深厚覆蓋層上高面板壩建基條件及防滲設(shè)計(jì)綜述

深厚覆蓋層上高面板壩建基條件及防滲設(shè)計(jì)綜述李國英;苗喆;米占寬【摘要】覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩具有簡化施工導(dǎo)流、縮短工期和節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，但這類工程大壩防滲系統(tǒng)復(fù)雜，防滲系統(tǒng)的應(yīng)力和變形控制是工程的關(guān)鍵.隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的發(fā)展，我國相繼建成了那蘭、察汗烏蘇、九甸峽、苗家壩、老渡口等多個(gè)百米級(jí)趾板位于覆蓋層上的高面板堆石壩，并有多座百米級(jí)深厚覆蓋層上高面板壩處于在建和待建狀態(tài).覆蓋層上高面板壩防滲系統(tǒng)應(yīng)力變形特性與覆蓋層的力學(xué)特性及防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系密切，結(jié)合已建和在建的工程資料和研究成果，對(duì)覆蓋層上高面板壩的建基條件和防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒，并為這一壩型的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支撐.總結(jié)分析結(jié)果表明，如果河床覆蓋層變形模量達(dá)到40MPa以上，覆蓋層上百米級(jí)至150m級(jí)面板壩防滲系統(tǒng)的強(qiáng)度和變形能夠滿足要求.【期刊名稱】《水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2014(000)004【總頁數(shù)】6頁(P1-6)【關(guān)鍵詞】覆蓋層;承載力;面板堆石壩;防滲設(shè)計(jì)【作者】李國英;苗喆;米占寬【作者單位】南京水利科學(xué)研究院水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029;中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065浦京水利科學(xué)研究院水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029【正文語種】中文［中圖分類】TV223水利水電工程建設(shè)中,壩址河床存在深厚覆蓋層的情況下，在覆蓋層上直接建壩無疑對(duì)節(jié)省工程投資和縮短工期非常有利，但前提是覆蓋層具有良好的力學(xué)性能,大壩防滲系統(tǒng)能夠適應(yīng)強(qiáng)度和變形的要求。自20世紀(jì)30年代起，國外就開始在覆蓋層上修建混凝土面板堆石壩（見表1）,已建最高的是智利106m的SantaJunan壩［1］。相對(duì)而言，我國覆蓋層上面板堆石壩建設(shè)起步晚，但發(fā)展速度快。1982年我國修建了第一座覆蓋層上的面板壩一一柯柯亞混凝土面板砂礫石壩;20世紀(jì)90年代后，我國陸續(xù)修建了一批趾板建于深覆蓋層上并采用垂直防滲墻防滲的混凝土面板堆石壩工程，但其壩高大都在50m左右。隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)研究的發(fā)展,21世紀(jì)以來我國相繼建成了那蘭、察汗烏蘇、九甸峽、苗家壩、老渡口等多座百米級(jí)趾板位于覆蓋層上的高面板壩，并有多個(gè)工程處于在建或待建狀態(tài)。深厚覆蓋層上面板壩安全主要體現(xiàn)在壩體與壩基防滲系統(tǒng)的可靠性。防滲系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性除與覆蓋層厚度、壩高等因素有關(guān)外，與覆蓋層本身的力學(xué)特性及防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也密切相關(guān)［2-3］。掌握覆蓋層的工程特性是對(duì)覆蓋層地基上建壩方案研究的前提，除室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)外,物探技術(shù)［4］、現(xiàn)場載荷試驗(yàn)［5］、原位大型旁壓試驗(yàn)［6］等方法也在覆蓋層力學(xué)參數(shù)研究中得到應(yīng)用。對(duì)于已建工程，結(jié)合大壩變形監(jiān)測資料進(jìn)行反饋分析也是研究覆蓋層模型參數(shù)的一種途徑［7］。防滲系統(tǒng)滿足強(qiáng)度與變形的要求是覆蓋層上面板壩安全的關(guān)鍵，覆蓋層上面板壩發(fā)展過程中,優(yōu)化防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以改善其應(yīng)力變形特性的研究開展得比較多,其中大都著眼于趾板、連接板長度的優(yōu)化或者防滲墻剛度的選擇［8-9］,另有一些學(xué)者則從防滲墻的結(jié)構(gòu)型式著手，研究了圓弧形防滲墻改善墻體應(yīng)力變形的效果［10］。盡管目前我國已建的覆蓋層上百米級(jí)面板壩均處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，并有斜卡、金川等數(shù)個(gè)百米級(jí)高面板壩工程經(jīng)過技術(shù)論證處于在建或待建狀態(tài),但對(duì)于壩高達(dá)150m級(jí)覆蓋層上面板壩建設(shè)的可行性仍有所疑慮。本文基于深厚覆蓋層上已建、在建和待建百米級(jí)高面板壩設(shè)計(jì)研究成果，總結(jié)了大壩的建基條件和防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析了深覆蓋層上建150m級(jí)面板壩的可行性。對(duì)于趾板坐落在覆蓋層上的面板堆石壩，如果河床砂礫石覆蓋層沒有較高的干密度和變形模量，在壩體荷載和水荷載的作用下,壩體及防滲系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的變形。因此覆蓋層良好的工程特性是面板壩建基的必要條件。那蘭、察汗烏蘇、九甸峽、苗家壩等已建的100m級(jí)深覆蓋層上的面板壩工程，覆蓋層都以砂礫料為主，地基有較高的承載力。1.1那蘭水電站面板壩那蘭水電站混凝土面板堆石壩壩高109m,河床趾板及壩體基礎(chǔ)覆蓋層最大深度24.3m。覆蓋層主要為卵礫石夾中細(xì)砂,無連續(xù)和稍厚的夾泥。天然干密度約為2.15g/cm3,混合密度為2.73g/cm3,覆蓋層滲透系數(shù)約為1.4x10-2cm/s。覆蓋層的允許承載力0.5~0.6MPa,變形模量33-45MPa,內(nèi)摩擦角39°。壩基清除表層1-2m雜物及分布較集中的粉細(xì)砂層后，經(jīng)表面碾壓，作為面板堆石壩的壩基。那蘭水電站于2005年12月1日起開始蓄水，至2006年7月3日起,水庫蓄水至正常蓄水位425.00m高程。監(jiān)測資料表明,壩體最大沉降16.5cm,即使考慮漏測因素,壩體變形也不會(huì)太大。面板撓度實(shí)測值為16cm,面板與墊層之間不存在脫空現(xiàn)象，防滲墻由蓄水引起的下游向變形增量為6.5cm,各條接縫變位均在允許范圍內(nèi)。由于覆蓋層厚度相對(duì)不大，且其變形模量較高，所以壩體及防滲系統(tǒng)變形均較小,工程運(yùn)行性狀良好。1.2察汗烏蘇面板壩察汗烏蘇混凝土面板砂礫石壩壩高110m,趾板基礎(chǔ)覆蓋層最大厚度46.7m。覆蓋層劃分為上部、中部、下部3個(gè)大層兩個(gè)巖組，其中上部、下部為含漂砂卵礫石層（I巖組），中部為含礫中粗砂層（H巖組）。上部漂石砂卵礫石層（I巖組）平均厚度19.24m,以漂石砂卵礫石為主局部有大孤石，偶夾厚度不等的含礫中粗砂層（H巖組）透鏡體。漂石砂卵礫石層具有較高的密度及較低的孔隙比，呈中密~密實(shí)狀態(tài)。天然干密度平均2.14g/cm3,相對(duì)密度平均0.85,允許承載力0.5~0.6MPa,變形模量45-55MPa,滲透系數(shù)6.68x10-2cm/s,屬強(qiáng)透水;中部含礫中粗砂層（H巖組）平均厚度5.9m,以中粗砂為主，結(jié)構(gòu)緊密，屬中等密實(shí)~密實(shí)狀態(tài)。天然干密度平均1.86g/cm3,天然狀態(tài)孔隙比平均0.44相對(duì)密度平均0.92,允許承載力0.30~0.35MPa,變形模量30~35MPa,滲透系數(shù)4.27x10-2cm/s,屬強(qiáng)透水;下部漂石砂卵礫石層（I巖組）平均厚度11.18m,以漂石砂卵礫石層為主，結(jié)構(gòu)緊密，屬中等密實(shí)~密實(shí)狀態(tài)，物理性狀與上部砂卵礫石層相近。河床趾板和堆石體基礎(chǔ)在表部清除1~2m雜物后即作為基礎(chǔ),趾板及壩體直接坐落在I巖組含漂砂卵礫石層上,H巖組含礫中粗砂層未作處理。察汗烏蘇水電站從2007年10月31日開始下閘蓄水，到2009年6月18日,庫水位接近正常蓄水位1649.00m高程。監(jiān)測資料表明，蓄水前壩體最大沉降值為50.0cm,覆蓋層頂面沉降量為34.7cm。蓄水后截止2009年10月，庫水位高程1645m時(shí)，壩體最大沉降值為53.8cm,覆蓋層頂面沉降量為37.6cm。面板與墊層之間保持壓緊狀態(tài),沒有脫空現(xiàn)象，各條接縫變位均在允許范圍內(nèi),大壩運(yùn)行正常。察汗烏蘇面板壩壩基覆蓋層厚度達(dá)到46.7m,且其中部夾有5.9m厚含礫中粗砂層，但覆蓋層加權(quán)變形模量達(dá)到43~52MPa,壩體及覆蓋層變形總體不大，蓄水期壩體沉降率（最大沉降比壩高與覆蓋層厚度之和）為0.34%,覆蓋層壓縮率0.81%。1.3九甸峽面板壩九甸峽混凝土面板壩壩高136m,河床底部為一深槽,覆蓋層厚40~50m,寬30~50m。河床覆蓋層按其組成物特性大致可以分為3層:崩坡積塊碎石土層（I巖組）、沖積塊石砂卵礫石層（H巖組）和沖積砂卵礫石層（B巖組）。崩坡積塊碎石土層（I巖組）厚度6~17m,分布在左岸坡角和河床上部，組成物為塊石、碎石，成分為灰?guī)r，結(jié)構(gòu)松散無膠結(jié)，不宜作為混凝土面板堆石壩基礎(chǔ)，全部挖除;沖積塊石砂卵礫石層（H巖組）厚度5~13m,分布于河床中部。該層上部以塊碎石為主，向下卵礫石增多，并有中粗砂分布。塊碎石成分均為灰?guī)r，卵礫石成分有砂巖、灰?guī)r、石英巖等,磨圓度較差，整層結(jié)構(gòu)松散,無膠結(jié)，干密度1.95-2.05g/cm3,允許承載力0.3~0.4MPa,變形模量30-40MPa,滲透系數(shù)9.26x10-2~1.74x10-1cm/s,中密狀態(tài);沖積砂卵礫石層（B巖組）厚度12-37m,分布于河床底部,主要為卵石和礫石,成分為砂巖、灰?guī)r、石英巖等，磨圓度較好，局部有粒徑2~3m的孤塊石分布，干密度2.05-2.12g/cm3。允許承載力0.5-0.6MPa,變形模量40-60MPa,滲透系數(shù)3.47x10-2~9.26x10-2cm/s,其天然干密度、承載力均大于上層，屬密實(shí)-中密狀態(tài)。水庫于2008年6月下閘蓄水,2009年11月6日至9日,水庫水位蓄至2201.00m高程,2010年10月25日，首次達(dá)到正常蓄水位2202.00m。監(jiān)測資料顯示，大壩最大沉降約為137cm。由于壩址河谷形狀不對(duì)稱，岸坡陡峭，面板周邊縫變形較大實(shí)測面板周邊縫三向變位為:最大剪切位移為61.23mm,最大開合度為5mm,最大沉降為33.88mm。壩體運(yùn)行情況良好。九甸峽面板壩壩高達(dá)到136m,壩基保留覆蓋層厚度近40m,實(shí)測最大沉降為137cm相應(yīng)沉降率為0.78%,在200m級(jí)面板壩變形經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi),表明覆蓋層只要有合適的變形模量，可以作為高面板壩的壩基。1.4苗家壩苗家壩面板堆石壩壩高110m,河床覆蓋層厚10-48m,自上而下可分為4層:（1）表部為碧口水庫淤積的砂質(zhì)粉土，厚2-4m,砂質(zhì)占30%-40%,其余為粉土。（2）上部為含碎塊石的砂卵礫石層，厚8-12m,以卵石礫石間夾碎石為主,天然密度2.20-2.25g/cm3,允許承載力0.55-0.60MPa,變形模量60-65MPa。（3）中部為砂卵礫石層，厚15-25m,是河床覆蓋層的主體層，卵礫石占75%左右,砂質(zhì)占25%左右，其中砂層在不同地段和高程呈透鏡狀不連續(xù)分布。天然密度2.20-2.25g/cm3,允許承載力0.55~0.60MPa,變形模量60~65MPa。（4）底部為含碎塊石的砂卵礫石層，厚5~10m,分布不連續(xù)，卵礫及塊石約占80%,砂質(zhì)約占15%。天然密度2.15~2.20g/cm3,允許承載力0.4~0.5MPa,變形模量50~60MPa。河床部位趾板和壩體基礎(chǔ)在挖除覆蓋層表部的淤積砂質(zhì)粉土層后,填筑堆石體前進(jìn)行碾壓處理。苗家壩水電站已經(jīng)于2011年10月投入運(yùn)行,大壩運(yùn)行性狀良好。1.5覆蓋層上百米級(jí)面板壩建基條件總結(jié)除上述已經(jīng)建成運(yùn)行的工程外，還有斜卡、多諾、金川等在建和待建的趾板建在深覆蓋層上的百米級(jí)高面板壩。表2列出了已建、部分在建和待建的趾板坐落在深覆蓋層上的百米級(jí)高面板壩信息。從表2可見，上述覆蓋層持力層干密度一般在2.0-2.2g/cm3,接近或略低于上覆堆石體設(shè)計(jì)干密度，承載力為0.45-0.60MPa,變形模量為40-65MPa。據(jù)此可判定，當(dāng)覆蓋層干密度＞2.0g/cm3、承載力＞0.45MPa、變形模量＞40MPa的情況下，修建趾板坐落在覆蓋層上的百米級(jí)高面板壩的建壩要求能夠滿足。1.6覆蓋層上150m級(jí)面板壩建基要求已建覆蓋層上壩高超過100m的工程中，除九甸峽外，壩高大都在110m左右。滾哈布奇勒水電站壩址河床覆蓋層厚約50m,最大壩高160m,遠(yuǎn)高于目前已建工程。如果能采用在深覆蓋層上直接建壩，將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益，但技術(shù)可行性也備受關(guān)注。壩址區(qū)河床覆蓋層主要為現(xiàn)代河流沖積而成的漂石砂卵礫石層。砂卵礫石磨圓度好,分選性差，結(jié)構(gòu)較緊密，屬中等密實(shí)-密實(shí)狀態(tài)。覆蓋層主要物理力學(xué)參數(shù)為:干密度2.11g/cm3,相對(duì)密度0.8,允許承載力0.50-0.55MPa,變形模量55-60MPa。三維有限元計(jì)算結(jié)果顯示:蓄水期壩體最大沉降79.2cm,面板最大撓度33.5cm;防滲墻竣工期向上游位移,最大值3.16cm,蓄水期向下游位移,最大值8.81cm,由蓄水引起的撓度增量11.97cm;防滲墻與連接板接縫沉陷最大值30mm,面板周邊縫三向變位最大值為錯(cuò)動(dòng)28.3mm、沉陷13.4mm、張開24.5mm。壩體變形量適電接縫變位均在止水結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi),面板、趾板、連接板和防滲墻等混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也在允許范圍內(nèi)。該工程河床覆蓋層承載力0.50~0.55MPa,變形模量55~60MPa?？梢娚鲜霭倜准?jí)面板壩的建基條件推廣到150m級(jí)面板壩也是可行的。對(duì)于趾板坐落在深厚覆蓋層上的面板壩,壩基防滲與壩體防滲的有機(jī)結(jié)合是防滲設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前已建的深厚覆蓋層上的面板壩工程,除較早建設(shè)的柯柯亞面板壩［11］以外,河床段防滲系統(tǒng)基本采用壩基垂直防滲墻、覆蓋層上連接板和趾板與壩體上游混凝土面板連接的方式。在那蘭、九甸峽水電站覆蓋層上面板壩設(shè)計(jì)階段，由于壩高相較當(dāng)時(shí)已建工程都有較大增加，著重研究了河床部位防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)比分析了防滲墻與趾板剛性連接與柔性連接方案，從防滲系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性出發(fā)，認(rèn)為柔性連接方案更能適應(yīng)覆蓋層地基的變形［12-13］。經(jīng)多年工程實(shí)踐和技術(shù)論證,覆蓋層上面板壩的防滲系統(tǒng)已經(jīng)形成了較為成熟的設(shè)計(jì)風(fēng)格，即由壩基垂直防滲墻、置于覆蓋層面的連接板和趾板、壩體上游混凝土面板以及接縫止水結(jié)構(gòu)形成封閉的防滲系統(tǒng)，如圖1所示。防滲墻與連接板、連接板與趾板、趾板與混凝土面板之間采用止水結(jié)構(gòu)柔性相連，但不同的工程因壩高、覆蓋層厚度、覆蓋層力學(xué)參數(shù)等差異,可能采用不同的防滲墻厚度、連接板塊數(shù)和長度、趾板長度等，表3給出了部分已建、待建工程防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料。表3所列資料表明,趾板建于深厚覆蓋層上的100~150m級(jí)高面板壩防滲設(shè)計(jì)原則可歸納如下壩基防滲墻厚度通常采用0.8~1.2m;在覆蓋層深度小于80m的情況下，混凝土防滲墻通常嵌入基巖，而當(dāng)覆蓋層厚度大于80m的情況下,可采用懸掛式防滲墻加墻底灌漿帷幕;趾板寬度大都采用4~6m^±板與防滲墻之間采用1~2塊連接板,單塊連接板寬度2~4m。在深厚覆蓋層地基上直接建造面板壩，可以簡化施工導(dǎo)流，縮短工期、節(jié)省工程投資,因此，覆蓋層上建面板壩技術(shù)近年來得到了較為深入的研究，同時(shí)這一壩型也取得了快速的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國已經(jīng)建成了4座趾板坐落在深覆蓋層上的100m級(jí)以上的面板壩，并成功運(yùn)行。在建和待建的趾板坐落在深覆蓋層上的100m級(jí)以上的面板壩工程有5座左右。隨著水利水電資源的進(jìn)一步開發(fā)，將有更多的高面板壩工程面臨在深厚覆蓋層上建壩的問題，本文結(jié)合已建和待建的深厚覆蓋層上高面板壩工程資料和設(shè)計(jì)研究成果，總結(jié)了深厚覆蓋層上直接建造100~150m級(jí)高混凝土面板堆石壩對(duì)覆蓋層力學(xué)指標(biāo)的要求以及河床段壩體防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)果顯示:當(dāng)覆蓋層的承載力超過0.45MPa、變形模量超過40MPa時(shí)，可作為100~150m級(jí)高面板壩的壩基;河床部位防滲系統(tǒng)采用柔性連接方式，變形協(xié)調(diào)性良好，可推廣到覆蓋層上150m級(jí)面板壩的防滲設(shè)計(jì)?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】ANGUITAP,ALVAREZL,VIDALL.TwoChileanCFRDsdesignedonriverbedalluviums[C]llProceedingsofInternationalSymposiumonHighEarth-RockfillDams.Beijing,1993.李國英.覆蓋層上面板壩的應(yīng)力變形性狀及其影響因素[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1997(4):348-356.(LIGuo-ying.Stress-strainbehavioranditsinfluencefactorsofCFRDbuiltonriverbedalluviums[J].JournalofNanjingHydraulicResearchInstitute,1997(4):348-356.(inChinese))李國英，沈珠江，吳威?覆蓋層上混凝土面板堆石壩離心模型試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),1997(9):51-54.(LIGuoying,SHENZhu-jiang,WUWei.Centrifugemodeltestforconcretefacerockfilldamconstructedoncoverburdenlayer[J].WaterResourcesandHydropowerEngineering,1997(9):51-54.(inChinese))鐘誠昌.深厚覆蓋層地區(qū)工程物探方法技術(shù)探討[J].水力發(fā)電,1996(5):34-38.(ZHONGCheng-chang.Researchonthemethodofprospectfordeepalluviumdeposit[J].WaterPower,1996(5):34-38.(inChinese))熊德全，王昆，馬加禹.其宗水電站深厚覆蓋層鉆孔旁壓試驗(yàn)[J].云南水力發(fā)電,2009,25(6):16-19.(XIONGDequan,WANGKun,MAJia-yu.In-situpressuremetertestsondeepalluviumdepositofQizhongwaterpowerstation[J].YunnanWaterPower,2009,25(6):16-19.(inChinese))劉小生，汪小剛,馬懷發(fā)，等.旁壓試驗(yàn)反演鄧肯-張模型參數(shù)方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(5):601-606.(LIUXiao-sheng,WANGXiao-gang,MAHuai-fa,etal.Astudyofback-analysismethodofconstitutiveparametersforDuncan-Changmodelbasedoninsitupressuremetertests[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2004,26(5):601-606.(inChinese))趙魁芝，李國英.梅溪覆蓋層上混凝土面板堆石壩流變變形反饋分析及安全性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(8):1230-1235.(ZHAOKui-zhi,LIGuo-ying.BackanalysisofcreepdeformationandstudyonsafetyofMeixiCFRDbuiltonriverbedalluvium[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2007,29(8):1230-1235.(inChinese))趙魁芝，李國英,米占寬.漢坪咀混凝土面板堆石壩防滲體系設(shè)計(jì)方案優(yōu)選[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2004(2):45-50.(ZHAOKui-zhi,LIGuo-ying,MIZhan-kuan.DesignoptimizationforimpervioussystemofHanpingzuirockfilldamwithconcretefacingslab[J].Hydro-ScienceandEngineering,2004(2):45-50.(inChinese))馬明，沈振中,呂生璽.九甸峽面板堆石壩深覆蓋層防滲結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化[J].人民黃河,2008,30(8):82-84.(MAMing,SHENZhen-zhong,LVSheng-xi.DesignoptimizationforimperviousstructuretodeepalluviumdepositofJiudianxiaCFRD[J].YellowRiver,2008,30(8):82-84.(inChinese))酈能惠，孫大偉,米占寬.深覆蓋層上面板堆石壩的圓弧型防滲墻[J].巖土力學(xué),2006,27(10):165