大坝坝体分区和防渗体设计研究

【摘　要】本文结合实际工程实况，简要叙述了水库坝体分区和防渗体设计。

【关键词】大坝；坝体分区；结构设计

1.工程概况

某水库是一个集防洪、灌溉和供水为一体的综合性水利枢纽工程。该工程为壤土斜心墙堆石坝，坝顶设计高程281.00m，最大坝高160m，坝顶长1667m，坝体填筑工程量5073万m3。

2.坝体分区

土石坝坝体分区一般依照就地取材、挖填平衡的基本原则，使各种材料得到合理的运用，达到安全、经济、适用的目的。各区材料的性质、施工和压实要求等，都要有具体可供考核、检验和进行质量评定的技术指标。另外，坝体分区设计还要研究围堰与坝体相结合的可能性。

从坝料渗透性方面讲，对于防渗体在中心的心墙、斜心墙等坝型，坝体分区一般以防渗体为中心，向上、下游的材料渗透性逐步增大；对防渗体在上游的斜墙等坝型，坝料渗透性向下游逐步增大。当利用风化料或软岩筑坝，为防止其继续风化，表面要设置抗风化能力强的新鲜坚硬石料作为保护层。对于高土石坝，且上游围堰较高、方量较大时，为减少坝体的填方量和减小施工期的填筑强度，尽可能采用围堰和坝体相结合的形式。

根据上述原则，综合考虑该大坝坝址地形地质、天然建筑材料、开挖料性质和数量、基础处理和坝高等因素，经技术经济比较，确定采用壤土斜心墙堆石坝坝型，并按照大坝各部位的功能，进行坝体分区设计。坝体共由17种材料组成，其中防渗体包括1区壤土斜心墙、1A区高塑性土区、1B区壤土围堰斜墙、5区掺和料内铺盖和10区上游壤土铺盖；2A、2B、2C区为反滤层，3区为过渡层，4A、4B、4C区为坝壳堆石区，6A、6B区和7区为护坡，8区为下游石渣压戗，9区为坝基回填砂砾石。

3.防渗体设计

3.1区

1区是大坝防渗体系的核心，是防渗体设计的重点，采用寺院坡料场的黄土类土填筑。下面分河床、两岸和过渡二三个坝段介绍其设计。

3.1.1河床横剖面

一般来说，防渗体的几何尺寸受多种因素的影响，如坝高、土料数量和施工难易程度、土料性质、设计地震烈度、坝基地质条件及处理方法、土料与坝壳堆石料单价之比等。该大坝坝址区土料储量丰富、压实性能好，土、石料场基本处于同一位置，土料单价比石料低。所以，对大坝影响斜心墙尺寸的最主要因素是土料性质。

土料的允许渗透比降、塑性和抗裂性能等对斜心墙尺寸的影响最大。据渗透试验结果，寺院坡土料最大渗透破坏比降可达300以上，即使土体产生裂缝，其破坏比降仍可达最大破坏比降的1／10～1／15。但寺院坡土料性质不一，有轻、中、重粉质壤土，还有少量黏土。尽管设计要求将成层的轻粉质壤土和黏土清除，但零星分布的清除困难，与中、重粉质壤土完全掺和均匀，难度也很大。同时，斜心墙填筑碾压中，土料压实也存在一定的不均匀性。寺院坡土料塑性稍差，中、重粉质壤土的塑性指数仅分别为11．4和14．4。试验还表明，寺院坡土料的抗冲蚀能力较差，渗透破坏时的特征是：当水头超过临界水头后，土样破坏很快，80%的试样在20min内破坏，40min内破坏比例达90%以上，最后的破坏型式均为穿洞破坏。考虑上述多种因素，并参考其他黄土地区工程的经验，设计采用的涂料允许比降不大于。

为避开坝轴线附近河床深槽部位的基岩陡坎，主坝混凝土防渗墙布置在坝轴线上游80m处，并依此确定斜心墙的布置。考虑内铺盖、上游铺盖和淤积的防渗作用后，确定混凝土防渗墙插入斜心墙内的高度为12．00m，斜心墙底部宽度主要考虑土的允许比降、混凝土防渗墙顶至斜心墙上游坡的最小距离两个因素。渗流计算表明，该距离不宜小于40m。由此确定斜心墙上游边坡为1：1．2，下游边坡为1：0．5。这样，墙顶至斜心墙上游坡的最小距离为42．38m。

综合考虑防渗、施工和结构等要求，斜心墙顶宽确定为7.5m。为便于斜心墙顶面与坝顶防浪墙的连接，斜心墙顶面靠上游布置。没计坝顶高程为281．00m，坝顶路面总厚度1．0m，最终确定斜心墙顶高程为280．00m，高于最高静水位5．0m。

斜心墙上部设计成正心墙型式，上游245．00m高程以上边坡1：0．5，下游250．00m高程以上边坡1：0．4。主要目的是增加坝体上部上游坝壳的堆石厚度，提高坝体的抗震性和上游边坡的稳定，同时也便于斜心墙向两岸正心墙的过渡。

3.1.2两岸横剖面

桩号DO+107．50以左、Dl+007．34以右，两岸坝段岩石坝基的防渗体均设计为正心墙。

左岸山顶心墙基础开挖后，基岩面高程均在245．00m以上。心墙按河床剖面确定。右岸坝基开挖后，防渗体基础高程约在160．00m以上。综合考虑心墙与岩石接触抗渗比降、坝基岩石开挖和灌浆帷幕位置等因素，将心墙上游坡调整为l：0．4。

右岸坝体典型横剖面（单位：m）

3.1.3过渡段

河床坝段斜心墙与两岸正心墙之间没过渡坝段连接。

左岸过渡坝段在桩号D0+247．50～DO+107．50之间，位于岸坡上。该过渡段最大坝高约150m，长高比约为0．93，防渗轴线位置由河床断面的坝轴线上游80m，逐渐过渡到轴线上游4m。

右岸防渗体过渡坝段在桩号D0+693．74～D1+007．34之间，基础为岩石，过渡段最大坝高约150m，长高比约为2．09。防渗轴线位置变化同左岸。

3.2 1A区

混凝土防渗墙顶部，墙、土刚度相差巨大，使得此部位土体处于弱应力区，极易产生裂缝或水力劈裂。我国某两座土石坝曾发生过因混凝土防渗墙顶土体产生裂缝或水力劈裂，而发生渗透破坏的事故。根据有限元计算和工程经验，在墙顶设置了高塑性土区，以使其具有较强的适应变形能力，改善墙顶土体和防渗墙的应力状态。

高塑性土取自会渥沟料场的粉质黏土，平均黏粒含量为35％～39％，塑性指数为23～30，渗透系数为2．38×10-9～5．52×10-9cm／s。

应力应变分析表明，墙顶设置1A区后，墙体周围土体的应力状态比较简单，没有发现拉应力单元及小主应力过小的单元，但几乎所有的单元均处于剪切破坏状态，有可能发生顺渗流方向的错动。为保证坝体安全，加强了渗流出口处的反滤保护。