基于大坝防渗设计相关问题探索研究

 摘要：本文首先介绍了大坝存在的问题，然后提出三种防渗加固方案,并进行了优选，最后介绍了防渗墙结构布置和渗透计算以及说明了混凝土防渗墙的技术参数，本文是个人的一些见解和观点，希望同行业工作人员参考。 

　　关键词： 水库； 防渗墙； 改造设计； 

　　中图分类号：TV697 文献标识码：A 文章编号： 

　　一、大坝存在的问题分析 

　　从目前排水减压井的运行情况来看，其排渗减压效果有逐年降低的趋势，从减压井出日淤积泥样分析，大量的 Ca 和 Mg 离子己从水泥防渗帷幕中离析，估计防渗帷幕已遭到严重破坏。另外从外观上观察，在大坝下游坡和坝脚先后发现塌陷、变形等问题，估计是大坝渗透破坏的结果。影响坝基渗透稳定的土层主要是厚 4~5m 砂壤土层（心墙下上层己挖除）和厚 5~7m的砂卵砾石层。其中砂壤土层的渗透系数虽然较小，但其分散度为 30.8%~97.2%，属分散性土，渗透破坏比降较小。砂卵砾石层的渗透系数为 1.02×10-3~8.19×10-3（cm/s），属中等透水性，坝基不同位置和不同高程的砂砾料其级配分布很不一致，并且大部分土的级配组成较差，其不均匀系数较大，有部分土还缺乏中间料径。由此可见，坝基土料多数属管涌土，这是导致坝基土产生渗透变形的主要因素。 

　　从水工观测资料分析看，坝基和上游的铺盖水力坡降虽小于破坏水力坡降，但仍有局部大于设计允许水力坡降。大坝心墙与上游坝壳均采用粘土填筑，粘土中含砾较多，且土质不均，上部卵砾粘土层透水性强，渗透系数 Kn=1.60×10-5~3.11×10-1（cm/s），下部含砾粘土层分散度为 0~91%，其中分散度大于 50%的土样占 24.3%，且不同高程均有分布。心墙填土的平均干密度为 1.55g/m3，含水量为 24.5%，该填料的最大干密度为 1.71g/m3，最优含水量为 17.2%，填土的平均压实度仅为 0.906，远低于规范要求标准，故大坝填土密实度偏低，含水量偏高，其填筑质量欠佳。从上述指标看，心墙土也存在渗透稳定问题。 

　　二、防渗形式的选择问题分析 

　　根据大坝的结构型式和渗透破坏情况，大坝防渗加固型式拟定三个方案进行比较，即迎水面低弹模砼防渗墙+复合土工膜方案、迎水面低弹模砼防渗墙+砼面板方案、坝顶低弹模砼防渗墙方案。 

　　1、低弹模砼防渗墙+复合土工膜方案。该方案低弹模砼防渗墙布置于坝体迎水面 26.16m 高程处，防渗墙底伸至弱风化基岩 0.5m，在 26.16m 高程以上坝坡设置复合土工膜，土工膜底部与防渗墙搭接，顶部伸入坝顶防浪墙内，土工膜上设砼预制块保护。由于迎水面坝体材料为重壤土，为保证库水位聚降迎水坡稳定，复合土工膜后设 15cm 厚无砂混凝土，并在防渗墙与复合士工膜搭接位置设排水体，渗漏水通过设在两岸的集水井抽排至大坝下游排水沟。 

　　 2、迎水面低弹模砼防渗墙+砼面板方案。该方案低弹模砼防渗墙也布置于坝体迎水面 26.16m 高程处，防渗墙底伸至弱风化基岩 0.5m，在 26.16m 高程以上采用 C25 砼面板，26.16m 高程处设 C25 砼趾板与防渗墙相接，砼面板顶部与防浪墙相连，并设止水形成封闭性防渗。面板后设 15cm厚无砂混凝土，并在趾板下游侧设排水体，渗漏水通过设在两岸的集水井抽排至大坝下游排水沟。 

　　 3、坝顶低弹模砼防渗墙方案。该方案防渗墙轴线布置于原坝轴线下游 0.4m 处，墙厚 0.8m，防渗墙高程 35.06m，与防浪墙相连，下伸至弱风化基岩 0.5m。由于坝址区内存在着白蚁危害，故方案一采用复合土工膜对 26.16m 高程以上坝体进行防渗处理，其耐久性和可靠性要差于方案二、方案三，另外从投资来看方案一也比方案三多141.7 万元；方案二采用低弹模砼防渗墙+砼面板方案和方案二采用坝顶低弹模砼防渗墙方案均能较彻底的解决大坝的防渗问题，但方案三投资要小于方案二，且方案三施工工种单一，防渗接头少，质量容易保证。综合考虑加固处理的可靠性、耐久性以及经济因素，推荐采用坝顶低弹模砼防渗墙方案。 

　　三、防渗墙结构布置问题分析 

　　水库土坝采用低弹模砼防渗墙加固，防渗墙主要作用为坝基和坝体防渗，墙体轴线布置在坝轴线下游0.4m处。防渗墙设计成封闭式，厚80cm，底部伸入弱风化层内0.5m，最低高程约-4.84m，顶高程35.06m，上与防浪墙相接，最大高度40m。防渗墙与左岸岸坡采用混凝土齿墙连接，防渗墙与右岸泄洪闸挡墙采用倒挂井防渗墙的方式连接。 

　　四、防渗墙的渗透计算分析 

　　因防渗墙的渗透系数很小，渗流通过墙体后水头损失较大，浸润线形成很大的跌落。近似假设浸润线逸出点即为下游水面与防渗墙的交点，忽略上游坝体产生的水头损失和墙下基岩表面的渗流。则通过防渗墙的渗流量为： 

　　Q=LKc（ H12-h2） /2δ=0.667×575×s×10-7（39.872-202）/（2×80）=1.4×10-3m3/s 

　　防渗墙承担水头：H=39. 87-20=19.87m≈20m 

　　防渗墙的最大水力梯度 Jmax=Jp×K=20/0.8×5 =125，安全系数 K=5。 

　　根据德国贝伊尔和斯特罗伯测得塑性混凝土抗化学溶蚀破坏的水力梯度为 300；国内的一些试验表明，配合比合适的塑性混凝土抗机械破坏的水力梯度也可超过 300。因此水库低弹模砼防渗墙的破坏水力梯度 Jmax=125 完全能够做到。 

　　五、低弹模砼防渗墙的技术参数分析 

　　墙体的弹性模量与其承受的应力存在对应关系，弹性模量越小，防渗墙与周围土体的变形协调越好，墙体承受的应力越小，反之亦然。为提高混凝上防渗墙的安全性，一方面要尽量降低混凝土的弹性模量（或变形模量），另一方面应尽量提高混凝土的强度，即降低弹性模量和抗压强度的比值（模强比）。因此在确定墙体材料时应使其模强比小于计算值。混凝土的模强比与水泥用量有直接的关系，当水泥用量减少时，混凝土的模强比变小，对墙体受力有利。但随着水泥用量的减少，其渗透系数变大、渗透比降变小，从而影响了防渗墙的抗溶蚀性和耐久性，因此防渗墙的模强比也不是越小越好。 

　　近年来，人们对砼耐久性问题越来越重视，在水库混凝土防渗墙设计中，要求在满足混凝土模强比的前提下，尽量提高混凝土的强度。根据水库防渗墙的计算 ， 当砼墙体弹模 大于5,000MPa 时，墙体将出现拉应力。由于低弹模砼抗拉强度很低，也不宜配钢筋，因此要求混凝土防渗墙的弹模须小于5,000MPa 。而在此条件下，考虑混凝土防渗墙的耐久性，确定二组指标控制：（ l ） 弹 性 模 量 E28≤2,000MPa ， 抗 压 强 度R28≥6.0Mpa；相应的模强比 K=333 小于计算值 K=336。（ 2 ） 弹 性 模 量 E28≤3,000MPa ， 抗 压 强 度R28≥8.0MPa。相应的模强比 K=375 小于计算值 K=400。 

　　塑性混凝土防渗墙指掺入了粘土等材料的弹性模量在1000MPa 以下的墙体，水库混凝土防渗墙的弹性模量大于1000MPa，界于塑性和刚性之间，暂称为低弹模砼防渗墙。根据水库砼防渗墙的水力梯度、高度、受力特点及施工因素，要求砼防渗墙的其他技术指标如下：墙体厚度：80cm；抗拉强度：R28≥0.3Mpa；渗透系数：K≤5×10-7cm/s；极限水力坡降：Jmax≥125。 

　　参考文献 

　　[1] 高钟璞.大坝基础防渗墙[M].中国电力出版社，2004. 

　　[2] 牛运光.土坝安全与加固[M].中国水利水电出版社，2008.