任 苇，李天宇
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)
摘 要：结合中国深厚覆盖层基础闸坝工程实践，从前期地质勘探与试验、参数选择开始，涉及防渗方案比选、计算分析、方案选定，以及监测资料的分析与安全评价等多个方面，分析提出了深厚覆盖层上修建闸坝的7项设计原则，同时总结提出了“防渗墙折减系数分析法”、“水力坡降法”2种渗流安全评价方法。
关键词：深厚覆盖层;闸坝;防渗设计;标准
河床深厚覆盖层是指堆积于河谷之中，厚度大于40 m的第四纪松散堆积物[1]，中国西南地区，特别是西藏地区河床深厚覆盖层分布尤为广泛，一般厚度均在100 m以上，局部地区厚度可达300～600 m不等，具有保存完整性、多样性、典型性特点[2]。在实际工程实践中，受地形地质条件限制，往往需要在深厚覆盖层上修建具有挡水功能的重力式混凝土闸坝。建成运行的成功典型工程中，下马岭水电站重力坝最大高度为33.2 m，覆盖层厚37 m[3]，锦屏二级挡水闸高34 m，覆盖层厚约40 m[4],福堂水电站挡水闸高31 m，覆盖层厚65 m[5]；国外工程如原苏联的古比雪夫水电站厂房、甫凉斯克水电站厂房[6]，坝高分别为57 m和52 m。西藏尼洋河上的多布水电站[7]，覆盖层深度达359.3 m，厂房挡水坝段高为49.5 m、与两侧泄洪闸、安装间坝段高差约30 m，是国内深厚覆盖层上最高闸坝建筑物。
深厚覆盖层这种复杂的不良地基条件给水利水电工程建设带来了一定的困难，据Larocque统计，因坝基问题而失事的大坝，约占失事大坝的25%；另据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的水工建筑物，约有一半事故是由于坝基渗透破坏、沉陷太大或滑动等因素导致的。因此，有必要结合中国深厚覆盖层混凝土闸坝工程实践，总结坝基防渗处理设计思路，开展渗控标准探讨。
水工建筑物防渗设计从前期地质勘探与试验、参数选择开始，涉及防渗方案比选、计算分析、方案选定，以及监测资料的分析与安全评价等多个方面，本文通过总结分析，初步提出以下防渗设计原则。
表1 部分深厚覆盖层上闸坝防渗处理方案简表
坝名地点修建日期坝高/m覆盖层厚/m防渗方案深(长)度/m雪卡西藏20092255水平铺盖175福堂四川19703192．5防渗墙+水平铺盖34/垂直小天都四川197039．596防渗墙+水平铺盖-太平驿四川197022．586水平铺盖-古比雪夫原苏联19575780钢板桩+水平铺盖21下马岭北京市196633．237帷幕灌浆40磨滩晋城市-34．638水平铺盖120锦屏二级凉山州20123440防渗墙41甫凉斯克原苏联-52-水平铺盖-
(1) 重视岩组划分，合理确定渗流参数
岩组划分是进行地质特性研究及评价的基础，对杂乱型堆积和层状韵带分布要区别对待。前者堆积物分布呈规律差，颗粒组成较大，碎石、砾石磨圆度较差，如大渡河泸定水电站河段覆盖层，帕隆藏布派区一带也属此类；后者为古堰塞湖积、河流积原因形成，一般在上部现代漂卵砾石层下部分布砂层或黏土层等细粒静水沉积层，并向深部韵带交替出现，如雅鲁藏布江宽谷河段及其主要支流拉萨河、尼洋河等。对于后者，可建议防渗体系依托在相对不透水地层，同时重视该相对不透水层在厚度和平面上的连续性勘查。
合理的渗流参数是科学设计的基础，GB50287-2006《水力水电工程地质勘察规范》[1]，对不同岩土进行了渗透性分级，该分级表根据岩土渗透系数的大小将岩土渗透性分为6级。除重视渗透系数研究外，尚应重视岩组渗透变形研究，判断分析岩土属于管涌或是流土形式。
对于深厚覆盖层地基，常规室内渗透试验由于很难再现土体天然结构状态，没有考虑上部覆盖层的压覆及反滤保护作用，成果往往偏于保守。因此，对于一些重要的工程，表层岩组可开展现场原位试验，深层岩组可考虑进行上部覆盖层压覆的室内渗透变形试验，以期深入考察覆盖层的渗透特性。以四川福堂水电站为例，针对基础漂卵砾石持力层进行了现场管涌试验，与室内管涌试验资料对比分析后表明：现场试验渗透为弱透水性，室内为弱～中强透水性；抗渗坡降现场成果优于室内成果，室内试验临界坡降为0.29，而现场成果为0.7～0.9，此原位试验由于在现场进行，仅消除了室内重塑土样的影响，未考虑上部覆盖层的压覆作用。太平驿水电站现场试验也表明了这一趋势[8]。吉牛水电站进行了考虑上部覆盖层的压覆的室内渗透变形试验，试验土层破坏比降为12.19，较不考虑时明显提高[9]。
(2) 防渗安全控制可采取渗透坡降为主、渗透量为辅的原则,渗透坡降应重视与混凝土间接触冲刷的安全性，防渗设计一般需要考虑渗漏量和渗透坡降安全2个方面，但渗流量达到多少，会对工程安全产生不利影响，规范或资料中均没有明确。本文通过搜集部分深厚覆盖层闸坝渗流计算成果发现，在满足渗流坡降安全前提下，计算渗流量均较小，福堂水电站各种组合下的渗流量都很小，约为岷江水电站枯水期多年平均流量的3‰小天都水电站不到枯水期多年平均来流量的0.1‰，太平驿水电站通过闸轴线剖面的总渗透流量约0.1 m3/s，锦屏二级水电站枢纽计算总渗透流量约0.03 m3/s，多布水电站计算总渗透流量约0.05 m3/s，以往这类工程均未进行渗流量监测，也未出现对工程安全及效益的不利影响。因此本文提出采取渗透坡降为主、渗透量为辅的原则。
在闸坝接触冲刷中，水平接触冲刷起控制作用，闸坝底部与基础接触面基本上由水平和垂直2种形式构成。根据试验，垂直方向的破坏比降为1左右，而水平方向一般仅在0.1～0.5之间。中国南京水利科学研究院毛昶熙等学者根据室内试验和30座水闸资料的调查分析，提出了控制闸基水平段抗接触冲刷渗流破坏的允许比降值和出口段向上方向的允许渗流比降值，这是中国目前水闸设计规范编制和一些水闸设计当中采用的主要理论根据。
(3) 深厚覆盖层上修建超过30 m高闸坝，原则上应优先采用垂直防渗的形式。
在水利水电领域，垂直防渗的成熟代表为防渗墙技术，中国防渗墙施工技术已经位居世界前沿，其中2012年完建的西藏旁多水利枢纽的混凝土防渗墙深度达158.5 m，为世界上最深的混凝土防渗墙[10]。目前，国内已能够在各种特殊地层中修建各种用途的混凝土防渗墙。通过大量实践，积累了丰富经验，在科学研究、勘测设计和施工技术及现代化管理方面也获得很大进展，解决了在复杂地质条件下较大规模地基处理的某些关键技术。目前国内深度超过40 m的防渗墙已有70道左右，小浪底水电站主坝防渗墙，最大墙深81.9 m，防渗墙设计厚度1.2 m，墙体嵌入基岩1～4 m，采用槽孔法[11]；三峡水利枢纽二期上游围堰防渗墙[12]，最大深度73.5 m，双排防渗墙，两墙中心间距6 m，墙厚分别为1.0 m和0.8 m，该墙地质条件复杂，覆盖层中包裹着最大块径为5～7 m的块体，石质坚硬完整；在防渗墙内预埋灌浆管，墙下进行帷幕钻孔灌浆。总体上，中国的防渗墙技术整体上接近或已达到国际先进水平。
中国水平铺盖防渗的土坝大多数为中低坝，铺盖长度一般为4～8倍的水头，通常在100～200 m左右，铺盖前端厚度一般采用1.0 m，不小于0.5 m；末端厚度采用(1/6～1/10)水头。国内较大的为王快水库，最大坝高62 m，上游水平铺盖长度200 m，为人工碾压粉质壤土铺盖，承受的水头为53 m，铺盖前端厚度1.0 m，末端厚度6.0 m[13]。巴基斯坦的塔贝拉坝[14]、中国河北省的邱庄水库，均出现较为严重的渗漏塌陷事故[15]。西藏雪卡水电站水平铺盖长为175 m,实际施工过程中，由于水情预报不及时，基坑内抽排水措施不到位等原因，部分铺盖出现隆起、变形现象。因此，深厚覆盖层上修建超过30 m高闸坝，原则上应优先采用垂直防渗的形式。
(4) 采用垂直防渗墙的工程，为加快施工进度并减少防渗墙顶对上部闸坝变形影响，防渗墙的布置可优先采用短连接板+防渗墙防渗的形式；当基础岩组呈韵带分布并存在厚度大于 5 m且渗透系数1×10-5 cm/s的弱透水层时，可作为悬挂式防渗墙依托层，防渗设计应重视下游排水反滤设计。
垂直防渗墙又可分为着底式和悬挂式(不完全式)。着底式防渗措施底部与基岩不透水层相接，能完全截断砂砾层，因此防渗效果好。悬挂式垂直防渗措施沿底部产生加密流网现象，防渗效果比着底式差，随着距不透水层距离加大，防渗效果显著降低，并加大防渗体底部水力梯度，从而增加发生内部管涌与接触冲刷的危险。对于覆盖层深度超过一定深度的混凝土闸坝工程，采用着底式应进行经济技术比较，特别对于多布水电站这样360 m级超深厚覆盖层地基，只宜采用承受水力梯度大的板桩及混凝土防渗墙等作为悬挂式帷幕，出口处做好反滤层、盖重，并要核算其底部及下游出口渗透稳定性。
(5) 合理确定渗流计算方法，重要工程应进行缺陷敏感性分析
目前，渗流计算方法主要有解析法、电网模拟法、有限元法等。电网络模拟主要分析地下水渗流问题，目前水闸设计规范中对闸基渗流场的计算采用改进阻力系数法，该法与直线展开法均属于解析法，一般仅适合于地下轮廓线较简单的闸基渗流场的水头和渗透坡降计算，对于地基岩组呈韵带分布等复杂的地基分布情况或复杂的结构布置形式，按照该方法往往会出现较大误差。如多布水电站中，采用解析法计算时，防渗墙深度达到58 m，而采用有限元计算，防渗墙深度仅需37 m，因此，对于闸坝坝基的复杂三维渗流场应该采用合适的数值方法来计算，以确保闸坝坝基的防渗和稳定。
三维计算表明，悬挂式垂直防渗措施沿底部均会产生加密流网现象，另外,对于基础岩组渗透性强弱韵带分布情况，在弱透水层也会出现流网加密现象，从而增加发生内部管涌与接触冲刷的危险，设计时应进行专项分析。如在西藏旁多水利枢纽和多布水电站设计中,尽管防渗墙底部土层出现大于10的局部渗透坡降,经充分论证,认为在上部土层压覆和反滤作用下,不会出现内部管涌和接触冲刷,此时,如果能结合开展在上部土层压覆和反滤作用下的室内实验,则能提供更充分的设计依据。
实际防渗墙施工中,难免出现底部开叉、相邻槽段搭接不良等缺陷，对于重要工程，应开展缺陷渗流影响分析，提出合理的工程措施建议。多布水电站缺陷渗流分析表明：当防渗墙存在施工缺陷时，防渗墙相邻槽段间由于搭接不良出现裂缝对计算区域渗流场的影响远大于底部分叉产生的影响。工程防渗墙插入相对不透水层较大，防渗墙相邻槽段底部分叉缺口顶端位于相对不透水层顶面以下，因而防渗体系整体完整性无显著破坏，防渗体系整体防渗能力也无明显变化，仅底部分叉造成的局部漏水引起局部渗流场变化。而防渗墙相邻槽段间出现接缝时，由接缝上下贯穿形成渗流通道，直接影响坝基相对不透水层上部覆盖层渗流场，对漏水量、墙后自由面、各部位的渗透坡降均产生较大的影响。防渗墙应严格按技术规范施工，建议在施工过程中，保证槽孔几何尺寸和位置、钻孔偏斜、入岩深度(相对不透水层)、槽段接头等符合设计规范要求。
(6) 重要工程应进行止水专项设计，并进行分区止水试验
永久伸缩缝面止水是防渗体系的重要组成部分，对于深厚覆盖层闸坝而言，要重视不同建筑物间沉降差对止水的剪切影响，结合三维应力应变分析及工程经验，合理选择止水结构，确保工程安全。
根据设计经验多布水电站工程应重视不同建筑物间的止水结构设计，通过合理安排工序，确保施工全过程沉降差与上部止水相适应，止水结构布置上，针对泄洪闸与右侧挡墙、生态放水孔与左侧厂房间沉降差分别为3.6 cm和2.7 cm的计算成果，采用2道止水+沥青井的设计，对回填砂卵石基础上的泄洪闸，采用特大翼缘、鼻子的止水结构，确保工程止水适应沉降差要求。
多布水电站为检查止水片的埋设质量和止水效果，首先对2道止水进行分区设计，将连通的2道止水采用竖向止水分隔成封闭的区间，每个区间设置进水管、出水管，在2道止水片之间设有骑缝方形检查槽，检查槽尺寸为10 cm×10 cm。在结构块浇筑完成并满足强度要求后，通过进出水管，向止水检查槽进行压水，检查各个止水分区止水封闭性。压力为1.5倍设计水头，观测止水片是否漏水，若压水时止水片漏水超标，则通过引管对止水检查槽和2道止水片之间的缝面进行低弹聚合物灌浆，将止水检查槽及止水片之间的缝面填实，以期与2道止水片一起形成一道有效的防渗体
(7) 渗流监测分析宜采用 “防渗墙折减系数分析法”、“水力坡降法”
深厚覆盖层闸坝渗流安全监测设计时, 考虑到渗流量监测必要性不大，而且需要增设截渗墙、设置量水堰，从而导致工程投资大幅度增加。因此同样采取渗透坡降为主、渗透量为辅的原则。
本文通过分析总结，提出了“防渗墙折减系数分析法”、“水力坡降法”2种渗流安全评价方法。
1) 防渗墙折减系数分析法
本方法参考《水工建筑物荷载设计规范》[16]混凝土坝的扬压力计算公式有关概念，对于一般岩基上的重力坝来讲，一般在上游坝内设置帷幕灌浆及排水，规范规定：当坝基设有帷幕和排水孔时，坝底面上游(坝踵)处的扬压力水头为H1，下游(坝址)处为H2，排水孔中心线处为H2+α(H1-H2)， 其余各段依次以直线连接，α为渗透压力强度系数。
对于建筑在覆盖层的闸坝，上游垂直防渗相当于坝基帷幕，由于坝基本身透水性较强，不需要设置排水孔，扬压力分布与岩基上重力坝类似，按照上游库水位H上，下游水位为H下，防渗墙后第1支渗压计渗压测值计算水位为H1，则防渗墙折减系数α计算公式为：
(1)
对于防渗墙折减系数允许值确定，有2种方法可以考虑，首先进行三维有限元分析，计算上述部位渗压计算成果，可以推求防渗墙折减系数计算值，作为渗流安全允许值的基本依据。资料显示，吉牛水电站正常挡水时上下游水头差19 m，计算防渗墙后折减系数为0.37；锦屏二级水电站正常挡水时上下游水头差23 m，计算墙后折减系数为0.15；福堂水电站正常挡水上下游水头差21 m，运行监测表明，河床坝段墙后折减系数小于0.1，两岸坝段墙后折减系数一般在0.2～0.3；多布水电站正常挡水时上下游水头差21 m，运行监测表明，河床坝段墙后折减系数0.2～0.35。因此，一般工程折减系数安全值可按0.2～0.4考虑。
2) 水力坡降法
沿坝体基础面依次布设2支渗压计，某次监测所测的渗压水头分别H1、H2，渗压计间渗径为S1，则测点间的水力坡降为：
(2)
将计算得到的渗透坡降与计算部位允许渗透坡降比较，评价渗透坡降是否满足设计及规范要求。一般来讲,对河床坝段,只需验算典型断面顺河向渗流坡降,对于两岸坝段,则应分析沿渗流方向典型断面的渗流坡降,进行安全评价。
随着水利水电事业的发展，深厚覆盖层基础闸坝设计目前已接近50 m坝高级别，本文根据有关工程实践分析，初步提出了深厚覆盖层上修建闸坝的一般原则，包括：① 重视岩组划分，合理确定渗流参数；② 防渗安全控制可采取渗透坡降为主、渗透量为辅的原则,渗透坡降应重视与混凝土间接触冲刷的安全性；③ 深厚覆盖层上修建超过30 m高闸坝，原则上应优先采用垂直防渗的形式；④ 防渗墙的布置可优先采用短连接板+防渗墙防渗的形式；当基础岩组呈韵带分布并存在厚度大于5 m且渗透系数1×10-5 cm/s的弱透水层时，可作为悬挂式防渗墙依托层。另外，提出重要工程应进行缺陷敏感性分析、分区止水试验的建议，并总结提出了 “防渗墙折减系数分析法”、“水力坡降法”的渗流安全分析方法。为同类工程提供了可靠的理论和工程实践经验。
参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部.水力发电工程地质勘察规范：GB50287-2006[S].北京：中国计划出版社，2006,11.
[2] 顾小芳.深厚覆盖层上水闸渗流分析与防渗结构优化设计研究[D].南京：河海大学，2006.
[3] 张磊.软基重力坝设计中的技术问题与方案选择[J].水资源与水工程学报，2011，22(01)：159-161.
[4] 李连侠,刘达.锦屏二级水电站防渗墙后止水失效渗流计算[J].长江科学院报，2009，26(10)：44-47.
[5] 杨光伟,何顺宾.福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计[J].水电站设计，2005，21(02)：14-17.
[6] 《湖北水力发电》编辑部.古比雪夫水电站[J].湖北水力发电，2008，80(06)：73-74.
[7] 中电建西北勘测设计研究院.西藏尼洋河多布水电站工程蓄水验收设计报告[R].西安：2014.
[8] 杨光伟.闸基深厚覆盖层基础处理研究[J].水电站设计，2004，20(02)：30-34.
[9] 李永红,姜媛媛.吉牛水电站深覆盖层闸基渗透稳定评价[J].水电站设计，2010，26(03)：44-46.
[10] 史光宇,刘牧冲.西藏旁多水利枢纽坝基深厚覆盖层防渗分析论证[J].东北水利水电，2010，10(07)：4-7.
[11] 刘开运,于征,王成.先进的高压旋喷注浆技术在小浪底基础工程中的应用[J].西北水电，2001，7(01)：51-54.
[12] 余胜祥,熊焰陈,超敏.三峡工程茅坪溪土石坝防渗设计[J].人民长江，2001，32(10)：32-34.
[13] 张吉兴.土工膜在王快水库除险加固工程中的应用[J].水科学与工程技术2004(06):27-29.
[14] 黄小宁.新疆下坂地水利枢纽工程深覆盖层防渗问题探讨[J].西北水资源与水工程, 2003, 14(01):62-65.
[15] 于伯明.混凝土防渗墙是解决坝基渗漏的有效措施[J].河北水利水电技术，2001 (04):37-39.
[16] 中华人民共和国水利部.水工建筑物荷载设计规范:SL744-2016[S].北京：中国水利水电出版社，2016,11.
Impervious Design and Safety Control Standard of Gate Dam on Deep and Thick Overburden Foundation
REN Wei, LI Tianyu
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)
Abstract：In combination with the engineering practice of the gate dam on deep and thick overburden foundation in China, seven design principles for the gate dam on the deep and thick overburden as well as two assessment methods for seepage safety (analysis method of reduced coefficient of cutoff wall and hydraulic gradient method) are proposed in accordance with the geological exploration and tests, parameter selection, impervious alternative comparison and selection, calculation and analysis, alternative finalization, and analysis and safety assessment of the monitoring data, etc.
Key words：deep and thick overburden; gate dam; impervious design; standard
文章编号：1006—2610(2017)02—0009—04
收稿日期：2017-02-03
作者简介：任苇(1974- )，男，陕西省礼泉县人，高级工程师，从事水利水电设计工作.
中图分类号：TV223.4
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.02.003
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