覆蓋層地基上惠水膠凝砂礫石攔河壩防滲設計方案研究

蘇樂香，彭漢詩，何蘊龍

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

覆蓋層，一般指的是第四系松散堆積層，是覆蓋在基巖之上的各種成因的松散堆積物、沉積物，例如砂卵石層、砂土層和人工填筑的碎石土體等。覆蓋層上的中小型壩以土壩較常見，筑壩材料為沖蝕性材料，不可漫頂，壩體可能存在滲漏、滑坡、管涌等問題。土壩尤其小型土壩的潰壩率較高，1980-2006年期間已潰決的575座小型水庫中，有壩型數據的水庫是529座，其中土壩500座[1]。洪水漫頂與質量問題仍是潰壩的主要原因[2]。而覆蓋層地基因不均勻沉降、滲漏、抗滑穩定等問題較難處理，如今修建剛性壩的數量不多。膠凝砂礫石壩是在近幾十年總結傳統面板堆石壩與碾壓混凝土壩優點基礎上發展起來的一種新壩型[3]。基本斷面為等腰梯形，筑壩材料為壩址附近易于得到的河床砂礫石或開挖棄渣等材料中加入水和少量水泥而獲得的一種低強度材料，這種新型的筑壩材料被稱為hardfill材料[4,5]。允許施工期壩身過流和洪水漫頂，如大華橋上游圍堰[6]和洪口過水圍堰[7]經歷過多次洪水漫頂仍可正常運行。工程實踐表明，采用膠凝砂礫石筑壩技術可以節約投資10%～20%，并可縮短建設周期20%以上，且有利于環境保護和水土保持，在不少壩址具有優越性[8]。壩體安全性高，地基的適應性強，低壩可修建在覆蓋層地基上，如順江堰[9,10]、飛仙關圍堰[11,12]。值得注意的是，目前國內外永久性膠凝砂礫石壩基本是建于基巖上，對覆蓋層上膠凝砂礫石壩的相關研究較少。本文的惠水攔河壩工程基本壩型為膠凝砂礫石壩，壩高16m，屬于低矮壩，壩基位于弱膠結卵礫石層上。大壩的工作性態、壩基的承載力和不均勻沉降問題以及抗滑穩定問題都是值得重視和深入研究的。

1 惠水攔河壩工程地質條件及設計方案

壩區河谷為寬緩的“U”形河谷，左岸為河流一級階地，右岸山體雄厚。壩址區巖土自上而下分為：耕表土、殘坡積黏土層，河流沖洪積層(粉質黏土層、砂卵石層)，弱膠結卵礫石層，下第三系(E)泥巖層。弱膠結卵礫石層在河床段分布較厚較大，河床鉆孔揭露埋深為2.8～13.0 m，厚度為10.2 m，兩岸厚度變化大，均勻性一般，泥質、鈣質膠結，鉆孔揭露巖體較破碎，礫石間膠結較差，力學指標較差，具有強風化特征。下第三系(E)泥巖層在壩區鉆孔控制深度內(未揭穿)分布連續、穩定，均勻性較好，厚度較大。其中河床段埋深較大，呈弱風化狀；兩岸埋深較淺其表層2.0 m左右呈強風化狀，力學指標較差，壓縮變形較大。弱風化狀巖體承載力較高，各項力學指標較好。

惠水攔河壩工程為貴州省惠水縣打造水生態文明建設示范區應運而生，其主要功能是對翁吟河的水體進行自然調節凈化作用，溢洪道寬，需滿足長期過流的要求，不宜修建土石壩。若修建重力壩，經挖除覆蓋層地基后，壩高增加大于50%。混凝土重力壩建設成本昂貴，在壩高15 m以上的大壩總數中占比不到5%[8]。而膠凝砂礫石壩壩體斷面相對較大，壩體應力水平低，應力分布均勻，安全性高，壩體材料可直接從庫區河床和階地取料，經濟環保，具有更好的地基適應性，對地基要求低，可修建于弱膠結卵礫石層地基上，故采用膠凝砂礫石壩作為設計方案。

膠凝砂礫石壩壩頂軸線總長249.98 m，壩軸線方位角為N98.0°E，其中溢流壩段長56m，非溢流壩段左岸長138.5 m，右岸長55.48 m，最大壩高16 m(包括墊層)，最大庫容為214 萬m3。壩頂寬5 m，最大壩底寬度為24.2 m，墊層底向上、下游伸出1.8 m寬以更好擴散應力。大壩基本斷面為等腰梯形，上、下游壩坡均采用1∶0.6，上、下游壩面澆筑一層厚0.5 m鋼筋混凝土防滲(保護)面板。在地基處理方面，有防滲帷幕和截水墻兩個設計方案。防滲帷幕方案中，灌漿孔距取1.5 m，帷幕厚度取為0.7倍孔距，深入泥巖3 m；截水墻方案中，考慮地基條件和施工條件要求，截水墻寬3 m，深入泥巖1 m，由富漿膠凝砂礫石碾壓而成。兩方案壩體非溢流壩段斷面圖如圖1所示。

圖1 非溢流壩段剖面圖(單位：m)Fig.1 Section plans of non-overflow dam

2 有限元模型及材料參數

運用有限元軟件ADINA[13]，分別建立防滲帷幕方案和截水墻方案非溢流壩段相應的二維有限元模型。ADNIA滲流計算模型[14]計算范圍為：向上、下游方向均取4倍壩高，豎直向下方向取1.5倍壩高，兩模型分別有11 205個節點、8 560個單元，10 790個節點、8 240個單元。應力變形計算模型如圖2所示，壩體材料、地基泥巖均采用線彈性本構模型，覆蓋層采用鄧肯-張E～μ模型，模型整體施加基于滲流場計算得出的滲透力。模型計算范圍為：向上、下游和豎直向下方向各取1倍壩高，對側邊界施加法向約束，底邊界施加法向和切向約束。兩個模型分別有6 970個節點、5 276個單元，10 120個節點、7 728個單元。計算工況有竣工工況、正常蓄水位工況和校核洪水位工況，因正常蓄水位工況為本工程控制工況，本文僅對該工況的計算結果進行分析。

圖2 有限元模型圖Fig.2 Finite element models

根據國內外膠凝砂礫石壩材料試驗和工程實例，計算模型中膠凝砂礫石彈模取8 GPa，泊松比取0.2，容重取23 kN/m3，滲透系數取6.18×10-3cm/s；富漿膠凝砂礫石彈模取13 GPa，泊松比取0.185，容重取23.5 kN/m3，滲透系數取8.96×10-6cm/s。混凝土的彈模取25 GPa，泊松比取0.167，容重取25 kN/m3，滲透系數取1×10-8cm/s。根據地質勘探和現場試驗，壩基可灌性不強，故防滲帷幕滲透系數取1×10-4cm/s。覆蓋層地基滲透系數取1×10-3cm/s。壩基巖體材料參數見表1。覆蓋層鄧肯-張E～μ模型參數見表2。墊層與覆蓋層、截水墻的抗剪斷參數見表3。

表1 巖體材料參數Tab.1 Parameters of rock material

表2 鄧肯-張E～μ模型參數Tab.2 Parameters of Duncan-Zhang E～μ modle

表3 抗剪斷參數Tab.3 Shear parameters

3 成果分析

3.1 防滲帷幕方案壩體工作性態及安全性分析

(1)滲流場分析。流網圖如圖3所示(壩基僅繪出局部)，浸潤線沿上游防滲面板下降至961.71 m，在壩體的浸潤線幾乎和壩基面平行，壩體材料大部分處于干燥狀態[15]，在下游面板處下降至960.0 m處。等勢線在由上游防滲面板、趾板和防滲帷幕組成的壩體-壩基防滲系統內分布密集，削減水頭5.29 m。上游壩體-壩基防滲系統的滲透坡降較大，最大值出現在上游防滲面板，為10.79，防滲帷幕最大滲透坡降為2.41。由于壩體膠凝砂礫石的滲透系數較大，滲透坡降最大值僅為0.242%，墊層膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石的最大滲透坡降分別為0.129、1.815。覆蓋層地基最大滲透坡降為0.337。分析成果表明，防滲帷幕方案滿足防滲和滲透穩定性要求。

圖3 流網圖(單位：m)Fig.3 Flow network diagram

(2)地基應力變形狀態分析。正常蓄水位工況下，壩基沉降主要集中在弱膠結卵礫石層上，泥巖層沉降十分小。從壩基面特征點A、B、C(分別位于壩踵正下方、中點、壩趾正下方)三處鉛直方向上沉降的變化情況看，如圖4(b)所示，弱膠結卵礫石層上的變化率較大，泥巖層變化率小。由于壩體上、下游對稱，壩高較小，上游庫水水深小，所以上、下游壩基沉降差異不明顯，A點和C點處鉛直方向上的沉降曲線圖幾乎重合。壩基沉降基本關于壩基面中心線呈對稱分布，中間最大，上游側稍大于下游側，極值為-5.6 mm，位于壩基面中間。壩基面水平段沉降在中間約2/3的寬度內基本變化很小，保持在-5.5 mm左右。壩基沉降等值線圖，壩基面水平段沉降曲線分布圖如圖4(a)、(c)所示。

壩基的第三主應力基本上關于壩基面中心線呈對稱分布，從中間向兩側則依次遞減，如圖5(a)所示。壩基面B點處同一鉛直方向上第三主應力隨高程減小變化不大，A、C點處則逐漸減小，如圖5(b)所示。水平段壩基面第三主應力從上游至C點處逐漸減小，在A點至C點之間應力較均勻，減小幅度小，A點之前變化幅度較大，從C點至下游，應力先稍有增加再減小。第三主應力極值位于壩基面水平段上游側，為-0.25MPa，僅為覆蓋層最小容許承載力的31.25%。壩基面水平段第三主應力曲線分布圖如圖5(c)所示。

(3)壩體應力變形狀態分析。壩體的順河向位移在上游面1/3壩高處達到最大值——1.01 mm，向下游側遞減，在下游面1/2壩高處達到最小值；豎直向位移對稱分布，對稱軸在距上游約2/3距離處，極值為-5.72 mm，位于壩頂上游側。豎直向位移在豎直方向上，隨著高程的增加而增加；在水平方向上，從上游到下游現增后減。壩體位移等值線圖如圖6(a)、(b)所示。

壩體的順河向應力、豎直向應力、第一主應力和第三主應力基本上都是大致關于壩體剖面中心線對稱分布。在上、下游兩側三角形區域一定壩高以下，順河向應力、豎直向應力和第三主應力分別以壩踵和壩趾為中心，沿壩坡向上、向壩體中間呈輻射狀分布；在壩體中間部位，從壩底到壩頂，順河向應力由拉應力變為壓應力，壓應力隨著高程的增加而先增后減，豎直向應力和第三主應力隨著高程的增加而減小。在壩趾處有不同程度的應力集中現象。順河向拉應力極值為0.05 MPa，位于壩底中間，順河向壓應力、豎直向壓應力和第三主應力極值分別為-0.31、-0.33和-0.45 MPa，都位于壩趾。第一主應力在壩體底部中間1/3底寬范圍內出現較大拉應力，極值為0.06 MPa，位于壩底中間，其他部位處于低應力狀態。壩體應力等值線圖如圖6(c)、(d)、(e)、(f)所示。

圖4 壩基沉降Fig.4 The settlement of dam foundation

圖5 壩基第三主應力Fig.5 The third principal stress of dam foundation

圖6 壩體應力位移等值線圖Fig.6 Contour of stresse and displacement in the dam

(4)抗滑穩定安全性分析。壩基面水平段滑動面1如圖7所示，滑動面1上豎直向應力和剪應力曲線分布圖如圖8所示，點安全系數分布圖如圖9所示。滑動面1上豎直向應力與壩基面水平段第三主應力的分布規律相似，剪應力在A點處為零。墊層底部向上游伸出1.8 m范圍內，剪應力值為負，沒有向下游滑動趨勢，因此，圖9中未繪出此范圍內點安全系數；從A點至滑動面1的終點，剪應力整體逐漸增大，應力值為正，有向下游滑動趨勢。滑動面1的點安全系數整體較大，點安全系數的最小值為3.09，大于1，整體抗滑穩定安全系數計算得11.09。

圖7 滑動面1示意圖Fig.7 Schematic diagram of sliding surface 1

圖8 滑動面1應力分布圖Fig.8 Stress distribution map of sliding surface 1

圖9 點安全系數分布圖Fig.9 Point safety factor distribution map

3.2 截水墻方案壩體工作狀態及安全性分析

(1)滲流場分析。流網圖如圖10所示(壩基僅繪出局部)，浸潤線沿上游防滲面板下降明顯，在壩體內極低，在下游面板處下降至960.0 m處。等勢線在上游防滲面板、趾板和截水墻內分布十分密集，下游幾乎沒有等勢線，防滲效果明顯，削減水頭6.79 m，增大28.4%。上游壩體-壩基防滲系統的滲透坡降較大，最大值同樣出現在上游防滲面板，為13.94，截水墻最大滲透坡降為2.40。壩體膠凝砂礫石的滲透坡降最大值僅為0.037%，墊層膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石的最大滲透坡降分別為0.021、0.207。覆蓋層地基最大滲透坡降為0.038。分析成果表明，截水墻方案滿足防滲和滲透穩定性要求。

圖10 流網圖(單位：m)Fig.10 Flow network diagram

(2)地基應力變形狀態分析。正常蓄水位工況下，由于壩基上游側有截水墻，壩基的最大沉降移向下游，位于壩基水平段距下游側約2.4 m處，極值為-5.7 mm，截水墻底部的泥巖最大沉降為-2.2 mm，位于下游側。特征點D、E、F、G(分別位于截水墻后1.8 m、D點至F點的中央、壩趾正下方、截水墻底部中點)處在鉛直方向上的沉降變化如圖11(b)所示，弱膠結卵礫石層沉降變化率較泥巖層大，位于截水墻底部周圍一定范圍的泥巖沉降較大些。壩基面水平段沉降在F點附近之前逐漸增加，之后逐漸減小。壩基沉降等值線圖，壩基面水平段沉降曲線分布圖如圖11(a)、(c)所示。

由于地基較軟，截水墻剛度較大，起到一個頂托支撐的作用，將部分的上部結構自重、水荷載及於沙荷載等較集中的傳遞于泥巖，故截水墻底部周圍的泥巖應力較大，壩基第三主應力等值線圖如圖12(a)所示。壩基第三主應力在截水墻底部兩側基巖出現不同程度的應力集中現象，其極值位于截水墻底部泥巖下游側，為-0.54 MPa，為泥巖最小容許承載力的54%。覆蓋層上第三主應力極值位于截水墻下游側的弱膠結卵礫石層底部，為-0.30 MPa，增加20%，為覆蓋層最小容許承載力的37.5%。在D、E、F、G點處第三主應力鉛直方向的變化如圖12(b)所示，D點處由于距離截水墻較近，在覆蓋層上應力值較小，到截水墻底部附近應力值突然增大。壩基面水平段第三主應力在截水墻之前呈現遞減規律，在截水墻之后至F點之間呈現遞增規律，在F點之后呈現先增后減的規律。壩基面水平段第三主應力曲線分布圖如圖12(c)所示。

圖11 壩基沉降Fig.11 The settlement of dam foundation

圖12 壩基第三主應力Fig.12 The third principal stress of dam foundation

(3)壩體應力變形狀態分析。與防滲帷幕方案相比，壩體的位移分布規律明顯不同，并且順河向位移和豎直向位移極值增加。壩體的順河向位移隨著高程的增加逐漸增大，在水平方向上，從上游到下游逐漸減小，極值為4.14 mm，位于壩頂上游側。壩體的豎直向位移沿高程方向變化較小，在水平方向上，從上游到下游逐漸增加，極值為-5.80 mm，位于壩趾處。壩體位移等值線圖如圖13(a)、(b)所示。

壩體的應力分布規律與防滲帷幕方案大體上相似，但由于設置了截水墻，應力分布規律也有其特點。在上、下游兩側三角形區域一定壩高以下，順河向應力、豎直向應力和第三主應力的應力值更大，沿壩坡向上、向壩體中間輻射狀分布的范圍更廣，數值變化幅度更大，在壩趾處同樣有不同程度的應力集中現象。順河向拉應力極值為0.05 MPa，位于壩底距下游2/5距離處；順河向壓應力、豎直向應力和第三主應力極值分別為-0.43、-0.41、-0.58 MPa，增幅分別為38.7%、24.2%、28.9%，都位于壩趾。第一主拉應力在壩底分布范圍更廣，一直延伸至壩踵處，應力極值為0.05 MPa，減少了16.7%，位于壩底距下游2/5距離處。壩體應力等值線圖如圖13(c)、(d)、(e)、(f)所示。

(4)抗滑穩定安全性分析。壩基面水平段滑動面2如圖14所示，滑動面2上豎直向應力和剪應力曲線分布圖如圖15所示，安全系數分布圖如16圖所示。滑動面2覆蓋層上豎直向應力與壩基面水平段第三主應力的分布規律相似，由于地基較松軟，截水墻的剛度較大，起到一定支撐作用，故在截水墻處，豎直向應力較大，呈逐漸增大規律。剪應力在截水墻中點和D點處為零。截水墻中點之前范圍內，剪應力為正，有向下游滑動趨勢；剪應力在截水墻中點至D點之間為負。D點至滑動面2終點的剪應力較小，為正值，有向下游滑動趨勢。滑動面2的點安全系數的最小值為1.98，大于1，但由于截水墻的作用，整體的點安全系數較大，整體抗滑穩定安全系數計算得17.90。

圖13 壩體應力位移等值線圖Fig.13 Contour of stresse and displacement in the dam

圖14 滑動面2示意圖Fig.14 Schematic diagram of sliding surface 2

圖15 滑動面2應力分布圖Fig.15 Stress distribution map of sliding surface 2

圖16 點安全系數分布圖Fig.16 Point safety factor distribution map

4 討 論

由以上討論可知，卵礫石地基上修建這樣規模的膠凝砂礫石壩，其結構力學性態良好，安全性高。地基應力小，應力變形均勻，壩體應力變形小，抗滑穩定安全性高。兩方案由于地基處理的差異，存在一些不同之處：

(1)由于地基的可灌性不強，防滲帷幕方案帷幕滲透系數較大，而截水墻滲透系數小，寬度大，等勢線在截水墻處分布更密集，截水墻方案的浸潤線沿上游防滲面板下降更明顯，在上游壩體-壩基防滲系統的作用下，水頭削減增加28.4%，下游各部位的滲透坡降也減小。由此可見，截水墻方案的防滲效果更明顯。

(2)兩方案壩基的沉降和應力都較小。防滲帷幕方案地基沉降基本呈對稱分布，沉降均勻，截水墻方案由于截水墻的支撐頂托作用使地基沉降從上游至下游逐漸增加，截水墻底部泥巖沉降增加，沉降相對不均勻。防滲帷幕方案壩基第三主應力基本呈對稱分布，截水墻方案第三主應力從上游至下游逐漸增大，截水墻底部附近兩側應力較大，有應力集中現象，兩方案在覆蓋層地基上第三主應力極值分別為-0.25、-0.30 MPa，截水墻方案應力值增大20%。可見，防滲帷幕方案的壩基應力變形狀態更好。

(3)防滲帷幕方案的壩體變形和應力都較截水墻方案小。截水墻方案壩體在壩踵下方的截水墻支撐作用下，順河向位移增加明顯，豎直向位移極值增加1.4%。截水墻方案的應力分布規律基本上與防滲帷幕方案的相似，呈現以壩踵和壩趾為中心呈輻射狀分布規律，但應力值和變幅更大，輻射狀分布的范圍更廣，其順河向應力、豎直向應力和第三主應力的應力極值分別增加了38.7%、24.2%、28.9%。防滲帷幕方案第一主拉應力主要集中在壩底中間1/3底寬范圍內，截水墻方案則分布范圍擴大至壩踵處，但應力極值減少了16.7%。分析表明，防滲帷幕方案的壩體應力變形狀態更好。

(4)截水墻方案的上游截水墻深入地基，在起到防滲作用的同時，也間接地起到了齒墻的作用，增加了壩體的抗滑力，與防滲帷幕方案相比，明顯增加了壩體的整體抗滑穩定安全系數。

5 結 語

本文以惠水攔河壩工程為實例，通過對弱膠結卵礫石覆蓋層地基上兩種方案下膠凝砂礫石壩的滲流場、壩基和壩體的應力變形規律以及抗滑穩定安全性進行分析，進而探討覆蓋層地基上修建膠凝砂礫石壩的可能性，以供參考：

(1)兩方案的壩體-壩基防滲系統均起到較好的防滲作用，滿足防滲和滲透穩定性要求，但由于截水墻的滲透系數較小，截水墻方案防滲效果更佳。

(2)兩方案壩基的應力變形都較小，均滿足壩基承載力和不均勻沉降要求。壩體應力變形也較小，應力較大值主要出現在壩踵和壩趾附近，拉應力出現在壩底。但防滲帷幕方案壩底對稱性較好，故壩體和壩基的應力變形狀態更好些。就本工程而言，總體工程量不大，壩體施工建設工期延續時間不長，推薦壩體膠凝砂礫石設計強度等級為C904[16]。

(3)兩方案滑動面的最小點安全系數分別為3.09、1.98，整體抗滑穩定安全系數分別為11.09、17.90，抗滑穩定安全性滿足要求。因截水墻方案的上游截水墻起到了齒墻的作用，故整體安全裕度更大。

(4)在覆蓋層上修建較小規模的膠凝砂礫石壩是可行的。從安全性角度分析，防滲帷幕方案應力變形狀態更好，截水墻方案防滲效果和抗滑穩定全性更高；從施工難易程度和經濟角度分析，防滲帷幕方案施工方便，更經濟。在滿足防滲和抗滑穩定安全性的條件下，防滲帷幕方案更實用。

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