆蓋層上往往是為了減少壩體基礎開挖與回填，從而減少工程的直接投資、縮短施工工期，減少工程直接投資，還可以提前發電，從而提高工程的經濟指標。如恩施老渡口工程，趾板建在覆蓋層上，直接和間接經濟效益超過4000萬元。

3、深覆蓋層上面板堆石壩研究的目的

趾板建在深覆蓋層上的面板壩并使其安全運行的關鍵是確保大壩防滲體系的變形和強度均在設計控制范圍內，以保證防滲體系的安全、有效。趾板建在深覆蓋層上的面板壩防滲體系分為上部和下部，上部防滲系統包括防浪墻、面板、趾板及接縫止水，下部防滲體系為防滲墻及灌漿帷幕，為保證防滲體系的安全，需解決如下主要技術問題：

（1）壩基變形應保證蓄水后壩基不發生大的壓縮變形，以保證壩體對面板的支撐；

（2）防滲墻應力及變形應在結構安全范圍內；

（3）接縫位移不應超出止水片的容許變形范圍；

（4）壩基及壩體的滲透穩定，要使壩基及壩體內的細料在滲透作用下的移動不影響承載能力和滲流量的要求。

（5）探明覆蓋層空間分布， 通過三維有限元的計算分析與預報大壩在施工與運行期間的性能， 為大壩填筑提供依據。

4、國內研究覆蓋層地基采用的方法

國內對河床趾板下身覆蓋層主要采取如下研究方法：

（1）開展現場聯合物探， 確定壩址河床覆蓋層空間分布；

（2） 進行室外現場靜載試驗與旁壓試驗， 從橫、豎兩方向聯合確定覆蓋層力學參數。

（3）進行室內容重試驗、顆粒比重試驗、相對密度試驗以及擊實試驗， 確定覆蓋層與筑壩材料的物性參數。

（4） 進行室內大型三軸剪切試驗、大型三軸壓縮試驗、大型壓縮試驗、大型直剪試驗、大型三軸接觸面剪切試驗以及濕化、滲透及滲透變形試驗， 確定河床覆蓋層與筑壩材料的力學特性， 計算模型參數等。

（5） 根據施工進程，模擬不同加載順序，根據面板分縫板間分縫情況，模擬大壩縫間位移及變形情況，進行大壩二、三維有限元應力分析， 優化壩體斷面， 進行大壩穩定性評價。

4.1設計方案比選

4.1.1計算模擬

防滲墻受力條件受雙向荷載影響而十分復雜，施工期防滲墻受來自下游堆石荷載的壩基砂卵石料擠壓向上游位移，同時防滲墻的上、下游側面，特別是下游側受壩基砂卵石垂直變形而承受摩擦力作用，在蓄水期水荷載下，防滲墻推動趾板向下游變位。

工程措施對防滲墻狀態影響較大，要求通過改變地基、大壩填筑材料參數、防滲墻指標及防滲墻接頭泥皮單元參數，進行敏感性分析計算作為設計施工控制指標，選擇趾板長度及接頭型式、合理的施工工期及工序安排。

施工采用先墻后壩的施工程序。要求模擬壩高1/3H，2/3H，3/3H時段防滲墻同時施工的應力狀態。

計算時，模擬大壩的施工順序和水庫蓄水過程，具體計算模擬順序分別為：

方案1 覆蓋層→防滲墻→趾板→壩體填筑至防浪墻底高程483.50m→面板→連接板→防浪墻及壩體填筑至壩頂485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m；

方案2 覆蓋層→防滲墻→下游壩體填筑至高程418.00m→趾板→壩體填筑至防浪墻底高程483.50m→面板→連接板→防浪墻及壩體填筑至壩頂485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m。

方案3 覆蓋層→下游壩體填筑至高程431.00m→防滲墻→趾板→壩體填筑至防浪墻底高程483.50m→面板→連接板→防浪墻及壩體填筑至壩頂485.80m→蓄水至正常蓄水位480.00m。

4.1.2趾板連接板形式的選擇

混凝土面板壩的趾板建在覆蓋層上時，在趾板上游端設防滲墻，墻和趾板間用結構縫連結，為使趾板能適應防滲墻和面板之間的變形，趾板一般可分為三段，中間的分塊結構稱為連接板，連接板的數量、長度對結構應力和接縫結構的適應性有較大的影響。應力計算成果表明：防滲墻距壩體越遠，應力與變形亦小，反之應力與變形就越大，相應工程投資亦大。

為了優選趾板與地基的連接形式，特殊情況外，一般均采用柔性連接方案。

4.1.3防滲墻

面板壩趾板前的防滲墻在度汛斷面上游，先行度汛斷面施工，受載形式是偏心荷載。防滲墻的主要功能是防滲，其受力特點表現為：竣工期，位于壩基沉降的影響區，其下游側和沖積層有沉降差，產生一定的摩檫力，同時產生側壓力，使墻向上游位移；水庫蓄水后，墻上、下游側的沖積層在庫水壓力作用下固結沉降，水壓力作用于壩殼及壩后壩基，墻下游側沉降增加，在墻的兩側產生摩阻力，并且在上下游水壓力和墻頂水重作用下，使墻向下游位移，運行期是防滲墻壓應力的主要時期。根據有限元計算，百米級水頭防滲墻主要受壓，局部有拉應力存在，最大拉應力在0.20～1.5MPa左右，最大壓應力5.0 MPa左右。防滲墻混凝土從抗壓強度出發，其強度等級只要達到C15普通混凝土即可；如要滿足抗拉強度，因防滲墻的受力特性，一般很難避免裂縫產生，普通混凝土難以滿足，宜采用鋼筋混凝土。

4.2 壩料分區優化研究

老渡口面板壩壩料分區擬選方案有3種，其中方案1無砂礫石區，方案2砂礫石區布置在軸線中央，方案3砂礫石區布置在軸線下游。壩體防滲體系由寬0.8m的防滲墻、3.8m長的連接板與4m長的趾板和厚30～58.6cm的面板組成，壩體上游坡度為1∶1.4，從上游到下游分別為水平寬3.0m的墊層區與過渡區，及主堆石區和砂礫石區，下游壩坡在423.10m、443.10m與463.10m高程處各設一條2m寬的馬道，馬道上、下坡度均為1∶1.3。

壩料分區優化研究針對全斷面填筑方案進行，具體計算工況如下：

4.2.1壩體應力變形

（1）壩體應力變形

大壩應力變形計算結合竣工期、蓄水期及運行期3種工況進行：竣工期與蓄水期壩體沉降與水平位移的計算結果。竣工期，壩體最大沉降為34.3cm～34.8cm，最大上游向水平位移為7.9cm～8.2 cm，最大下游向水平位移為8.0cm～8.3 cm。蓄水期，壩體最大沉降為38.0cm～38.8cm，最大上游向水平位移為2.7cm～2.9 cm，最大下游向水平位移為10.2cm～ 10.4 cm。

竣工期與蓄水期壩體的主應力。竣工期壩體大、小主應力最大值分別為1.90MPa～1.87MPa，0.90MPa～0.88MPa，蓄水期大、小主應力最大值分別為2.10MPa～2.07MPa，0.99MPa～0.88MPa。

竣工期與蓄水期壩內應力水平的計算結果，壩內應力水平不大，在40%以下。

（2）防滲體系應力變形

防滲體系由防滲墻、面板以及連接防滲墻和面板的趾板、連接板組成，其應力和變形簡介如下。

1）面板

蓄水期：工況1最大撓度最大為10.59cm。3種工況面板均受壓，最大順坡向應力為4.69MPa，出現在工況1。

2）防滲墻

竣工期防滲墻向上游變形，最大變形發生在墻頂附近為3.94cm。蓄水期由于水壓力作用，防滲墻向下游位移，最大變形分別為4.48cm，即由庫水壓力引起的下游向位移分別為8.35cm。

竣工期防滲墻最大主應力分別為1.56MPa，最大垂直應力分別為1.38MPa，均位于防滲墻中下部，竣工期時3種工況防滲墻的頂部均出現主拉應力區，在0.20MPa以下；而在蓄水期，3種工況防滲墻完全受壓，大主應力最大值為5.18MPa，

3）趾板與連接板

竣工期趾板最大沉降分別為1.75cm；蓄水期時，在庫水壓力作用下，趾板沉降增大，趾板最大沉降分別為 7.22cm。

蓄水期趾板與連接板在庫水壓力作用下主要受壓，趾板大、小主應力最大值分別為3.72MPa，0.77MPa。

4）接縫變形

水庫蓄水后，防滲墻與連接板、連接板與趾板、趾板與混凝土面板之間的接縫均處于壓緊狀態，各條接縫之間的相對變位都表現為沉陷，防滲墻與連接板之間的相對沉陷均為32.8mm；連接板與趾板之間的相對沉陷分別為0.7mm左右，趾板與混凝土面板之間的相對沉陷最大值為9.6mm。

5、小結

壩體分區方案壩體應力變形計算結果差別甚微，防滲體系的應力變形及接縫變位計算結果也相近。為對比差別，將壩體堆石料改用調整參數進行敏感性分析計算，以求得最大應力與變形作為設計控制指標。

壩體及防滲體系的應力與變形均在正常范圍內，接縫變位也在一般止水結構的容許變形范圍內。從壩體應力變形角度來看，3種分區方案均是可行的。

連接板長度的小量變化對壩體應力與變形無影響，對防滲體中面板、趾板的應力變形影響也不顯著，對壩基防滲墻則稍有影響，總體上看，采用長連接板時的防滲墻應力變形狀態要稍好于短連接板情況。

3種施工方案下壩體與防滲體系的應力變形均不大，防滲體系的拉、壓應力均在其材料的允許范圍內，接縫變位也在目前止水材料可以適應的范圍內。

綜合上述各項平面有限元分析成果，建議壩料分區選用分區方案2，連接板長度選用4m，施工方案根據總體施工安排選擇，在可選擇施工方案3。

參考文獻：

[1]楊曉明，汪能等。深覆蓋層上的面板堆石壩課題研究要點 《水利規劃與設計》2007年03期

[1]王汝軍，梁謙等。老渡口水電站面板堆石壩防滲墻施工 《湖北水力發電》 2009年05期

第一作者簡介：梁謙，高級工程師，男，40歲，湖北省水利水電規劃勘測設計院，主要從事水利水電工程的設計工作。