沈振中，邱莉婷，周華雷

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098)

國(guó)際大壩委員會(huì)ICOLD最新注冊(cè)大壩數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)顯示，全球已注冊(cè)大壩有 58266座，其中土壩36986座，堆石壩 7621座［1］;據(jù)第一次全國(guó)水利普查公報(bào)，截至2011年底，我國(guó)已建成水庫(kù) 98002座［2］，其中90%以上為土石壩。隨著我國(guó)西部水電工程建設(shè)的進(jìn)一步深入，尤其是新疆和西藏地區(qū)水電資源的開發(fā)，高土石壩工程將越來越多。高土石壩(含面板堆石壩)在大規(guī)模水利水電工程建設(shè)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，其中土質(zhì)心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩將是今后土石壩的主導(dǎo)壩型。我國(guó)西南地區(qū)的云、貴、川、渝、藏的水力資源約占全國(guó)總量的66.70%，而西南地區(qū)河谷深切和深厚覆蓋層現(xiàn)象十分普遍。各主要河流覆蓋層普遍呈現(xiàn)分布厚度變化大、結(jié)構(gòu)差異顯著、組成成分復(fù)雜且堆積序列異常等特點(diǎn)［3］。在深厚覆蓋層上建設(shè)水利水電工程往往存在滲流穩(wěn)定、滲漏損失、不均勻沉陷和砂土液化等問題，給土石壩工程的建設(shè)帶來了困難。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，由滲透破壞直接導(dǎo)致的土石壩工程失事概率，中國(guó)是29%(2391座失事)，西班牙是40%(117座失事)，美國(guó)是39%(206座失事)，日本是44%(119座失事)。因此，研究深厚覆蓋層上土石壩工程的滲流控制問題意義重大。

1 深厚覆蓋層上土石壩建設(shè)概況

深厚覆蓋層是指堆積在河谷中厚度大于30 m的第四紀(jì)松散沉積物。深厚覆蓋層的巖層不連續(xù)，結(jié)構(gòu)偏松散，水平、垂直兩個(gè)方向的巖性均變化顯著，且成因類型較復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)不均勻，工程地質(zhì)條件差［4］。深厚覆蓋層在全球范圍的河流中都有分布，如法國(guó)迪朗斯河上的Serre Poncon心墻堆石壩，壩基覆蓋層深120 m;意大利瓦爾蘇拉河上的Zoccolo壩，壩址區(qū)覆蓋層深100m;瑞士薩斯菲斯普河上的Mattmark心墻堆石壩，壩基最大覆蓋層深80 m。全球部分河流上部分壩址覆蓋層深度統(tǒng)計(jì)見表 1［5-6］。

表1 全球部分河流上部分壩址覆蓋層深度統(tǒng)計(jì)

歐洲和美洲在深厚覆蓋層上建壩較集中的時(shí)期是20世紀(jì)的60年代和70年代，如法國(guó)的Mont-Cenis心墻堆石壩、加拿大的Manic-Ⅲ黏土心墻堆石壩、意大利的Zoccolo瀝青斜墻堆石壩等。20世紀(jì)80年代后，隨著我國(guó)深厚覆蓋層上建壩技術(shù)的提高，許多高土石壩先后建成。國(guó)內(nèi)外覆蓋層深度超過120 m的部分土石壩工程見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外覆蓋層深度超過120 m的部分土石壩工程

2 深厚覆蓋層壩基的防滲技術(shù)

深厚覆蓋層上土石壩的壩基滲透穩(wěn)定和滲漏損失是防滲控制的主要問題。不合理的防滲體系設(shè)計(jì)，例如將土石壩的混凝土防滲墻設(shè)于斜墻短鋪蓋上游端底部就容易導(dǎo)致防滲墻頂部黏土產(chǎn)生放射狀貫穿裂縫，以及鋪蓋裂縫滲漏，使得防滲墻無法發(fā)揮防滲作用。建于48 m深厚覆蓋層地基上的北京西齋堂黏土斜墻砂礫石壩，壩高58 m，采用混凝土防滲墻防滲。大壩于1974年建成蓄水，1978年汛前在土壩上游壩坡發(fā)現(xiàn)兩處塌坑。其中，1號(hào)塌坑為橢圓形，沿壩軸線方向長(zhǎng)9.5m，垂直壩軸線方向長(zhǎng)7.0m，深3.0 m;2號(hào)塌坑呈圓形，直徑2.5 m，深0.3 m。1978年10月，通過開挖檢查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)塌坑洞穴已穿透防滲墻下游到達(dá)斜墻底部的砂卵石層，2號(hào)塌坑洞穴與防滲墻水平漏洞(直徑4～6 cm)連通，塌坑洞穴內(nèi)充滿砂卵石和軟泥。此外，黏土斜墻底部的反濾過渡層在防滲墻附近被滲流破壞，防滲墻分段接頭處夾泥皮最厚為4 cm，部分夾泥已被滲流沖刷流失，接縫漏水嚴(yán)重。后經(jīng)防滲墻鉆孔、澆筑混凝土堵塞漏洞、墻體縫隙連接加固和開挖部位重新回填黏土、鋪設(shè)反濾料等工程措施，滲漏破壞問題方得以解決。因此，需要設(shè)計(jì)科學(xué)的防滲體系，防止壩基水力坡降過大導(dǎo)致滲透變形和滲透破壞，避免過大滲透流量引發(fā)下游浸沒和庫(kù)水損失。目前，深厚覆蓋層上土石壩的防滲控制措施主要有垂直防滲、水平防滲和聯(lián)合防滲。

2.1 垂直防滲措施

土石壩垂直防滲措施通過截?cái)酀B流通道或延長(zhǎng)滲徑，以降低滲透坡降和浸潤(rùn)面高度，從而減小滲漏量。垂直防滲技術(shù)已較為成熟，對(duì)深厚覆蓋層壩基的滲流控制十分有效，主要包括混凝土防滲墻、灌漿帷幕、高壓噴射灌漿連續(xù)墻和土工合成材料防滲墻等。其中，混凝土防滲墻具有滲透穩(wěn)定性可靠、滲漏量控制效果明顯、墻體槽孔連接穩(wěn)固、檢驗(yàn)技術(shù)相對(duì)成熟、對(duì)地層顆粒組成要求低、成墻深度較大等優(yōu)點(diǎn)，故在深厚覆蓋層壩基的滲流控制中廣泛應(yīng)用。灌漿帷幕作為巖基防滲的主要手段，也是深覆蓋層上地基滲流控制的重要措施之一，其處理深度更大。目前大多數(shù)工程均全部或者部分采用灌漿帷幕作為主要防滲措施或補(bǔ)充防滲措施，即通過在壩基中形成一道弱透水幕來達(dá)到防滲目的。國(guó)外，已有許多采用水泥黏土灌漿修建帷幕的成功經(jīng)驗(yàn)，如法國(guó)的Serre Poncon壩有12排灌漿孔，最大灌漿孔深100 m，有效解決了120 m深?yuàn)A雜大礫石、細(xì)砂的深厚覆蓋層上壩基的滲漏控制難題;埃及的Aswan壩有15排灌漿孔，最大孔深250 m且穿透沖積層，壩基經(jīng)處理后滲透系數(shù)降低至原來的1/ 1000左右;加拿大的Mission Terzaghi壩有5排灌漿孔，各灌漿孔深均為150 m;德國(guó)的Sylvenstein壩有6排灌漿孔，最大灌漿孔深 100 m;瑞士的 Mattmark壩有10排灌漿孔，最大灌漿孔深100 m等。但國(guó)內(nèi)較少單獨(dú)采用帷幕灌漿作為深覆蓋層主要滲控措施，而是將其與防滲墻聯(lián)合使用，形成墻幕結(jié)合防滲方案。國(guó)內(nèi)外深厚覆蓋層上采用超過80 m深混凝土防滲墻的部分土石壩工程見表3。

表3 國(guó)內(nèi)外深覆蓋層上的部分混凝土防滲墻工程(防滲墻深度大于80 m)

目前國(guó)內(nèi)超過100 m深的混凝土防滲墻施工技術(shù)趨于成熟。西藏旁多瀝青混凝土心墻砂礫石壩，經(jīng)過封閉式防滲墻、懸掛式防滲墻、灌漿帷幕以及墻幕結(jié)合等防滲方案比較，最終選定混凝土防滲墻全封閉方案。施工采用CZ-9型重型沖擊鉆和利勃海爾HS885鋼絲繩抓斗配套沖擊鉆等設(shè)備創(chuàng)造了成墻深度158 m的紀(jì)錄，并選用新型JCJ/MMH正電膠泥漿顯著提高了泥漿固壁效果［7-8］。同時(shí)，也有不少工程采用2道防滲墻防滲，如長(zhǎng)河礫石土心墻堆石壩(壩高240 m，墻深為50 m)，加拿大Manic-Ⅲ黏土心墻堆石壩(壩高108 m，墻深為130 m)，瀑布溝礫石土心墻堆石壩(壩高186 m，墻深為70 m)，九甸峽混凝土面板堆石壩(壩高136.5 m，墻深約為30 m)，碧口心墻土石壩(壩高102 m，2道防滲墻分別深41 m、68.5 m)，銅子街面板堆石壩(壩高48 m，墻深為70 m)，但仍缺乏專門的理論研究來解答怎樣的壩高和覆蓋層結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置2道混凝土防滲墻，今后有待開展這方面的研究工作。此外，高壓噴射灌漿建造防滲墻的技術(shù)，目前大多應(yīng)用于砂卵礫石深厚覆蓋層上的圍堰工程防滲，如小浪底上游圍堰的左河床覆蓋層采用了高壓旋噴灌漿防滲墻方案，單排樁成墻，最大深度50.3m;察汗烏蘇水電站的上游圍堰采用了厚度為0.8 m的高壓旋噴灌漿防滲墻［9］。深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩多采用連接板來連接防滲墻與趾板，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)間的變形協(xié)調(diào)。國(guó)內(nèi)最早建于深覆蓋層上的新疆柯柯亞混凝土面板砂礫石壩［10］，壩基為37.5 m深的沖積砂礫層，槽孔混凝土防滲墻與面板間填筑圓弧形的砂礫料連接段，連接段表面鋪設(shè)分離式拱形連接板且拱形面板間采用柔性止水，有效地協(xié)調(diào)了面板與防滲墻間的不均勻沉降。察汗烏蘇水電站［11］壩址河床覆蓋層深度約為47.6m，槽孔混凝土防滲墻與覆蓋層上4m寬的趾板由2塊3 m寬的連接板連接，接縫采用柔性連接以協(xié)調(diào)地基的不均勻變形。新疆爾阿爾塔什水利樞紐［12］河床段覆蓋層最大深度約為100 m，采用2道間隔為5 m的混凝土防滲墻，河床段趾板寬4 m，通過2塊寬度為3 m的連接板與防滲墻相連，連接板厚1 m。

2.2 水平防滲措施

水平防滲措施(水平鋪蓋)指采用混凝土、黏土和復(fù)合土工膜等弱透水性材料，在大壩的上游進(jìn)行分層填筑和碾壓，與壩體防滲連接而形成的聯(lián)合防滲體，其可有效加大滲徑，控制滲漏量，但無法徹底截?cái)酀B流。深厚覆蓋層上的水平防滲措施一般適用于以下情況［6］:覆蓋層地基過深無法采用垂直防滲措施，或垂直防滲措施效果不明顯時(shí);開闊河谷上因垂直防滲措施投資過大或者地基的可灌性不佳時(shí)。水平防滲措施的防滲效果一般較垂直防滲效果差，但因其具有造價(jià)較低、施工快捷、方便取材的特點(diǎn)，在深覆蓋層地基上的壩基滲流控制中也有不少案例。比如巴基斯坦的Tarbela壩，河床覆蓋層達(dá)230余m，壩前采用了長(zhǎng)度為17～20倍水頭的水平鋪蓋防滲，并利用聲納、海洋研究設(shè)備對(duì)水下塌坑進(jìn)行檢測(cè)，采用駁料船在水上進(jìn)行定位和投放，修補(bǔ)蓄水運(yùn)行后鋪蓋出現(xiàn)的裂縫和沉陷坑，較好地發(fā)揮了防滲作用［13］。再如，建于147.95 m深覆蓋層上的下坂地心墻堆石壩［14］，軟黏土庫(kù)區(qū)存在大量影響防滲效果的天窗，在初步設(shè)計(jì)階段，推薦將天然的軟土夾層和人工填土鋪蓋結(jié)合，并用圍堰防滲墻連接;填土鋪蓋的下部另設(shè)1層復(fù)合土工膜作為第2道防線，同時(shí)沿下游壩坡坡腳設(shè)置排水減壓井以減小剩余水頭。新疆恰拉水庫(kù)采用了長(zhǎng)度為140 m的水平鋪蓋防滲措施，材料為0.5mm塑料薄膜，其滲透坡降、滲流量均滿足設(shè)計(jì)要求。工程實(shí)踐表明［15］，水平鋪蓋長(zhǎng)度與大壩上游水頭之比大于5時(shí)，水平鋪蓋能發(fā)揮最佳防滲效果。

2.3 聯(lián)合防滲措施

對(duì)于百米及以上深度的超深覆蓋層而言，單一的防滲墻防滲在施工技術(shù)、建造成本和工期上容易受到制約，而帷幕灌漿也常因上部漏漿問題難以形成連續(xù)防滲體。聯(lián)合防滲措施(墻幕結(jié)合防滲、水平防滲與垂直防滲相結(jié)合的聯(lián)合防滲等)在超深厚覆蓋層上壩基的滲流控制效果顯著。其中，墻幕結(jié)合防滲方案綜合防滲墻與灌漿帷幕的優(yōu)點(diǎn)，在嵌入弱風(fēng)化層一定深度的防滲墻下再進(jìn)行帷幕灌漿，從而形成上部防滲墻、下部灌漿帷幕的聯(lián)合防滲體系，可有效降低超深防滲墻的造孔難度，解決基礎(chǔ)上部帷幕排數(shù)過多、投資較大以及工期較長(zhǎng)的不足。同時(shí)，上部的混凝土防滲墻可保證壩基防滲關(guān)鍵部位的防滲效果，提高基礎(chǔ)防滲的可靠性。水平鋪蓋聯(lián)合垂直截滲則可為大壩的滲流控制提供雙重保障。表4為深厚覆蓋層上采用聯(lián)合防滲措施的部分典型土石壩工程。

表4 深覆蓋層上采用聯(lián)合防滲措施的部分土石壩工程

聯(lián)合防滲措施在深厚覆蓋層上的土石壩滲流控制中已卓有成效。埃及Aswan黏土心墻堆石壩建于250 m深河床覆蓋層上，大壩采用由黏土心墻、上游鋪蓋以及8排最大深度為170 m的墻下帷幕構(gòu)成的復(fù)合防滲體系［16］;加拿大的Manic-Ⅲ黏土心墻土石壩，河床沖積層主要由細(xì)砂、卵石、塊石構(gòu)成，最深處達(dá)130 m，河床的壩基防滲系統(tǒng)由混凝土防滲墻、上游水平鋪蓋、上游圍堰混凝土防滲墻構(gòu)成。國(guó)內(nèi)，建于420余m深覆蓋層上的冶勒水電站，壩基左岸采用墻幕聯(lián)合防滲，河床壩段采用封閉式混凝土防滲墻，右壩肩在2層共140 m深的混凝土防滲墻下再設(shè)置60 m深的灌漿帷幕，墻幕搭接處長(zhǎng)25 m，總防滲深度約為200 m，創(chuàng)造性地采用雙層接力措施保證了防滲墻的施工質(zhì)量［17］。瀘定水電站壩基覆蓋層厚達(dá)148 m，地層為砂卵石層，粒徑較大，含有大的孤石、漂石以及膠結(jié)地層，主河床段采用“110 m深懸掛式防滲墻+墻下2排帷幕灌漿”的基礎(chǔ)滲控措施，且下游設(shè)有反濾層以確保大壩的運(yùn)行安全，其防滲墻施工過程采用了如接頭孔技術(shù)、黏土泥漿結(jié)合NMH正電膠泥漿的固壁技術(shù)、排渣管技術(shù)等諸多新技術(shù)和工藝［18-19］。新疆下坂地瀝青混凝土心墻堆石壩壩基覆蓋層厚度達(dá)148 m，透水性強(qiáng)，極易坍塌和漏漿且塊石堅(jiān)硬，防滲處理難度大。該工程采用了大深度混凝土防滲墻下接帷幕灌漿的墻幕結(jié)合防滲形式，即在大壩心墻下設(shè)置深85 m的混凝土防滲墻，墻底部再接4排66 m深的灌漿帷幕直達(dá)基巖徹底截?cái)喔采w層，墻幕搭接長(zhǎng)度為10 m［14］。壩基覆蓋層厚達(dá)80余m的小浪底工程，壩基采用80 m混凝土防滲墻聯(lián)合水庫(kù)淤沙形成的天然水平鋪蓋，構(gòu)成水平防滲與垂直防滲相結(jié)合的聯(lián)合防滲體系，防滲墻與巖體接觸的部位以及倒懸的陡壁處均進(jìn)行了高噴連接。同時(shí)，采用了兩鉆一抓、平板式接頭、夾砂層特殊處理工藝、GIN灌漿法和穩(wěn)定漿液法等多項(xiàng)基礎(chǔ)處理新技術(shù)［20］。瀑布溝礫石土心墻堆土石壩坐落在深覆蓋層上［21］，覆蓋層深近80 m，孤石量超過70%，架空現(xiàn)象明顯，防滲處理采用2道間隔12 m的高強(qiáng)度、低彈模防滲墻，下接帷幕灌漿，心墻與壩基混凝土防滲墻采用“單墻廊道式+單墻插入式”連接，并采用定向聚能爆破，用鉆頭重砸法處理孤、漂石。尼山水庫(kù)大壩采用剛、塑性混凝土防滲墻與水泥灌漿帷幕聯(lián)合方案處理強(qiáng)透水層礫質(zhì)粗砂和巖溶型灰?guī)r，解決了壩基滲透變形、壩前階地塌坑和壩后沼澤化等難題［22］。小灣水電站的上游圍堰工程，選用了混凝土防滲墻和5排帷幕灌漿的組合形式進(jìn)行防滲［23］。隨著反濾層保護(hù)滲流出口理念的逐步受重視，深覆蓋層地基的滲流控制也有了一些新嘗試。有許多工程防滲處理后下部基巖不再進(jìn)行灌漿處理，如地基砂礫石厚44 m的密云水庫(kù)白河主壩、地基砂礫石厚34 m的碧口土石壩和地基砂礫石層厚80 m的黃河小浪底堆石壩，在用防滲墻防滲后下部基巖均未作灌漿防滲，運(yùn)行情況良好［24］。

3 數(shù)值計(jì)算分析

電網(wǎng)絡(luò)模擬等技術(shù)是20世紀(jì)50年代和60年代前期分析地下水滲流問題的主要手段，在60年代后期，計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入使得有限差分法、有限單元法、邊界元法、有限積分法等數(shù)值模擬技術(shù)在滲流控制領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

垂直防滲方面，許多學(xué)者從防滲墻深度、鋪蓋長(zhǎng)度和覆蓋層滲透性等角度開展了深厚覆蓋層上土石壩的滲流控制優(yōu)化研究。白勇等［6，25-27］指出:滲透系數(shù)較大的壩基覆蓋層是大壩滲流的主要通道;封閉式防滲墻最能取得有效的防滲效果;懸掛式防滲墻的深度取覆蓋層厚度的70%較為合理;僅憑鋪蓋無法有效控制壩基滲流，覆蓋層的滲透系數(shù)和滲透各向異性對(duì)壩基和大壩滲流場(chǎng)均有一定影響。蔡元奇等［28］對(duì)采用倒懸掛式防滲墻的堆石壩進(jìn)行滲流場(chǎng)分析，指出滲流及滲流量主要由未封閉的覆蓋層控制，下游壩底的反濾層和排水很重要，增大防滲墻的深度可減小其底部局部區(qū)域的水力坡降，且覆蓋層的滲透系數(shù)對(duì)壩基滲流影響顯著。孫明權(quán)等［29］對(duì)巴底水電站壩址區(qū)深覆蓋層的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，指出在覆蓋層地基內(nèi)采用混凝土防滲墻應(yīng)盡量增大防滲墻深度，并應(yīng)結(jié)合帷幕灌漿封堵防滲墻不能達(dá)到的深度，最大坡降和滲流量均隨防滲墻深度和厚度的增大而降低。沈振中等［30］針對(duì)建于47 m深覆蓋層上的察汗烏蘇混凝土面板砂礫石壩，建立了模擬其防滲墻、帷幕、不同排水布置方案下的三維有限元模型，論證了所設(shè)計(jì)防滲排水系統(tǒng)的有效性，分析穩(wěn)定滲流期壩區(qū)滲流場(chǎng)，研究其周邊縫和面板縫部分止水失效后滲漏水對(duì)大壩滲流場(chǎng)的影響，優(yōu)化了防滲體系。Xu等［31］針對(duì)斜卡混凝土面板堆石壩，建立了三維有限元模型，計(jì)算分析了壩體、壩基和兩岸巖體的滲流特性，指出由防滲帷幕、防滲墻、連接板、趾板和面板等構(gòu)成的防滲體系可以顯著改善壩體和壩基的滲流特性，再結(jié)合兩岸向山體延伸約100 m的防滲帷幕，可與大壩防滲體形成一套完整的防滲體系。

水平防滲方面，袁瑩等［32］基于邊界元法分析土石壩的鋪蓋長(zhǎng)度對(duì)無限深透水地基滲流的影響，指出壩基滲漏量呈拋物線分布且與鋪蓋長(zhǎng)度成反比，當(dāng)鋪蓋長(zhǎng)度超過最優(yōu)值后不再顯著影響壩基滲流特性;無限深透水地基上的低、中、高土石壩的鋪蓋長(zhǎng)度可分別取25～28倍的上游水頭、28～30倍的上游水頭及30倍的上游水頭。陳亮亮［33］針對(duì)難以確定無限深地基上水平鋪蓋防滲計(jì)算邊界的問題，基于直接邊界元法的基本原理，通過假設(shè)某一深度的邊界確定計(jì)算模型，若計(jì)算值與真實(shí)值相符則假定邊界即為實(shí)際邊界;并且用直接邊界元法得到了無限深透水地基上土石壩水平鋪蓋長(zhǎng)度與壩基滲流特性的相互關(guān)系。徐毅［34］用液限紅黏土模擬實(shí)際工程中的微透水土工膜進(jìn)行模型試驗(yàn)，并與基于geoslope軟件的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出水平鋪蓋的最優(yōu)長(zhǎng)度是壩前水深的26～30倍。沈振中等［35］采用非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流理論和Galerkin有限元法建立三維有限元模型，對(duì)復(fù)合土工膜缺陷滲漏量室內(nèi)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了飽和-非飽和滲流方法可以有效模擬復(fù)合土工膜缺陷滲流場(chǎng)和計(jì)算缺陷滲流量。

近年來，防滲墻應(yīng)力變形等方面的研究也頗見成效。溫立峰等［36］采用三維有限元方法研究深厚覆蓋層上面板壩防滲墻應(yīng)力變形性狀，指出防滲墻的應(yīng)力與變形不易受分期筑壩影響，而竣工期的防滲墻受筑壩速度影響較大;且施工順序?qū)Ψ罎B墻應(yīng)力變形有明顯影響，較晚施工防滲墻可以改善其應(yīng)力變形狀態(tài)。崔娟等［37］分析了深厚覆蓋層上采用2道混凝土防滲墻的壩體和防滲墻的應(yīng)力及變形，指出防滲墻和壩體接觸區(qū)應(yīng)力復(fù)雜，應(yīng)采用彈性模量較低的填料，在滿足防滲要求前提下，防滲墻插入心墻的深度應(yīng)盡量小。龐瓊等［38］指出深覆蓋層中的垂直防滲體相當(dāng)于彈性地基上的薄板，降低墻體的彈性模量和強(qiáng)度比值可改善墻體的應(yīng)力狀態(tài)，且防滲體上部與壩體的接縫質(zhì)量對(duì)墻體質(zhì)量影響顯著。溫續(xù)余等［39］通過數(shù)值計(jì)算分析了壩基防滲墻與趾板的不同連接方式，指出柔性連接形式較好，同時(shí)應(yīng)注意防滲墻與連接板之間的沉降差異處理及連接板長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。邱乾勇等［40］針對(duì)某深厚覆蓋層上的高混凝土面板堆石壩工程，采用非線性有限元方法比較分析了趾板分別置于基巖上和覆蓋層上面板的變形、應(yīng)力分布以及各個(gè)接縫的變形，指出將趾板建于挖除覆蓋層后的基巖上有利于面板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和減小各個(gè)接縫的變形。

目前，墻幕結(jié)合防滲技術(shù)尚無規(guī)范可循，仍依靠常規(guī)防滲墻與帷幕灌漿各自的技術(shù)規(guī)范來設(shè)計(jì)和施工。但已有學(xué)者就防滲墻最優(yōu)深度及墻幕搭接技術(shù)等問題進(jìn)行了探索。燕喬等［23］對(duì)墻幕結(jié)合技術(shù)中如墻幕深度與經(jīng)濟(jì)性的組合、墻幕搭接技術(shù)、墻內(nèi)預(yù)埋管及墻下帷幕灌漿等關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析;指出墻幕深度與經(jīng)濟(jì)性的組合需綜合技術(shù)、進(jìn)度與投資等因素，且應(yīng)盡量加大上部防滲墻深度以保證防滲效果，墻幕搭接長(zhǎng)度推薦取10 m。付巍［41］基于新疆下坂地水庫(kù)工程，分析了深厚砂礫石地基上墻幕結(jié)合防滲體的深度變化對(duì)壩基滲流的影響，指出墻幕結(jié)合方案中防滲墻存在一個(gè)最優(yōu)深度值。吳洪波［42］通過瀘定水電站的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了墻幕聯(lián)合防滲方案的關(guān)鍵問題，總結(jié)出防滲性能優(yōu)越且與地層條件相適應(yīng)的防滲技術(shù)及相關(guān)的施工工藝，突破傳統(tǒng)采用了2 m幕墻搭接長(zhǎng)度，并給出了墻幕搭接長(zhǎng)度與帷幕厚度、帷幕垂直和水平方向水頭損失比之間的關(guān)系式。許小東［43］基于加權(quán)重多目標(biāo)函數(shù)法進(jìn)行了防滲體結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化研究，并對(duì)不同搭接長(zhǎng)度下防滲體系的受力和位移進(jìn)行有限元數(shù)值模擬以及敏感性分析，得到了優(yōu)化搭接長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

4 工程實(shí)例

4.1 斯木塔斯水電站工程

斯木塔斯水電站工程位于阿克牙孜河出山口的峽谷河段，主壩和副壩均為混凝土面板砂礫石壩，主壩最大壩高106.00m，副壩最大壩高14.10m。壩址上游沿河發(fā)育基座階地，左岸Ⅴ級(jí)階地以下分布有3條古河槽，由上游至下游分別為3號(hào)、2號(hào)和1號(hào)古河槽。3號(hào)古河槽距峽谷進(jìn)口1.5 km，進(jìn)口寬約250 m;2號(hào)古河槽進(jìn)口距峽谷進(jìn)口約700 m，進(jìn)口寬約200 m;1號(hào)古河槽進(jìn)口在峽谷進(jìn)口上游80 m處，進(jìn)口寬約250 m。1號(hào)古河槽地形較平緩，覆蓋層厚度為35～70 m，表層為厚3～8 m的風(fēng)積黃土層。峽谷段出口兩岸為Ⅱ級(jí)階地，河谷較開闊，高程較低。

根據(jù)地形和工程地質(zhì)條件，建立了工程左岸(包括古河槽、副壩)的三維有限元模型，進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算分析，研究在正常蓄水工況下左岸的滲流場(chǎng)特性，分析古河槽、副壩滲流場(chǎng)的滲透穩(wěn)定性以及滲流量。副壩前1號(hào)古河槽進(jìn)口處增設(shè)黏土鋪蓋或混凝土面板等防滲設(shè)施，對(duì)降低副壩下游地下水位、改善壩體和壩基的滲透穩(wěn)定性、減少滲流量有明顯作用，副壩及壩基浸潤(rùn)面示意圖見圖1。2號(hào)和3號(hào)古河槽最大滲透坡降出現(xiàn)在古河槽進(jìn)口、水庫(kù)上游坡表層黃土鋪蓋內(nèi)的浸潤(rùn)面附近，1號(hào)古河槽進(jìn)口不同處理方式對(duì)2號(hào)、3號(hào)古河槽黃土層最大滲透坡降以及出口滲透坡降有影響，但影響不大。3號(hào)古河槽滲徑較長(zhǎng)，其出口滲透坡降小于2號(hào)古河槽出口滲透坡降;在正常蓄水工況下，2號(hào)、3號(hào)古河槽最大滲透坡降和出口滲透坡降均小于其相應(yīng)土體的允許滲透坡降，滿足古河槽滲透穩(wěn)定的要求?？紤]壩基黃土的強(qiáng)濕陷性，處理后可以改善副壩壩基的滲透穩(wěn)定性，減少滲流量;僅采用天然表層黃土進(jìn)行防滲的方案，不能滿足古河槽砂卵礫石層滲透穩(wěn)定的要求，需要增設(shè)黏土鋪蓋或混凝土面板。綜合分析，副壩前1號(hào)古河槽進(jìn)口處采用混凝土面板方案。此時(shí)，1號(hào)古河槽砂卵礫石層的最大滲透坡降為0.1012，2號(hào)和3號(hào)古河槽出口的最大滲透坡降分別為0.0389和0.0321，3條古河槽總滲透流量為670萬m3/a，可以滿足要求。

圖1 斯木塔斯水電站工程副壩及壩基浸潤(rùn)面示意圖

4.2 多布水電站工程

多布水電站位于西藏林芝地區(qū)的尼洋河干流上，樞紐從右至左依次布置有攔河壩、泄洪閘、發(fā)電廠房、左岸副壩等建筑物。攔河壩采用土工膜防滲砂礫石壩，與上游圍堰結(jié)合，最大壩高28.00 m。左岸臺(tái)地覆蓋層厚180～360m;河床覆蓋層左深右淺，厚度一般為60～180 m，左岸最厚200 m左右。壩址區(qū)覆蓋層主要以中等透水土體為主，表部第2層(Q4al-sgr2)含漂石砂卵礫石層為強(qiáng)透水土體，中下部的第8層(Q3al-Ⅱ)、第12層(Q2fgl-Ⅲ)及以下土體為弱透水土體。砂礫石壩采用土工膜防滲，壩基采用混凝土防滲墻防滲(防滲墻深入覆蓋層的底高程為3022.00m)，左岸防滲墻延伸長(zhǎng)度130m，右岸防滲帷幕延伸長(zhǎng)度175m。該工程防滲方案示意圖見圖2。

圖2 多布水電站工程防滲方案示意圖

采用三維有限元方法，建立了樞紐區(qū)的三維有限元模型，計(jì)算分析了左岸防滲墻、右岸防滲帷幕以及壩基防滲墻不同布置方案的滲流場(chǎng)，分析壩體和壩基主要分區(qū)的滲透坡降，評(píng)價(jià)壩址區(qū)防滲系統(tǒng)布置方案的合理性，提出防滲系統(tǒng)優(yōu)化布置方案。計(jì)算結(jié)果表明:防滲墻底高程在覆蓋層Q3al-Ⅱ?qū)禹斆嬉韵聲r(shí)，其深度對(duì)壩體和壩基滲流場(chǎng)性態(tài)影響不大，考慮到此時(shí)防滲墻底端與土體的接觸滲透坡降會(huì)較大，建議壩基防滲墻深入至Q3al-Ⅱ地層頂面以下3～5 m。隨著左岸防滲墻延伸長(zhǎng)度的增加，各部分的滲透流量和總滲透流量均減小，但減小的幅度不大。隨著右岸防滲帷幕布置長(zhǎng)度的減小，右岸山體的滲透流量增加較明顯，水平布置長(zhǎng)度為115 m時(shí)右岸山體滲透流量與河流徑流量相比所占比例很小。綜合分析得出，建議混凝土防滲墻深入Q3al-Ⅱ地層頂面以下3～5m;左岸混凝土防滲墻延伸長(zhǎng)度可縮短至60m(左岸混凝土防滲墻底部不進(jìn)行削坡處理);右岸防滲帷幕向右壩肩布置長(zhǎng)度取115 m，其垂直深度布置在右岸山體弱卸荷帶以下15m左右。

4.3 老虎嘴水電站工程

老虎嘴水電站工程位于西藏東南部的巴河干流上，樞紐從右岸到左岸依次為引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸副壩、溢流壩段、泄洪洞、左岸副壩等建筑物。壩址左岸基巖孤島左側(cè)分布有古河槽，且基巖孤島的上游和下游均存在較大規(guī)模的沖溝，覆蓋層深度為60～140 m，最深處為206 m。覆蓋層由三大巖組構(gòu)成，Ⅰ巖組為含漂塊石砂卵礫石層，Ⅱ巖組為塊碎石土，Ⅲ巖組為含粉土中細(xì)砂層。所以，左岸壩基及繞壩滲漏問題是該工程的重點(diǎn)問題，滲流控制方案采用懸掛式混凝土防滲墻，其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為300 m，最大深度為80 m，采用連接板柔性接頭與左岸混凝土副壩連接。左壩段基巖設(shè)置防滲帷幕，與防滲墻構(gòu)成左岸壩基和壩肩的完整防滲系統(tǒng)。左岸壩基和壩肩防滲方案見圖3。

圖3 老虎嘴水電站工程左岸壩基和壩肩防滲方案示意圖

根據(jù)左岸地質(zhì)條件，建立了能夠反映左岸主要地質(zhì)構(gòu)造和壩基面幾何形狀的三維有限元模型，分析左岸壩基和壩肩的滲流特性，對(duì)懸掛式混凝土防滲墻的長(zhǎng)度、左端深度進(jìn)行優(yōu)化，選擇滿足滲流控制要求且面積最小的防滲墻布置方案［44］。計(jì)算分析表明，由于左下部防滲墻的作用較弱且離河床較遠(yuǎn)，因此，部分取消左下部防滲墻對(duì)地下水位、滲透流量的影響較小;Ⅱ巖組砂卵礫石的最大滲透坡降出現(xiàn)在離防滲墻較遠(yuǎn)的沿河谷岸坡內(nèi)。下游出逸面離防滲墻較遠(yuǎn)，最大滲透坡降基本上只與河谷岸坡的材料特性和幾何特性有關(guān);防滲墻底部起坡點(diǎn)位置對(duì)滲透坡降的影響較大，大于防滲墻左端部深度對(duì)滲透坡降的影響，防滲墻起坡點(diǎn)位置不宜小于壩左0+240 m;防滲墻的長(zhǎng)度不宜減小，即取設(shè)計(jì)長(zhǎng)度300 m。不同的防滲墻左端部深度(20 m與40 m)對(duì)滲透坡降影響較小，由于地質(zhì)、水文等資料可能不完整，所建立的數(shù)值分析模型與實(shí)際物理模型存在偏差，因此，為安全考慮，建議防滲墻左端部深度取40 m?；炷练罎B墻建議布置方案示意圖見圖4。

圖4 老虎嘴水電站工程混凝土防滲墻建議布置方案示意圖 (單位:m)

5 結(jié)語(yǔ)及展望

深厚覆蓋層壩基的防滲控制方案，應(yīng)根據(jù)具體工程的地形地質(zhì)條件、工程施工難度、環(huán)境影響以及投資造價(jià)等因素綜合決定。以往較側(cè)重于施工技術(shù)方面的研究，今后的工作重點(diǎn)應(yīng)是運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等手段深入分析各個(gè)典型工程的防滲機(jī)制，探索成熟的深厚覆蓋層地基滲流控制措施和指導(dǎo)性規(guī)范。

a．深覆蓋層在80 m內(nèi)可選擇混凝土防滲墻，大于80 m時(shí)可考慮采用墻幕結(jié)合方案。防滲墻的造價(jià)與功效仍受深度的影響顯著，超大深度防滲墻的施工技術(shù)和管理水平還不能完全滿足深厚覆蓋層上工程建設(shè)的需求。何種條件下可以采用低彈性模量塑性混凝土防滲墻，防滲墻底部存渣厚度對(duì)其應(yīng)力的影響程度，不同連接形式防滲墻的頂部結(jié)構(gòu)性態(tài)以及防滲墻是否需要配筋等問題均有待進(jìn)一步研究。

b．水平防滲措施運(yùn)行維護(hù)難度大，運(yùn)行后因基礎(chǔ)變形易引起裂縫、塌坑、不均勻沉降等問題，在應(yīng)用于復(fù)雜地層上的高壩工程時(shí)，應(yīng)該慎重考慮。但當(dāng)庫(kù)區(qū)地形有利，存在較厚壩前淤積物的天然鋪蓋時(shí)可予以考慮。

c．墻幕結(jié)合的防滲技術(shù)還存在諸多不足，如作為防滲薄弱環(huán)節(jié)的墻幕搭接長(zhǎng)度問題，防滲墻合理深度的確定問題均沒有統(tǒng)一的解決辦法，缺乏針對(duì)性的計(jì)算分析，此外，復(fù)雜地基的墻外鉆孔仍存在困難。

d．在深覆蓋層上混凝土面板堆石壩的整個(gè)防滲體系設(shè)計(jì)中，防滲墻和趾板的結(jié)構(gòu)、材料以及各個(gè)接縫的結(jié)構(gòu)、止水材料均十分關(guān)鍵。高性能接縫止水材料和高性能、低彈?；炷敛牧系牟捎脤⑹墙窈笱芯康臒狳c(diǎn)。

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