謝紅英，王達(dá)會，張連明

(1.四川準(zhǔn)達(dá)巖土工程有限責(zé)任公司，四川成都610072;2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都610072)

1 概述

自防滲墻問世以來，由于混凝土防滲墻的建設(shè)速度快、防滲可靠及較經(jīng)濟(jì)等因素，已逐漸成為深厚覆蓋層防滲處理的重要手段，在水利水電工程建設(shè)中被廣泛采用。

筆者以毛爾蓋水電站為工程背景，探討了深厚覆蓋層中混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)型式。

2 工程概況

毛爾蓋水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內(nèi)，是黑水河干流水電規(guī)劃“二庫五級”開發(fā)方案的第三個梯級電站，為以發(fā)電為主、兼顧與紫坪鋪水利樞紐一道向成都、都江堰灌區(qū)供水的綜合性工程。電站設(shè)計裝機(jī)容量為420 MW，年發(fā)電量17.17×109kW·h。大壩正常蓄水位高程2 133 m，正常蓄水位以下相應(yīng)庫容為5.35億m3，調(diào)節(jié)庫容4.44億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。

毛爾蓋水電站大壩為礫石土直心墻堆石壩，最大壩高147 m，壩頂寬12 m，壩頂長約470 m。壩址區(qū)河床覆蓋層厚30～50 m。根據(jù)其物質(zhì)組成，從下至上、由老至新總體可分為6層:

第①層:沖、洪積堆積(Q3al+pl)灰色含漂沙卵礫石夾土層。分布于河床谷底，結(jié)構(gòu)較密實，具有較高承載力，但透水性強(qiáng)，不均一，需作防滲處理。

第②層:沖積堆積(Q3al)灰黃色含漂卵礫石層。該層結(jié)構(gòu)相對較松散，可作為基礎(chǔ)持力層，但透水性強(qiáng)，不均一，需作防滲處理。

第③層:沖、洪積堆積(Q4al+pl)含漂沙卵礫石夾土層。結(jié)構(gòu)較密實，可作為基礎(chǔ)持力層，但透水性強(qiáng)，不均一，需作防滲處理。

第④層:含漂沙卵礫石(Q4al)和第⑤層沙卵礫石夾粉土(Q4al+pl)層。結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，局部架空，承載力較低，工程特性較差且分布于表淺層，厚度變化也較大，部分予以挖除。

第⑥層:崩坡積塊碎石土(Q4col+dl)層。主要分布于左岸坡角，該層以塊碎石為主，塊徑大小懸殊，多呈棱角狀，土為灰～黃灰色粉土，結(jié)構(gòu)松散，局部架空，工程特性極差，予以全部挖除。

壩基河床覆蓋層以粗粒土為主，總體屬中等至強(qiáng)透水層，其中②、④層含漂沙卵礫石層滲透系數(shù)大值平均值為1.83×10－1cm/s，屬強(qiáng)透水層，滲透破壞型式為管涌，第①、③層為含漂含土沙卵礫石層，透水性相對較弱，滲透系數(shù)大值平均值為2.26×10－2cm/s，屬中等透水層，滲透破壞型式為管涌。

河床覆蓋層下伏基巖的強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體屬強(qiáng)透水;弱卸荷、弱風(fēng)化上段巖體壓水試驗透水率大值平均值為19.8 Lu，屬中等透水;弱風(fēng)化下段巖體透水率大值平均為14.6 Lu，總體可視為弱透水。因工程地質(zhì)條件復(fù)雜，河床覆蓋層深厚，滲透性強(qiáng)，因此，防滲成為該工程關(guān)鍵問題之一。

3 防滲墻結(jié)構(gòu)型式研究

土石壩常建在深厚覆蓋層地基上，對覆蓋層的防滲采用混凝土防滲墻技術(shù)在國內(nèi)外已運(yùn)用多年，有許多成功經(jīng)驗，如瀑布溝、長河壩、獅子坪、蹺磧等堆石壩工程，覆蓋層均深達(dá)60～70 m，如表1所示。

表1 四座水電站深厚覆蓋層防滲墻形式表

壩基混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計包括防滲墻道數(shù)、墻體厚度、與心墻的連接型式以及墻底插入基巖深度等。

3.1 防滲墻厚度

防滲墻厚度的確定主要考慮墻體的應(yīng)力、混凝土的耐久性、滲透坡降、現(xiàn)有造孔機(jī)械設(shè)備能力和施工技術(shù)水平等因素。

考慮到不同防滲墻道數(shù)和防滲墻厚度對墻體應(yīng)力變形規(guī)律的影響，采用鄧肯-張非線性彈性E-ν模型和橢圓-拋物雙屈服面彈塑性模型，擬定了以下5個方案，對毛爾蓋水電站心墻堆石壩進(jìn)行了三維有限元應(yīng)力變形計算分析。在力學(xué)性質(zhì)相差較大的材料之間，如混凝土防滲墻和覆蓋層，防滲墻和接觸粘土，混凝土廊道和接觸粘土等位置均設(shè)置了接觸面單元。在心墻下部的混凝土蓋板和接觸粘土之間可能有不協(xié)調(diào)的錯動位移發(fā)生，故也設(shè)置了接觸面單元。接觸面單元采用了Goodman單元。計算采用分級加荷對大壩施工逐級加荷及蓄水過程進(jìn)行了模擬。

不同防滲墻數(shù)和不同墻厚計算成果列于表2。方案2:1.5 m墻厚，一道墻;方案3:1.2 m墻厚，兩道墻;方案4:1 m墻厚，一道墻;方案5:1.4 m墻厚，一道墻。

表2 不同防滲墻數(shù)和不同墻厚計算成果表

從表2成果可見，不同防滲墻道數(shù)和防滲墻厚度對壩體的變形應(yīng)力影響很小，其主要對混凝土結(jié)構(gòu)本身有較大影響。兩道墻和一道墻以及墻體厚度不同的方案中的壩體的應(yīng)力和變形規(guī)律幾乎一致。采用一道墻方案，壩體變形比兩道墻方案略有增加，所以河谷段心墻大主應(yīng)力有所減少，但幅度不大?？梢哉J(rèn)為墻體的變化對壩體的應(yīng)力變形影響不大。比較相同一道墻方案和相同兩道墻方案中相同墻道數(shù)，墻厚對壩體的影響可以忽略不計。一道墻方案計算得出的壩體變形比兩道墻略大。

無論是一道墻還是兩道墻方案，墻體厚度都不宜太薄，雙墻方案在墻厚1～1.2 m變化，其墻體最大壓應(yīng)力近33 MPa，拉應(yīng)力變化不大，均在2 MPa以內(nèi)。單墻方案墻厚自1～1.5 m變化，1 m墻厚方案的壓應(yīng)力最大，達(dá)36.5 MPa;1.5 m墻厚方案最小，為27.1 MPa，兩者相差近10 MPa。在條件許可的前提下，墻體越厚，對改善混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形越有利。

在能保證防滲功能和墻體安全的前提下，可以考慮采用一定厚度的單墻方案:在三種單墻方案中，1.4 m墻厚的應(yīng)力變形規(guī)律介于1 m和1.5 m墻厚之間，并且和1.2 m墻厚的雙墻相比，其壩體應(yīng)力變形基本變化不大，廊道和防滲墻的大主應(yīng)力有所增加，但增加幅度有限。

總體來說，單墻方案中，墻厚1.5 m方案的墻體應(yīng)力變形最小。但墻體厚度太厚，施工難度增大;單墻1.4 m方案的墻體應(yīng)力變形略高于1.2 m厚度的雙墻方案。雖然墻厚略有增加，但只有一道墻，從而減小了施工工作量。

3.2 廊道結(jié)構(gòu)型式

廊道外輪廓采用拋物線型，不僅可以減少傳給下部混凝土防滲墻的荷載，還可以改善交界面處心墻的應(yīng)力和變形，在廊道頂部設(shè)接觸粘土，可以增強(qiáng)該處抗?jié)B變形能力，減少壩體傳給廊道的壓力，以改善防滲墻的應(yīng)力。廊道為方圓型，內(nèi)部尺寸為3.5 m×4 m(寬×高)，滿足在廊道內(nèi)進(jìn)行帷幕灌漿的尺寸要求。為減少廊道與心墻接觸部位的水力坡降，在廊道上下游鋪設(shè)了復(fù)合土工膜。

3.3 接觸粘土的設(shè)置

為了改善防滲墻的應(yīng)力狀況，提高灌漿廊道與心墻接觸面的抗?jié)B透變形能力，在廊道兩側(cè)及頂部填筑接觸粘土。

為了分析接觸粘土參數(shù)對防滲墻應(yīng)力影響的敏感性，以表3中M1方案為基礎(chǔ)，將該方案中的接觸粘土料參數(shù)用表4中不同密度的參數(shù)代替，定為方案M1、M2、M3。

表3 接觸粘土對防滲墻主要應(yīng)力變形的影響表

表4 接觸粘土料不同密度的鄧肯模型參數(shù)表

從計算成果看，M2方案中的K值較小，防滲墻沉降比其它兩種方案有一定的減小，順河向水平位移有所增加，防滲墻上下游面的最大豎向應(yīng)力比其它兩個方案降低;考慮其原因，應(yīng)為該接觸粘土比其它兩方案的稍軟，傳給防滲墻的豎向力比其它兩方案有一定減小，但在水荷載作用下，由下游接觸粘土對廊道提供的支撐力相應(yīng)也小些，故水平位移比其它兩方案稍大。對于M1和M3方案，雖然M3方案的鄧肯-張參數(shù)的K比M1的大，但M3方案中的n值比M1方案的小，故總體差別不算大。總體來說，兩方案防滲墻的主要應(yīng)力和變形值及其分布規(guī)律相差不大。

3.4 防滲墻與心墻的連接型式

深厚覆蓋層中防滲墻與土石壩防滲體的連接往往是大壩防滲體系的關(guān)鍵因素，也是防滲的薄弱環(huán)節(jié)，對防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)和安全具有決定性的影響，對土質(zhì)防滲體底部的應(yīng)力和防滲性能也有重要影響。借鑒我院瀑布溝、獅子坪等工程的設(shè)計經(jīng)驗，毛爾蓋工程采用頂部設(shè)置灌漿廊道與防滲心墻連接的型式。廊道連接型式的最大優(yōu)點是廊道設(shè)置在防滲墻頂端，廊道沉降小，并且方便墻底基巖帷幕灌漿施工，不占直線工期，同時也具有大壩運(yùn)行后防滲系統(tǒng)出現(xiàn)異常破壞時的補(bǔ)救條件，從而增強(qiáng)了防滲系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障;缺點是防滲墻不僅僅承受墻體兩側(cè)土體沉降產(chǎn)生的下拽力，而且還要分擔(dān)廊道傳下來的壩體荷載，因此，防滲墻內(nèi)應(yīng)力較高。防滲墻與廊道之間宜采用剛性連接，以保證止水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

防滲墻頂端接頭形式計算成果見表5，表中方案A在防滲墻與廊道連接的防滲墻頂部做成倒梯形;方案B在防滲墻頂未采用倒梯形混凝土接頭。方案B中的防滲墻與廊道間不設(shè)置倒梯形接頭，采用直接相連，對壩體和混凝土結(jié)構(gòu)的影響都很小，這是因為采用的是1.4 m墻厚，已經(jīng)能從一定程度上避免因接頭部分太小而引起的廊道底部拉應(yīng)力或剪應(yīng)力過大;方案A可以減輕由于接頭部分太小而導(dǎo)致廊道底板拉應(yīng)力或剪應(yīng)力太大。防滲墻結(jié)構(gòu)形式見圖1。

表5 防滲墻頂端接頭形式計算成果表

圖1 毛爾蓋水電站防滲墻結(jié)構(gòu)圖

毛爾蓋水電站自2008年2月項目核準(zhǔn)正式開工建設(shè)，2011年3月20日電站提前8個月實現(xiàn)導(dǎo)流洞汛前下閘蓄水目標(biāo)。截止目前，各水工建筑物運(yùn)行正常。工程在建設(shè)期間經(jīng)歷了汶川“5.12”大地震，克服了諸多困難因素的影響，仍然實現(xiàn)了提前下閘蓄水的目標(biāo)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

4 結(jié)論及建議

通過對不同方案進(jìn)行計算分析，可得到以下結(jié)論與建議:

(1)不同防滲墻道數(shù)和防滲墻厚度對壩體的變形應(yīng)力影響很小，其主要對混凝土結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力變形規(guī)律有較大影響。在能夠保證防滲功能的前提下，可以考慮采用1.3～1.5 m墻厚的單墻方案。毛爾蓋水電站大壩壩高147 m，上下游水位差約140 m，而一般防滲墻混凝土允許坡降為100左右。為了更好地處理基礎(chǔ)防滲問題，壩基覆蓋層防滲采用一道厚1.4 m的混凝土防滲墻，該防滲墻布置在壩軸線平面內(nèi)，與心墻及墻底帷幕灌漿共同構(gòu)成防滲面。大壩防滲墻由兩道優(yōu)化為一道，厚1.4 m，開創(chuàng)了國內(nèi)壩基防滲墻設(shè)計施工的先河。

(2)毛爾蓋水電站大壩防滲墻廊道連接型式采用廊道高出混凝土防滲墻底面6.5 m、剛性倒梯形接頭。

(3)防滲墻墻底嵌入基巖0.8～1.5 m，墻底設(shè)灌漿帷幕，同時在墻頂設(shè)置觀測、灌漿廊道，廊道尺寸為3.5 m×4 m，廊道周圍鋪設(shè)接觸粘土，廊道頂部接觸粘土厚5 m。