壩基防滲墻與土質(zhì)心墻廊道式連接構(gòu)造設(shè)計(jì)

鄒德兵，熊澤斌，王漢輝，閔征輝

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

利用深厚覆蓋層建壩，有其特有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)、工期優(yōu)勢(shì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但也有其限制條件和技術(shù)難度。深厚覆蓋層一般具有強(qiáng)透水性，多采用混凝土防滲墻與上部的土心墻連接構(gòu)成完整的防滲體，因此，高壩深厚覆蓋層中防滲體的布置與連接方式也是壩工領(lǐng)域最復(fù)雜和研究最多的課題之一[1]。

吳夢(mèng)喜[2]對(duì)墻頂與廊道連接處高塑性黏土范圍的設(shè)置進(jìn)行了比較分析；肖白云[3]對(duì)瀑布溝水電站混凝土防滲墻墻體材料及接頭形式進(jìn)行了研究；陳剛[4]對(duì)瀑布溝水電站大壩基礎(chǔ)防滲墻的廊道形式進(jìn)行了研究；田景元[5]對(duì)毛爾蓋心墻堆石壩防滲墻與廊道接頭形式進(jìn)行了研究；朱俊高[6]對(duì)防滲墻接頭止水材料的防滲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。上述成果有的僅限于理論研究，有的是試驗(yàn)研究，對(duì)構(gòu)造設(shè)計(jì)涉及甚少。基于此問(wèn)題，本文依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“深厚覆蓋層上特高土石壩建設(shè)與安全保障技術(shù)”，對(duì)深厚覆蓋層上土心墻廊道與防滲墻布置、廊道與防滲墻之間的連接、廊道分縫及止水、防滲墻與心墻連接部位防滲抗?jié)B措施等具有共性的設(shè)計(jì)構(gòu)造問(wèn)題進(jìn)行了梳理與研究。研究成果可為深厚覆蓋層上高土石壩防滲墻與土心墻采用廊道式連接形式的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供有益參考。

2 廊道式連接布置

防滲墻伸入上部心墻防滲體的連接形式主要有直接插入式和廊道連接式兩種。工程實(shí)踐表明：不少高壩工程由于河床地基的帷幕灌漿量比較大，為加快施工進(jìn)度，節(jié)約工期，會(huì)在防滲墻頂部專門(mén)設(shè)置灌漿廊道，即采用廊道連接式，這樣帷幕灌漿可方便安排在灌漿廊道里與大壩同步施工，且廊道兼起大壩內(nèi)部變形、應(yīng)力、水壓觀測(cè)作用。若防滲墻有施工缺陷，通過(guò)廊道還可對(duì)防滲墻、灌漿帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

當(dāng)壩基采用一道防滲墻時(shí)，為實(shí)現(xiàn)在廊道內(nèi)灌漿以節(jié)約工期的功能，防滲墻與土心墻連接的廊道一般設(shè)置在防滲墻墻頂。四川毛爾蓋直心墻堆石壩[5]、磽磧礫石土心墻堆石壩[7]、獅子坪礫石土心墻堆石壩[8]、瀘定水電站黏土心墻堆石壩設(shè)計(jì)[9]均采用此種形式。

當(dāng)深厚覆蓋層上高土石壩(200 m級(jí))工程由于水頭高、受力復(fù)雜，壩基一般布置兩道防滲墻。這兩道墻與廊道的平面布置形式有3種：① 獨(dú)立布置式，即前后兩道防滲墻與廊道獨(dú)立、分開(kāi)布置，灌漿廊道布置于兩墻之間。該布置形式的優(yōu)點(diǎn)在于兩道防滲墻的施工干擾小，工期短，缺點(diǎn)在于防滲墻與灌漿帷幕連接性差，廊道結(jié)構(gòu)變形大，防滲體整體性與可靠性低，后期防滲修補(bǔ)條件差。② 廊道騎于雙墻墻頂式，即兩道防滲墻墻頂共設(shè)一個(gè)灌漿廊道。該布置形式的優(yōu)點(diǎn)在于廊道和防滲墻的受力條件相對(duì)較好，缺點(diǎn)在于兩道墻距離較近，施工干擾大，工期長(zhǎng)，廊道尺寸大，不利于廊道結(jié)構(gòu)受力，容易開(kāi)裂滲漏。③ 主墻廊道式、副墻插入式，即兩道防滲墻分開(kāi)布置，一主一副。主防滲墻頂設(shè)置灌漿廊道，副墻可布置在主墻的上游或下游。該布置形式的優(yōu)點(diǎn)在于兩道防滲墻施工干擾小，工期省，廊道尺寸小，防滲體可靠性好，缺點(diǎn)在于主防滲墻與廊道連接處應(yīng)力條件稍差。3種布置形式如圖1所示。

注：1為防滲軸線；2為混凝土防滲墻；3為高塑性黏土區(qū)；4為灌漿廊道；5為帷幕灌漿孔。圖1 兩道防滲墻與廊道連接布置示意Fig.1 Diagram of connection arrangement of anti-seepage wall and gallery

獨(dú)立布置式缺點(diǎn)明顯，高壩工程中尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。廊道騎于雙墻墻頂式布置，僅有加拿大馬尼克3號(hào)大壩采用，該壩最大壩高107 m，覆蓋層厚130 m，這種布置形式尚無(wú)200 m級(jí)高壩應(yīng)用實(shí)例。主墻廊道式、副墻插入式布置在200 m級(jí)高壩有成功應(yīng)用實(shí)例，例如四川長(zhǎng)河壩礫石土直心墻壩[10]、瀑布溝礫石土心墻堆石壩[11]均采用雙墻布置、主墻廊道、副墻插入式的連接布置形式，這種布置形式節(jié)約了直線工期6～8個(gè)月，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

因此，當(dāng)壩基采用一道防滲墻時(shí)，廊道宜布置在墻頂。對(duì)于200 m級(jí)高壩，布置兩道防滲墻時(shí)，宜采用主墻廊道式、副墻插入式布置。

3 剛性與柔性連接

3.1 接頭形式

防滲墻與廊道連成一體，一般有兩種做法：一種是剛性連接，另一種是柔性連接。所謂剛性連接是指防滲墻與廊道底板或基座澆筑構(gòu)成整體，稱之為剛接頭，如圖2(a)所示。柔性連接又分為兩種：一種是防滲墻插入廊道底板或基座，空隙中充填具有防滲性能又能在一定的壓力下自由流動(dòng)的塑膠材料，稱之為軟接頭，如圖2(b)所示；另一種是防滲墻插入廊道底板或基座，之間留有一定的空隙，不充填任何材料，稱之為空接頭，如圖2(c)所示。

圖2 混凝土防滲墻與廊道接頭型式Fig.2 Joint type of concrete anti-seepage wall and gallery

剛接頭的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、可靠性高，尤其是在高水頭作用下防滲效果好；其缺點(diǎn)在于防滲墻應(yīng)力偏大，但可以通過(guò)設(shè)置成倒梯型截面和在墻頂局部位置配置加強(qiáng)鋼筋，以及在廊道頂部及周邊設(shè)置高塑性黏土等措施加以改善。

軟接頭和空接頭的共同優(yōu)點(diǎn)在于可以改善防滲墻和廊道的應(yīng)力，減載效果更好；但軟接頭的缺點(diǎn)在于施工復(fù)雜，填料選擇困難，防滲可靠性差，難于滿足在高水頭壓力作用下的防滲要求；而空接頭防滲可靠性更差。根據(jù)文獻(xiàn)資料，柔性接頭中防滲材料抗?jié)B強(qiáng)度一般較低，水壓力在0.4～0.5 MPa時(shí)即存在較大的漏水風(fēng)險(xiǎn)，軟接頭與空接頭高壩中未見(jiàn)有工程實(shí)例。

高壩工程一般采用剛接頭，加拿大馬尼克3號(hào)壩及中國(guó)磽磧、獅子坪、瀑布溝、毛爾蓋、瀘定、長(zhǎng)河壩等高壩工程均采用剛性接頭。已建防滲墻系統(tǒng)運(yùn)行良好，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，因此，廊道與防滲墻連接推薦采用剛性接頭。

3.2 倒梯形連接

防滲墻與廊道采用剛接頭連接時(shí)，連接構(gòu)造形式對(duì)廊道及防滲墻應(yīng)力、變形開(kāi)裂有較大影響，尤其是200m級(jí)高壩，在巨大的壩體填筑荷載與水壓力作用下，該問(wèn)題更為突出。在瀑布溝高土心墻堆石壩設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)防滲墻與廊道平接式、局部倒梯形式 、整體倒梯形式等3種形式(見(jiàn)圖3)進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比研究。計(jì)算表明，廊道和防滲墻的變形對(duì)3種接頭形式均不敏感，量值基本相當(dāng)，但是應(yīng)力對(duì)接頭形式相對(duì)敏感。平接情況下，廊道邊墻和底部、墻頂以及接頭與防滲墻連接部位的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均超過(guò)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，整體倒梯形連接情況下，應(yīng)力最小，局部倒梯形連接情況下，應(yīng)力量值居中。

相對(duì)于平接式與局部倒梯形，整體(擴(kuò)大)倒梯形連接的應(yīng)力條件最好，廊道底板受力狀態(tài)明顯改善，底板、兩側(cè)邊墻的拉壓力及壓應(yīng)力量值明顯減小，長(zhǎng)河壩、瀑布溝等高土石壩壩基廊道與防滲墻均采用該形式，運(yùn)行情況較好。

綜上分析認(rèn)為，高壩工程壩基防滲墻與廊道連接采用整體(擴(kuò)大)倒梯形剛接頭形式更為合理。

4 壩基廊道分縫位置選擇

200 m級(jí)高土石壩擋水后，在上部巨大的填土壓力及水壓力作用下，由于基礎(chǔ)防滲墻的約束，廊道整體呈三向扭曲變形，尤其是兩端可能出現(xiàn)沉降、錯(cuò)動(dòng)、拉裂，導(dǎo)致滲水、顆粒物帶出、滲漏等情況，影響大壩安全運(yùn)行。為盡量減小廊道兩端的變形錯(cuò)動(dòng)，各工程一般在兩端設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。因此，廊道分縫位置的選擇則成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

4.1 變形規(guī)律

深厚覆蓋層高土石壩典型工程計(jì)算及監(jiān)測(cè)成果表明：壩基廊道整體呈三向扭曲變形，即河床部分向下游、鉛直向下?lián)锨?；廊道兩端向上游、鉛直向上翹曲。而兩岸平洞結(jié)構(gòu)一般位于基巖內(nèi)，是相對(duì)固定的，因此壩基廊道與兩岸平洞結(jié)構(gòu)分縫位置必然產(chǎn)生三向變形，主要表現(xiàn)為：橫河向變形方面，廊道兩端頂部張開(kāi)、底部擠壓；順河向變形方面，分縫處廊道上游側(cè)張開(kāi)、下游側(cè)擠壓，向上游變形及上抬。表1給出了深厚覆蓋層上瀑布溝高土心墻堆石壩壩基廊道不同分縫方案時(shí)廊道兩端結(jié)構(gòu)縫的變位極值對(duì)比成果。

表1 瀑布溝心墻堆石壩壩基廊道不同分縫方案變位極值對(duì)比Tab.1 Comparison of extreme values of displacement under different joint schemes of foundation corridor in Pubugou high core wall rock-filling dam cm

由表1可以看出：廊道兩端結(jié)構(gòu)縫布置于基覆分界線處，結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)位最大，位移2.3～7.2 cm；深入基巖1 m處分縫，結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)位明顯減小，位移1.2～3.6 cm；深入基巖10 m處分縫，結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)位變化不大，位移0.8～3.2 cm，說(shuō)明將廊道伸入基巖5 m后再分縫，可以有效減小廊道兩端結(jié)構(gòu)縫的錯(cuò)位。

4.2 應(yīng)力分布規(guī)律

結(jié)構(gòu)縫位置的不同不僅會(huì)影響變形，也對(duì)廊道尤其是與兩岸平洞連接段的應(yīng)力狀態(tài)有直接影響。表2給出了深厚覆蓋層上瀑布溝高土心墻堆石壩壩基廊道不分縫、在基覆界線處分縫以及深入基巖1，5，10 m處分縫的應(yīng)力極值成果。

表2 瀑布溝心墻堆石壩不同分縫方案廊道應(yīng)力極值對(duì)比Tab.2 Comparison of stress extreme value of corridor in different joint schemes in Pubugou high core wall rock-filling dam MPa

由表2可以看出：① 不分縫情況下，橫河向、順河向及鉛直向的拉、壓應(yīng)力極值最大，在基覆界限處分縫應(yīng)力極值最小，前者數(shù)值是后者的3倍，固端效應(yīng)明顯；② 深入基巖5，10 m處分縫的應(yīng)力極值相差不大，說(shuō)明深入基巖10 m處分縫相較于深入基巖5 m處分縫對(duì)應(yīng)力改善效果不明顯；③ 僅從改善應(yīng)力的角度而言，壩基廊道與兩岸平洞結(jié)構(gòu)在基覆界限處分縫最好。

4.3 實(shí)際工程中分縫位置選擇

磽磧、獅子坪、瀑布溝等幾個(gè)工程廊道在基覆分界線處設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫[12]。運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)廊道分縫處張開(kāi)和錯(cuò)動(dòng)變形較大,出現(xiàn)了局部滲漏情況，說(shuō)明在基覆分界線處分縫雖然對(duì)應(yīng)力改善有利，但也存在結(jié)構(gòu)縫變形過(guò)大、止水拉裂的問(wèn)題。因此，分縫位置的選擇需要在控制廊道應(yīng)力和變形之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，即在適當(dāng)改善應(yīng)力條件的同時(shí)，盡量減小錯(cuò)動(dòng)變形。毛爾蓋、黃金坪、長(zhǎng)河壩工程[12]將廊道分縫位置深入基巖5～10 m，并改進(jìn)了結(jié)構(gòu)縫止水，加強(qiáng)廊道結(jié)構(gòu)襯砌，實(shí)際運(yùn)行情況良好。

綜合計(jì)算成果與典型工程實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看：壩基廊道分縫位置宜深入基巖一定距離，并輔以改進(jìn)止水、加強(qiáng)襯砌等手段。

5 高塑性黏土區(qū)抗?jié)B與防滲

5.1 抗?jié)B性能

為解決廊道混凝土與土質(zhì)心墻之間的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，通常在廊道或防滲墻周?chē)O(shè)置一定范圍的高塑性黏土區(qū)，塑性區(qū)厚度一般取為5～8 m[13]。高塑性黏土區(qū)在不同應(yīng)力狀態(tài)下的抗?jié)B性能值得關(guān)注。深厚覆蓋層上瀑布溝堆石壩壩基防滲墻墻頂高塑性黏土區(qū)在不同應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)與破壞比降試驗(yàn)成果表明：在圍壓0.5～1.8 MPa、偏應(yīng)力0.2～2.0 MPa條件下，廊道周邊設(shè)置的高塑性黏土區(qū)破壞滲透比降一般為148～360，說(shuō)明高塑性黏土與廊道混凝土接觸部位具有較強(qiáng)的抗?jié)B性能。

5.2 防滲措施

為確保滲透安全，增大高水頭條件下的滲透破壞安全裕度，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，一般在主防滲墻廊道、副防滲墻與土心墻連接部位采取接觸滲透保護(hù)措施[14]。該構(gòu)造措施主要為兩種：① 在第二道防滲墻(副墻)下游側(cè)、心墻底部設(shè)置雙層反濾層保護(hù)。② 鋪設(shè)土工膜，延長(zhǎng)接觸滲徑，降低接觸坡降。第一道主防滲墻上游側(cè)、主防滲墻與廊道之間、廊道下游側(cè)均鋪設(shè)一定長(zhǎng)度的土工膜。三維滲流計(jì)算表明：通過(guò)設(shè)置土工膜延長(zhǎng)滲徑，可有效減小心墻與主防滲墻混凝土廊道接觸面、心墻與副防滲墻下游側(cè)接觸面滲透比降，各部位出逸坡降均小于反濾保護(hù)材料的允許滲透坡降。瀑布溝200 m級(jí)土心墻壩壩基廊道與防滲墻土工膜鋪設(shè)如圖4所示，運(yùn)行情況良好。

圖4 瀑布溝高心墻壩壩基廊道與防滲墻附近土工膜鋪設(shè)示意Fig.4 Diagram of geomembrane laying near the gallery and impervious wall in Pubugou dam

6 結(jié) 論

(1) 深厚覆蓋層上高壩工程防滲墻與土質(zhì)心墻推薦采用廊道式連接。當(dāng)壩基采用一道防滲墻時(shí)，廊道宜布置在墻頂。對(duì)于200 m級(jí)高壩，布置兩道防滲墻時(shí)，宜采用主墻廊道式、副墻插入式布置。

(2) 高壩工程壩基廊道與防滲墻連接采用倒梯形剛接頭更為合適。

(3) 高土石壩廊道整體呈三向扭曲變形，廊道與兩岸平洞結(jié)構(gòu)分縫位置宜深入基巖一定距離，并加強(qiáng)分縫止水、襯砌。

(4) 為解決廊道混凝土與土心墻之間的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，通常在廊道或防滲墻周?chē)O(shè)置一定范圍的高塑性黏土區(qū)，塑性區(qū)厚度一般取為5～8 m。

(5) 為確保滲透安全，增加安全裕度，宜在主防滲墻廊道、副防滲墻與土心墻連接部位鋪設(shè)土工膜，延長(zhǎng)滲徑，并在第二道防滲墻下游側(cè)心墻底部設(shè)置雙層反濾層保護(hù)。