向代全

(四川省隆德科技咨询有限公司，成都，610073)

0 引言

土石坝工程为利用坝址及其周围土石料堆积、碾压而成的水工建筑物，较重力坝等其他材料坝体，其经济性明显，综合造价仅为重力坝的1/10，具备良好的推广前景。伴随土石坝的广泛建造及使用，诸多工程问题显现出来，利用工程经验无法解决“坝基渗流”“地基处置”等复杂工况。土石坝较其他坝体对地基的适用性较差，因此，施工前需要对坝基进行有效处置，预防发生流土、管涌等情况的发生[1-3]。

坝基渗流是流体通过坝体基础的多孔介质的水力现象，是涉及多学科体系的分析计算，包含水力学、土力学及岩石力学，还与地下水动力学、土壤学等学科密切相关。土石坝建成蓄水后，由于上下游水位差，水体在坝基形成渗流。渗流的形成，引起大量的水体损失，影响经济效益，与此同时，过大的渗流坡度及比降或威胁坝体稳定性，因此在土石坝工程可行性研究阶段需要对坝基渗流进行计算与分析[4-5]。渗流定律、渗流微分方程的分析方法仅适用于均匀介质，对研究单元的边界条件具有较高要求，在实际应用及推广过程中受到严重限制，随着计算机及大数据技术的发展，数值分析方法，包括有限元分析、有限差值分析的方法，在解决坝基渗流的过程中得到广泛应用[6-7]。

1 工程背景

会泽水库位于黑龙江省七台河市挠力河之上，主要任务为工农业供水、防洪，同时兼顾生态用水、补水，改善区域生态环境，是一座集供水、防洪、生态及美化环境等综合功能的中型水库。

会泽水库工程包括坝体、表孔溢洪道(闸)、放水洞、库盆扩挖、工程管理设施等内容。大坝位于东方林村西南千秋山南侧，坝型为土石坝，采用复合土工膜防渗，坝轴线长度为635m；表孔溢洪道(闸)布设在土石坝南侧，采用底流消能(消力池消能)，溢洪道全长432.5m，由引水道、控制工程段、消力池护坦、泄洪槽、消力坎、海漫及防冲槽等组成；表孔溢洪道泄洪闸为5孔，单孔净宽11.5m，闸底板高程325.0m，采用弧形闸门，电气液压式启闭机；土石坝放水洞设置于表孔溢洪道左侧，与表孔溢洪道边孔闸墩相邻，室底高程324.5m，放水洞尺寸为2.5m×2.5m，双孔布置，由有压引水隧洞进口、闸室段(包括工作闸门、检修闸门及连接段)、引水隧洞等部分组成。

在可行性研究阶段，利用勘察及设计数据确定坝基防渗方案，采用加拿大Geo公司的二维分析软件中有限元渗流模块计算截渗后大坝典型断面不同工况下的渗漏量及坝体控制部位的比降，验证设计方案的合理性。

2 无截渗措施工况渗流计算与分析

根据《会泽水库工程地质勘查报告》资料显示，坝基地层(1)层粗砂、(2)层淤泥质粘土、(3)层粗砂、(4)层壤土，坝基渗漏以河谷段粗砂为主，是坝基渗漏的严重地段，按照工程经验需要采取有效的截渗措施。根据地形地质条件，选择大坝0+100和0+220两个典型断面进行计算。渗流计算工况见表1。

表1 渗流计算工况

实际模拟过程中，典型横断面上，各透水区的渗透参数的设定，根据实际查勘地质数据选取，在坝体浸润线的求解过程中，取小数据的平均数值，在进行坝基渗流量求解过程中，取大数据的平均数值，根据《会泽水库工程地质勘查报告》，筑坝材料及大坝基础部分的渗透参数见表2。

表2 坝基及坝体土渗透系数一览

无防渗措施情况下各工况条件下渗流量模拟计算数据如表3所示。

表3 无防渗措施条件下各工况渗流量

由表3计算数据可知，对于0+220断面，校核洪水位下坝基渗流量最大，达到26.98m3/m·d，平均渗流量达到24.71m3/m·d，年平均渗流量可达到321.95万m3，占兴利库容的15.21%，根据经验分析，坝基渗漏量较严重，需要采取截渗措施。

3 坝基截渗措施选择与模拟计算分析

3.1 坝基截渗措施选择

由地质资料及无截渗措施分析可知，坝基渗漏以河谷段粗砂为主，是坝基渗漏的严重地段。大林格断层坝址相交，该断层为张性断裂，为导水断裂存在坝基渗漏问题，应采取处理措施。

根据工程所在区域的地质勘察情况以及设计经验，本工程采用垂直截渗。根据防渗体的工作原理及施工工艺不同，可分为材料置换和介入的方法，顾名思义，材料置换是利用特殊防渗材料将原有地基基础置换，例如混凝土材料防渗墙，介入是指不改变现有地基，采用高喷板墙等方法对原有地基进行加固[8-9]。

根据土石坝坝基实勘的地质地层结构，借鉴国内其他工程设计经验，从防渗技术施工难度、技术的复杂程度、经济成本分析以及工程地质勘察成果等，选取振动切槽式的防渗板墙、塑性混凝土防渗墙和高喷混凝土板墙三种坝基防渗技术措施进行方案比选。

振动切槽式的防渗板墙墙厚度受施工空间限制，施工工艺中工具的震动对坝体尤其是坝脚的稳定性也会产生不利影响，根据国内施工经验，该措施采用较少；高喷混凝土板墙工艺受到所在区域土体材料的限制，施工完后孔之间的填充程度及结合情况属于隐蔽工程，不易检查，防渗效果并不理想；塑性混凝土防渗墙单价较其他两种措施稍高，但其防渗效应显著提高，墙体稳定性较好，工程实施难度不高，使用寿命长，与下部基岩结合好[10-11]。综上所述，从经济成本、工程可靠性、防渗效应等方面综合考虑，坝基防渗采用塑性混凝土防渗墙。

3.2 塑性混凝土防渗墙设计

3.2.1 位置确定

塑性混凝土制防渗墙整体轴线位于坝体上游，与坝脚距离为3m。

3.2.2 防渗墙参数确定

(1)作用水头控制

防渗墙厚度设定需要与允许渗透比相协调，按照比降值为550控制，在兴利水位工况下运行时作用的水头为10.50m，计算得防渗墙厚度不小于0.19m，正常运行情况下作用水头10.5m，结合其他工程实例分析确定，本坝体塑性防渗墙的厚度拟选为0.40m。

(2)槽孔垂直度控制

槽孔不垂直度为0.45%，其对应的混凝土防渗墙的最大深度为16.4m，单侧的偏于整体轴线的最大许可值为4.52cm，与搭接的厚度相适应。

3.2.3 混凝土防渗墙布置范围

防渗墙墙顶利用壤土包裹，墙底嵌入强风化基岩以下0.6m。根据地质勘探资料，混凝土防渗墙布置范围在大坝设计桩号0+100～0+250坝段，总长度为150m。

3.2.4 混凝土防渗墙体材料、性能指标要求

墙体材料选择为塑性混凝土防渗墙，厚度选定为0.40m，抗压强度3.5MPa～5.0MPa，弹性模量不大于1600MPa，其渗透系数K<1.5×10-6cm/s。

3.3 截渗后大坝渗流计算与分析

根据坝体基础地形地质情况，设置截渗墙措施后选定坝体0+100和0+2200两个断面进行模拟计算分析。计算模拟方案、软件选定、计算工况、计算参数的选取皆与无截渗措施状态下坝基渗流计算相同。塑性混凝土防渗墙的渗透系数为1.0×10-6cm/s。渗流计算数据见表4、表5，各计算工况下的坝体等势线见图1-图6。

表4 塑性混凝土防渗墙措施下各工况渗流量

表5 塑性混凝土防渗墙措施下控制部位计算比降

图1 0+100断面兴利水位下坝体等势线

图2 0+100断面设计洪水位下坝体等势线

图3 0+100断面校核洪水位下坝体等势线

图4 0+220断面兴利水位下坝体等势线

图5 0+220断面设计洪水位下坝体等势线

图6 0+220断面兴利水位下坝体等势线

模拟结果分析：

(1)坝体在各种选定水位下坝后排水沟处出逸比降均小于该层土的允许比降，满足设计要求。

(2)大坝采取混凝土截渗墙措施后，正常水位下渗漏量最大，为4.62m3/d·m，假如按大坝长度357m计算，年平均渗漏量约为42.85万m3，占整体兴利库容的2.02%，渗漏量较无截渗措施时明显降低，截渗效果十分显著。

(3)利用该模拟软件对振动切槽式防渗板墙、塑性混凝土制防渗墙两种截渗措施的渗流量进行计算，水库的年平均渗漏量分别为69.53万m3和123.42万m3，塑性混凝土防渗墙截渗效应分别提高8.29%、25.03%。

4 结论与建议

对黑龙江省七台河市挠力河会泽水库坝基截渗措施进行设计、计算与分析，墙体材料选择为塑性混凝土防渗墙，厚度选定为0.40m，抗压强度3.5MPa～5.0MPa，弹性模量不大于1600MPa，其渗透系数K<1.5×10-6cm/s；槽孔不垂直度为0.45%，单侧的偏于整体轴线的最大许可值为4.52cm；塑性混凝土防渗墙整体轴线位于坝体上游，与坝脚距离为3m。利用有限元分析软件加拿大Geo公司的二维分析软件中有限元渗流模块进行研究计算，选定兴利水位、设计洪水位、校核洪水位三种工况下，分别计算0+100断面和0+220断面无截渗措施及设置塑性混凝土截渗墙后的渗流量的变化。无截渗措施时，平均渗流量达到24.71m3/m·d，年平均渗流量可达到321.95万m3，占兴利库容的15.21%，大坝采取混凝土截渗墙措施后，正常水位下渗漏量最大，为4.62m3/d·m，年平均渗漏量约为42.85万m3，占整体兴利库容的2.02%，截渗效果显著。设置截渗措施后坝体在各种选定水位下坝后排水沟处出逸比降均小于该层土的允许比降，满足设计要求。

克服渗流定律、渗流微分方程等分析方法的局限性，选定适宜的有限元分析软件，通过对不同类型截渗措施设计、计算、分析、对比，确定合理的截渗措施，类似工程地质条件土石坝坝基渗流结构设计可参考该方法确定经济适用的方案。