深厚覆蓋層上土石圍堰滲流控制體系及結(jié)構(gòu)安全研究

張家發(fā)，李少龍，潘家軍，姜志全，劉 軍

(長江科學院 a.水利部巖土力學與工程重點實驗室;b.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010)

1 概述

在河道上開展工程建設時，往往需要依靠圍堰維護施工場地。攔河大壩、水電站廠房、泄水閘、船閘等水利水電工程及航運工程的建設，更需要借助圍堰工程使河水改由束窄的河床或者另外修建的導流建筑物通過，才能在圍堰保護的場地內(nèi)開挖基坑，并按設計要求開展建筑物的建設［1］。

在三峽水利樞紐工程的設計過程中，圍繞圍堰工程開展了大量研究工作。20世紀50年代就進行了拋填料密度試驗研究。20世紀80年代集中進行了二期圍堰防滲方案和圍堰結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性的研究。尤其是通過“七五”、“八五”攻關，在圍堰工程的研究方法、圍堰填料特性、防滲結(jié)構(gòu)形式、材料配方、施工技術、質(zhì)量控制、監(jiān)測技術等很多方面取得了一大批研究成果，為保障圍堰工程的合理設計、順利實施和安全運行提供了重要的技術支撐［2］。在二期圍堰的建設和運行過程中，工程安全廣受關注，而圍堰工程設計和科研人員出于驗證設計科研成果的愿望，也密切關注著堰體變形和防滲體的運行性態(tài)。作為圍堰工程設計方案主要研究單位，長江科學院有幸繼續(xù)開展了圍堰工程運行期的安全監(jiān)測工作，并在圍堰拆除過程中開展了現(xiàn)場調(diào)查分析和補充試驗研究［3］。

進入新的世紀以后，我國水利水電工程建設的重心進一步向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移。三峽工程二期圍堰的設計科研成果可以為這些地區(qū)圍堰工程的設計提供重要借鑒作用。但是，金沙江、雅礱江、大渡河、烏江等流域在建和即將建設的大型水電工程，大都建在厚達幾十米到幾百米深厚覆蓋層上。如烏東德壩址處覆蓋層厚達60 m［4］，白鶴灘覆蓋層厚達59 m，向家壩覆蓋層一般厚達30～60 m，冶勒水電站覆蓋層厚度超過420 m［5］。這種基礎條件為圍堰工程的基礎防滲帶來了新的挑戰(zhàn)。這些地區(qū)的當?shù)亟ㄖ牧蠗l件也與三峽工程有差別，這為堰體填料、防滲墻材料的選擇與設計也帶來了新的約束條件。

為了克服深厚覆蓋層條件下土石圍堰工程設計、施工面臨的難題，在2008年啟動的國家“十一五”科技支撐計劃項目“特大型梯級水利水電工程安全及高效運行若干關鍵技術研究”中，第二課題“深厚覆蓋層條件導截流及圍堰安全控制技術”將“圍堰防滲體系及結(jié)構(gòu)安全研究”列為第4專題。到2011年6月為止，長江科學院聯(lián)合長江勘測規(guī)劃設計研究院、華東勘測設計研究院、三峽大學共同完成了專題研究任務，達到了創(chuàng)新目標，并順利通過驗收，本文將概要介紹長江科學院、長江勘測規(guī)劃設計研究院、華東勘測設計研究院聯(lián)合開展研究的主要內(nèi)容和結(jié)論，詳細研究方法和具體成果將由研究團隊成員另行撰文介紹。

2 圍堰工程特點和滲流控制目標

土石圍堰工程本身就是一座土石壩，但是與一般土石壩相比，深厚覆蓋層上土石圍堰的填筑施工、材料和運行條件具有如下特點:

(1)河床表面為建基面，松散覆蓋層為基礎。

(2)截流戧堤和部分堰體需要在水下施工。為應對深水和急流施工條件，截流戧堤往往通過拋投塊石、鋼架石籠，甚至預制混凝土四面體形成，存在架空現(xiàn)象和大孔隙;為了便于防滲墻施工，其上游堰體需要采用控制最大粒徑的土石拋填，填筑體密度低。

(3)大多數(shù)圍堰工程，尤其是西部高山峽谷地區(qū)的圍堰工程，一般采用河床砂礫石料、崩塌堆積體、殘積土、巖石風化料填筑。水利水電工程建設會產(chǎn)生大量的開挖棄料，為了減少環(huán)境影響和提高土方利用效率，硐室等開挖棄料往往被大量用于圍堰工程。

(4)圍堰工程作為水利水電工程的準備工程，為了控制準備階段的時間周期，也為了充分利用枯水季節(jié)作為有利的截流施工條件，圍堰工程往往施工期短，施工強度很大。

(5)圍堰工程建成后要經(jīng)歷基坑開挖和運用過程。例如圖1中的烏東德水電站上游圍堰，不僅堰體高度達70 m，而且在距離堰腳50 m處以外開挖基坑，逐步揭穿各層覆蓋層，最終形成高達84.8 m的開挖邊坡。堰體和堰基一起形成了高達154.8 m的復合邊坡?；娱_挖過程中和完成后，堰體和堰基的滲流場經(jīng)歷復雜的變化，堰體和基坑的滲透穩(wěn)定、堰基變形和與之緊密相關的圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防滲體安全也要經(jīng)受相應的考驗。

上述特點為圍堰工程的設計和科研帶來的挑戰(zhàn)，可以歸納如下:

(1)圍堰基礎和水下拋填施工堰體的防滲只得采用垂直防滲方案。堰體密度低，覆蓋層中可能存在漂礫，防滲依托層埋深大，這些都限制了防滲墻施工方案的選擇范圍。在特別深厚的覆蓋層條件下，防滲墻甚至無法深達可靠的防滲依托層，不得不采用懸掛式防滲墻方案。

圖1 烏東德水電站上游圍堰設計剖面圖Fig.1 Sectional drawing for the designed upstream cofferdam of Wudongde Hydropower Station

(2)基坑和圍堰邊坡的排水尤為重要。一方面，覆蓋層結(jié)構(gòu)復雜，砂層、砂卵石層滲透穩(wěn)定性差，基坑開挖施工需要超前排水才能避免出現(xiàn)滲透穩(wěn)定問題和抗浮穩(wěn)定問題;另一方面，基坑開挖邊坡高，需要通過排水降低出逸段和水壓力，才能促進邊坡的穩(wěn)定性。當采用懸掛式防滲墻方案時，排水措施更顯必要。所以深厚覆蓋層上圍堰工程的安全及其功能的發(fā)揮，需要依賴綜合防滲、排水措施的滲流控制體系，而不僅僅是防滲體系。

(3)設計的堰體結(jié)構(gòu)，尤其是防滲體結(jié)構(gòu)形式與材料方案，必須足以維護防滲體的完整性。

(4)需要密切監(jiān)控堰體和防滲體的運行性態(tài)，及早判斷不利于圍堰工程安全的變化趨勢，以便根據(jù)工程安全的需要，及時調(diào)度滲流控制體系，或者調(diào)整基坑施工方案。而實際上，針對防滲墻的監(jiān)測儀器的埋設還是個難題。

為了保障圍堰工程及基坑開挖和施工的安全，并有效地發(fā)揮圍堰工程對于施工場地的維護作用，應該通過設置滲流控制體系，達到如下總體目標:

(1)有效控制堰體、堰基滲流場，保障堰體滲透穩(wěn)定和堰體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及基坑開挖施工和永久建筑物施工的安全;

(2)有效控制基坑內(nèi)的水位和地下水位，盡力提高排水效率，以保障工程工期，降低工程建設成本;

(3)在確保工程安全、有效控制工期和成本的同時，合理控制對于周圍環(huán)境、地面設施和永久建筑物基礎的不利影響。

上述前2條是所有圍堰和基坑滲流控制體系應達到的目標，第3條目標對于平原地區(qū)的水利水電工程建設具有重要意義，要防止基坑排水造成的地面不均勻沉降、甚至塌陷危及鄰近的堤防、水閘等水利設施，交通設施，房屋建筑，水、電、氣輸送管線，電力塔等等的安全。

當圍堰已經(jīng)建成以后，圍堰和基坑安全的影響因素包括上游河道水位、下游基坑開挖、基坑排水，甚至大氣降雨、施工用水、施工動荷載等動態(tài)因素。所有與水有關因素的作用都需要通過滲流控制體系的有效運行，甚至適當?shù)恼{(diào)度運用得到制約或者補償。

針對具體的圍堰工程，要在上述總體目標下，詳細研究制定滲流控制的具體目標。例如圖1所示的烏東德上游圍堰工程，應根據(jù)堰體填料和覆蓋層的滲透變形特性研究確定堰體和堰基關鍵部位滲流比降的控制目標;根據(jù)堰體和基坑開挖坡穩(wěn)定性的需要，研究堰體、堰基中的滲流場分布和基坑開挖坡的出逸段高度控制目標。圍繞這些目標，研究滲流控制體系的具體設計方案，如圍堰防滲體的布置、結(jié)構(gòu)形式、材料和設置深度，堰體的分區(qū)反濾保護方案，堰基和基坑的排水方案，堰體和基坑開挖坡的防護方案等等。

3 主要研究內(nèi)容和技術路線

本專題題目為“圍堰防滲體系及結(jié)構(gòu)安全研究”，以下稱為“圍堰滲流控制體系及結(jié)構(gòu)安全研究”，這樣不僅與圍堰工程特點更貼切，也能更全面地反映本次實際開展的研究工作。

課題“深厚覆蓋層條件導截流及圍堰安全控制技術”中第3專題“深厚覆蓋層及堰體材料的工程特性研究”與本專題關系密切，其研究成果為本專題提供重要基礎。

本專題結(jié)合上述圍堰的施工、運行條件和功能要求，通過4個子題對圍堰滲流控制體系及結(jié)構(gòu)安全的關鍵問題進行研究:

(1)深厚覆蓋層上圍堰滲流控制體系研究;

(2)防滲體與堰體和地基相互作用模擬技術研究;

(3)圍堰結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控及綜合評價方法研究;

(4)圍堰防滲體建設新技術新材料研究。

專題研究過程中，充分吸收三峽二期圍堰等工程的已有研究成果和工程經(jīng)驗，并補充必要的試驗工作進一步揭示其防滲體的變形機理，以烏東德和白鶴灘水電站的圍堰工程為主要依托，采用第3專題“深厚覆蓋層及堰體材料的工程特性研究”提出的最新研究成果，通過物理模型試驗、數(shù)值模擬、材料配方試驗等開展本專題的針對性研究工作。

圖2是本項研究的技術路線簡圖。開展?jié)B流控制體系及其論證方法，主要是數(shù)值模擬方法的研究，在此基礎上開展對實際工程的滲流場和滲流控制體系的研究;通過防滲體與周圍介質(zhì)接觸作用的模型試驗，提出和完善接觸作用模型及數(shù)值模擬方法;通過對實際工程的數(shù)值計算研究防滲體與堰體及覆蓋層之間相互作用機理;通過滲流場模擬和應力應變計算工作之間的互動，充分發(fā)揮滲流控制體系促進防滲體安全和圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用;根據(jù)圍堰和防滲體的應力狀態(tài)和變形特性，提出防滲墻材料設計的強度和模量等指標要求，據(jù)此開展防滲墻材料的配方研究;針對提出的防滲墻體材料，試驗研究材料本構(gòu)模型參數(shù)，反過來又運用到圍堰的應力應變計算中，通過圍堰及其基礎與防滲體變形的分析，提出保障防滲體安全的變形控制目標;根據(jù)堰體和防滲墻之間相互作用的模擬成果，通過模型試驗，研究提出土工膜與防滲墻之間新的連接形式，以防止二者連接部位的破壞;研究防滲墻表面監(jiān)測儀器的埋設方法，研制相應的設備;根據(jù)深厚覆蓋層圍堰工程的特點，研究綜合安全評價方法。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technology roadmap

4 重要研究結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1)總結(jié)圍堰與大壩的差異體現(xiàn)在:圍堰的施工條件遠遠不同于大壩，決定了圍堰具有不同的基礎條件、堰體結(jié)構(gòu)形式、適用材料和建筑質(zhì)量;基坑開挖是對圍堰運行條件不斷改變的過程，決定了堰體和堰基的滲流場將經(jīng)歷更復雜的變化。圍堰和基坑的安全依賴于滲流控制體系的合理設置，同時圍堰要經(jīng)歷復雜水文、氣象和施工過程，也需要通過滲流控制體系的有效運行，甚至適當?shù)恼{(diào)度運用得以保障。

(2)針對深厚覆蓋層條件下圍堰工程的特點，系統(tǒng)論述了圍堰和基坑的滲流控制措施及其適用條件，以及滲流控制體系失效的后果，提出了失效表現(xiàn)形式，并建議作為早期失效的判別依據(jù)，相應地提出了失效的應急處置方案與后期處理措施。

(4)通過對烏東德水電站上游圍堰滲流控制措施研究表明，采用塑性混凝土防滲墻上接復合土工膜下接基巖帷幕灌漿的封閉式垂直防滲措施，對于堰體滲流場可以起到有效的控制作用，當基坑開挖到設計高程時，圍堰防滲墻下游側(cè)的自由面已經(jīng)降至覆蓋層中，但是基坑開挖坡上出逸段較高，排水措施既可用于基坑開挖的超前排水，也可用以降低開挖坡附近的自由面，以促進邊坡的滲透穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(5)多層結(jié)構(gòu)的深厚覆蓋層中，被防滲墻切穿地層的滲透性越強，防滲墻的滲控作用越顯著;當防滲墻未切穿滲透性較強的地層時，防滲墻的滲控效果會顯著降低;地層滲透性越強，基坑開挖的超前排水越有必要，排水效果也越顯著。

(6)防滲墻的底部存在局部施工缺陷時，對基坑邊坡出逸高程和出逸比降影響不大，但缺陷部位的集中滲流使其下游側(cè)覆蓋層中的局部比降升高，可能造成結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定的覆蓋層發(fā)生滲透變形;土工膜與防滲墻搭接部位局部拉裂或破損，對邊坡出逸影響也不大，但是缺陷部位附近的滲透比降較高，堰體的滲透穩(wěn)定性有賴于下游側(cè)反濾層的保護。

(7)滲流場數(shù)值分析是圍堰滲流控制體系論證的有力手段。二維和三維滲流模型的結(jié)合使用可以有效地進行滲流控制方案對比;在分析防滲體出現(xiàn)缺陷或繞滲的影響時宜采用三維滲流模型;區(qū)域性的三維滲流模型可用以論證綜合滲流控制體系布置方案，尤其是在排水井群布置方案和排水量的研究中可以發(fā)揮優(yōu)勢。這些研究方法在三峽二期圍堰、漢江興隆水利樞紐圍堰、烏東德水電站上游圍堰、南水北調(diào)中線穿漳工程和引江濟漢工程進口段基坑等的滲流控制體系論證中發(fā)揮了重要作用。

(8)采用長江科學院大型疊環(huán)式剪切儀，進行了防滲墻墻壁與周圍介質(zhì)接觸面特性大型疊環(huán)試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果分析了泥皮存在與否對防滲墻與周圍介質(zhì)接觸特性的影響，提出2種條件下剪應力與剪位移關系分別呈剛塑性變化和雙曲線變化。

(9)改造三軸壓力室上的試驗裝置，開展防滲墻墻頂刺入堰體的物理模型試驗研究，揭示了在不同上覆初始壓力下防滲墻墻頂阻力及刺入變形發(fā)展過程及規(guī)律，提出了描述墻端阻力－刺入變形非線性接觸面模型及其參數(shù)確定方法，據(jù)此完善了有限元計算程序，通過有限元計算結(jié)果與試驗曲線比較，驗證了模型的合理性和適用性。

(10)采用大型直剪儀進行了復合土工膜與砂礫料的直剪摩擦試驗，獲得了砂礫料與復合土工膜的摩擦系數(shù)范圍;揭示了摩擦系數(shù)隨砂粒含量和相對密度增加而增大的規(guī)律;當砂礫石層飽水時會導致摩擦系數(shù)有所減小，但影響不大。

(11)應用本專題提出的防滲墻體與周圍介質(zhì)接觸模型，通過非線性有限元應力應變分析，研究了烏東德和白鶴灘深厚覆蓋層圍堰工程防滲體與堰體和地基相互作用機理，提出了烏東德圍堰防滲墻材料的強度和模強比(彈性模量與抗壓強度的比值)等建議指標，以及防止防滲體破壞的變形控制標準，可供工程設計和安全評價參考采用。

(12)根據(jù)規(guī)范規(guī)定的有關布置原則，結(jié)合三峽二期圍堰、小浪底圍堰等工程安全監(jiān)測實踐經(jīng)驗，歸納提出了圍堰結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測布置原則;以烏東德水電站上游圍堰為例，結(jié)合本專題應力應變分析、滲流控制研究成果，系統(tǒng)提出了深厚覆蓋層條件下土石圍堰安全監(jiān)測布置原則及監(jiān)測工作重點。

(13)針對先填水下堰體后施工防滲墻的圍堰工程施工特點，提出了改進頂推法埋設防滲墻界面土壓力盒的新技術，并研制了頂推裝置樣機;通過模擬試驗驗證了技術的可靠性，解決了防滲墻界面土壓力盒埋設技術難題。

(14)針對深厚覆蓋層條件下土石圍堰工程及運行的特點，以監(jiān)測資料為基礎、以有限元反分析為主要技術手段，提出了評價圍堰結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的綜合方法，也為完善模型參數(shù)提供了方法，有利于更可靠地分析預測后續(xù)施工條件下圍堰結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

(15)依據(jù)本專題通過圍堰應力應變分析提出的防滲墻參數(shù)指標要求，采用烏東德白云巖作骨料，試驗提出了塑性混凝土配合比，其強度可達6.6 MPa以上，模強比低于220，達到了“高強低彈”的目標，更適用于深厚覆蓋層條件下高圍堰工程的防滲墻建設。

(16)齡期28 d后，塑性混凝土防滲墻材料的抗壓強度和彈性模量仍有增長，但抗壓強度增長較快，模量增長較慢，模強比隨齡期的增長有所降低，并趨于穩(wěn)定，說明其長期性能對圍堰工程安全更加有利。

(17)借助CT技術研究表明，塑性混凝土試樣在應力峰值前后開始出現(xiàn)裂紋，試樣密度減小，試件趨于破壞，從細觀上揭示和量化了塑性混凝土破壞過程。

(18)通過離心模型試驗，研究了土工膜與防滲墻之間的不同連接形式，結(jié)果表明，在以往采用的連接形式下，填料沉降和防滲墻變形產(chǎn)生的拉力可致使土工膜在與防滲墻連接部位拉斷;采用本次新提出的聯(lián)結(jié)形式，改變了土工膜的受力方式，可有效防止土工膜拉斷。

(19)通過直剪摩擦試驗，研究了土工膜與填料之間的界面摩擦效應、上覆壓力與土工膜拉伸強度之間的相互關系，提出了保證設有伸縮節(jié)的土工膜不被拉斷應滿足的條件，即土工膜所受拉力及摩擦力均小于拉伸強度。為此，宜選用拉伸強度較高的土工膜、摩擦系數(shù)低的界面材料，或減小土工膜埋置深度。

4.2 建 議

(1)實際工程中應結(jié)合具體的覆蓋層條件、圍堰結(jié)構(gòu)形式及其運行條件，具體研究滲流控制目標、滲流控制體系失效判別標準、防滲墻的強度指標及防止防滲體破壞的變形控制標準等，以便對工程設計、運行和安全管理提供直接的指導作用。

(2)鑒于改進頂推法僅進行了界面土壓力盒埋設模擬試驗，仍然有待于通過實際工程檢驗，建議在烏東德土石圍堰防滲墻工程及白鶴灘土石圍堰防滲墻工程中，開展防滲墻界面土壓力盒埋設新技術的應用研究，以進一步優(yōu)化埋設技術，實現(xiàn)推廣應用。

(3)圍堰工程施工中應夯實防滲墻附近的覆蓋層，適當提高防滲墻附近填料的密實度，以增強其對防滲墻的約束能力，改善墻體的應力狀態(tài)，加強對圍堰填料與覆蓋層界面處防滲墻應力變形的監(jiān)測。

致謝:感謝國家“十一五”科技支撐計劃和中國長江三峽集團公司對本項研究的支持。專題組成員共同為本項成果的取得做出了貢獻，另有許多專家為立項論證、研究工作的開展及成果的完善提供了寶貴的幫助和重要的意見，在此一并致謝。

［1］鄭守仁，楊文俊.河道截流及在流水中筑壩技術［M］.武漢:湖北科學技術出版社，2009.(ZHENG Shou-ren，YANG Wen-jun.Technology of River Closure and Cofferdam Construction in Flowing Water［M］.Wuhan:Hubei Science and Technology Press，2009.(in Chinese))

［2］包承綱.二期圍堰若干關鍵技術問題的解決［J］.中國三峽建設，1999，(5):32－36，39.(BAO Chenggang.Tackling Key Technology Issues in Stage II Cofferdam Construction［J］.China Three Gorges Construction，1999，(5):32－36，39.(in Chinese))

［3］李青云，程展林，孫厚才，等.三峽工程二期圍堰運行后的性狀調(diào)查和試驗［J］.長江科學院院報，2004(5):20－23.(LI Qing-yun，CHENG Zhan-lin，SUN Hou-cai，et al.Investigation on Removal of Stage II Cofferdam of Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2004(5):20－23.(in Chinese))

［4］廖仁強，李 偉，向光紅.烏東德水電站樞紐布置方案研究［J］.人民長江，2009，(23):5－6，20.(LIAO Ren-qiang，LI Wei，XIANG Guang-hong.Layout Plan of the Wudongde Hydro-junction［J］.Yangtze River，2009，(23):5－6，20.(in Chinese))

［5］宋勝武.冶勒水電站壩址水文地質(zhì)條件及壩基防滲處理的建議［J］.水電站設計，1992，(2):36－42.(SONG Sheng-wu.Hydrogeological Conditions of the Dam Site of Yele Hydropower Station and Suggestions on Dam Foundation Seepage Control［J］.Design of Hydroelectric Power Station，1992，(2):36－42.(in Chinese ))