深厚覆蓋層土石壩垂直防滲方案優化研究

譚清順

(齊齊哈爾市鐵鋒區水利站，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 緒 論

新疆下坂地水利樞紐工程壩基覆蓋層深厚，地質條件復雜，通過模擬計算分析大壩正常蓄水位若壩基不處理，大壩滲漏總量為1.24m3/s，年滲漏損失3620萬m3，滲透坡降0.55，遠>允許坡降0.1和臨界坡降0.31，壩基將會出現大面積的滲透破壞[1]。滲流模擬分析說明該土石壩垂直防滲體系只有采取全斷面截斷覆蓋層滲流的形式，才能有效阻止壩基滲流，工程才具備運行期的安全穩定。

2 垂直防滲試驗及方案優化

2.1 工程概況

下坂地水利樞紐工程主要以蓄水為主，兼顧發電效益，工程規模Ⅱ等大(2)型，主要建筑物為瀝青混凝土心墻壩、泄洪洞、引水系統和廠房。水庫總庫容8.67億m3，電站總裝機150MW，年發電量4.735億kW·h，最大壩高78m[2]。壩基深厚覆蓋層地質剖面圖，見圖1。

圖1 壩基深厚覆蓋層地質剖面圖

2.2 防滲墻和灌漿帷幕組合

2.2.1 防滲墻頂高程確定

取壩址左岸臺地高程作為防滲墻頂高程，選用防滲墻85m墻深時防滲墻不能全部穿過左岸砂層透鏡體，將給帷幕灌漿施工造成一定難度。防滲墻頂高程放在2897m的可有效降低壩基防滲工程量，任何墻幕組合型式防滲墻均能穿過沙層透鏡體，避免了沙層灌漿。當開挖至2897m高程，表層松散結構體全部挖除，同時防滲墻施工平臺位于冰磧地層，地質條件較好，不需加固施工平臺。

2.2.2 不同深度墻幕結合方案造價對比

通過同類工程壩基防滲試驗對比表明，墻深60-80m的施工工效最高，為深度0-60m平均施工工效的77.7%，墻深80-102m工效為68.65%。

不同防滲墻深度的人、材消耗系數[3]，見表1：

表1 不同深度防滲墻成槽人、材系數

套用定額單價進行系數擴大可得不同墻深的造孔單價。不同方案工程量及投資對比表，見表2。

表2 不同深度墻幕方案工程量及投資對比表

2.3 防滲墻和灌漿帷幕深度組合

在下坂地壩基覆蓋層中采用80m、85m、90m、95m、100m五個不同深度的防滲墻與灌漿帷幕組合型式進行技術經濟綜合對比[4]，來確定最優組合。

技術方面，80m深防滲墻可包住砂層透鏡體，但考慮10m搭接后，帷幕頂部高程在砂層透鏡體內，不能保證灌漿質量。墻深80-100m為技術合理區，該范圍均能達到壩基滲漏量的控制標準，超過100m時防滲效果甚微且增加投資，且施工工效明顯降低，故選用防滲墻槽孔造孔深度小的方案。防滲可靠性方面，隨著防滲墻深度加大，防滲體系越可靠，帶著的施工難度相應增加。從施工角度看，80m與85m深度防滲墻槽孔施工難度、工效基本相同，而墻深>85m施工工效明顯降低，因而相對于其他墻深而言設計推薦防滲可靠性較好、施工相對較簡單的85m深防滲墻方案；因為防滲墻施工，因此防滲墻施工相對簡單，工效穩定，墻體的施工質量有充分保證。投資角度分析，防滲方案總體投資較小，85m深防滲墻僅比80m增大1.68%，故選用85m深防滲墻，可保證工效最高，工期最短。

2.4 墻體材料及墻厚

墻體材料主要研究材料彈模帶來的應力變化，取墻厚1m，墻體彈模為30GPa、28GPa、25.5GPa、1GPa、0.8GPa及0.5GPa，建模分析防滲墻應力應變三維有限元計算結果。防滲墻的最大應力與最大位移計算結果，見表3。防滲墻應力計算結果。見表4。

表3 防滲墻的最大應力與最大位移計算結果

表4 防滲墻應力計算對比表

從上述結果可知，混凝土防滲墻彈性模量從25.5GPa提高到30GPa，竣工期的最大壓應力在17.4-19.1MPa，蓄水期為16.0-17.8MPa，墻體應力在常規混凝土C20的抗壓強度范圍內。墻體局部產生較大拉壓應力，南水模型的最大壓應力19.0MPa，最大拉應力1.2MPa，鄧肯模型的最大壓應力20.2MPa，最大拉應力1.8MPa。

為研究不同防滲墻厚度的墻體應力變化，取防滲墻彈模為25.5GPa，墻的厚度分別取0.8m 、0.9m、1.0m 、1.1m、1.2m的應力計算，不同防滲墻厚度的應力值，見表5。

表5 不同防滲墻厚度的應力值

由表可知，最大應力隨防滲墻厚度的增大不斷降低，當墻厚度為1m時墻體的最大應力為18.4MPa，采用1m厚的常規混凝土，防滲墻受力上滿足結構受力要求；抗滲角度看，壩基混凝土防滲墻的允許水力坡度取Jp=80，最大水頭72m，厚度為1m的防滲墻最大水力坡降J=72，<允許水力坡降，滿足抗滲要求；當厚度<1m時，應力過大；>1m時經濟性較差。綜合考慮選用墻厚為1m。

2.5 灌漿材料及帷幕體允許水力坡降

灌漿材料采用水泥黏土漿，黏土采用烏洽紅黏土。在壩基防滲帷幕灌漿現場試驗中，試驗區共設置3個檢查孔，每孔選2段進行壓水試驗。根據壓水成果，定義水頭衰減系數0.8，當安全系數為K=5和10時的允許水力坡降計算結果，水力坡降計算表，見表6。

表6 水力坡降計算表

從上述結果來看，深層帷幕的允許水力坡降值較規范規定空間較大。當安全系數取5是，幕體允許水力坡降>4.6。幕體破壞壓力中，6個壓水試驗段3段不滿足設計壓力值要求。

2.6 防滲結構優化

經綜合比較確定混凝土防滲墻深85m，墻厚為1m。左岸193m墻段墻頂高程2897m，右岸110.76m墻段墻頂高程2888m，墻底高程2812m。在防滲墻內預埋1排灌漿管，預埋管間距2m。墻體混凝土C25，抗滲等級為W8。

根據幕體允許水力坡降，防滲墻下接4排帷幕，墻外3排灌漿孔，上部70m空鉆段下設護壁套管。帷幕灌漿第1、3排排距2.5m，中間排結合灌漿廊道的布置取排距為3.2m， 孔距3.0m。其中3排帷幕灌漿孔伸入基巖，中排孔伸入基巖10m，兩邊排孔伸入基巖5m。墻幕搭接長度按壩基滲流沿防滲墻下端部繞滲滲徑≥帷幕厚度考慮，擬定墻幕搭接長度為10m。

圖2 防滲體系典型斷面圖

3 結 論

文章針對壩基深厚復雜地質區的下坂地水利樞紐工程，根據地質條件和材料參數進行壩基三維滲流分析，提出垂直防滲體系中的防滲墻和防滲帷幕的最優組合，綜合對比不同墻深、墻厚、搭接長度等因素，從施工組織、防滲、投資角度分析不同方案的可行性，最終確定最優的防滲處理方案，通過結果表明該防滲方案可有效截斷壩基滲漏。