小蓮花水電站防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

阮建飛 陳 浩 王昶力

小蓮花水電站樞紐工程位于黑龍江省林口縣蓮花村附近的牡丹江上，是以發(fā)電為主，并兼顧下游生活用水和生態(tài)環(huán)境的綜合性樞紐工程，正常蓄水位161.0 m，水庫總庫容1 784萬m3，電站裝機容量40 MW。小蓮花水電站工程等別為Ⅲ等中型工程，樞紐主要建筑物閘壩、電站廠房及兩岸連接壩等為3級建筑物。

小蓮花水電站壩基覆蓋層主要為第四系砂卵礫石層，其存在滲漏及滲透穩(wěn)定問題，考慮防滲效果、施工工藝及投資等因素，可研階段工程選用0.4 m厚的混凝土防滲墻對壩基進行截滲處理，墻端嵌入基巖不小于1 m，防滲墻最大深度為23 m，施工圖階段針對地層情況作進一步分析認(rèn)為，由于卵石粒徑較大，采用抓斗成槽施工易造成塌孔，工效較低，難以成槽，因此，將墻體厚度調(diào)整為0.6 m。

1 工程地質(zhì)

壩址區(qū)揭露的地層巖性，基巖為華力西晚期白崗質(zhì)花崗巖和黑云母花崗巖。河床階地以弱風(fēng)化巖為主，兩岸山坡淺表部見有全、強風(fēng)化巖，以下為弱風(fēng)化巖，強度較高。覆蓋層為第四系沖洪積層，厚度17～30 m。分布于兩岸階地、漫灘及河床。坡積的粉質(zhì)黏土分布于兩岸坡腳附近，厚2～5 m。

壩基覆蓋層主要為土黃色含泥卵石⑥-1、雜色卵石⑥-2，下部為含泥砂礫石層⑥-3。根據(jù)顆分資料：土的不均勻系數(shù)39～52，均大于5，屬級配不連續(xù)、不均一土，滲流破壞形式為管涌型。據(jù)鉆孔抽水試驗，其滲透系數(shù)為11.3～43.46 m/d，屬強透水層。地基土允許滲透比降為0.20。

工程區(qū)主要存在滲漏及滲透穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題。

壩基土體顆分試驗成果詳見表1。

表1 壩基土體顆分試驗成果

2 設(shè)計要點

2.1 防滲方案選擇

針對于壩基覆蓋層較厚（一般指15 m以上）的防滲，通常選用的方式有：水平鋪蓋防滲、垂直混凝土防滲墻或帷幕防滲。

本工程通過經(jīng)濟技術(shù)合理性分析，閘壩的建基方案推薦選用軟基方案，即閘壩基礎(chǔ)經(jīng)適當(dāng)開挖后，直接置于砂卵石地基上。通過分析計算表明，采用水平鋪蓋防滲如需滿足地基土的出逸滲透穩(wěn)定要求，其長度至少需要50 m，且滲漏問題依然存在，而采用混凝土防滲墻進行截滲處理需要的平均深度約為20 m（泄水閘壩段），經(jīng)比較，混凝土防滲墻方案具有造價低、防滲效果好的優(yōu)勢，因此，本工程最終選用混凝土防滲墻做為壩基防滲措施。

另外，通過對地層結(jié)構(gòu)進行分析，地基的密實程度及承載力均較高，閘基范圍內(nèi)變形有限，故根據(jù)類似工程經(jīng)驗，可將防滲墻直接置于閘底板下即可。

2.2 墻體厚度選擇

在砂卵石上建造防滲墻，其厚度除應(yīng)考慮允許滲透比降、形變要求外，還應(yīng)考慮地層級配粒徑、孔斜率等是否能滿足施工工藝要求以及工程投資等因素，并通過結(jié)構(gòu)計算最終確定其厚度。

可研階段，本工程按允許滲透比降確定的墻體厚度僅需0.2 m，而滿足施工工藝要求的墻體厚度一般不小于0.3 m，另外，槽孔孔斜率一般控制在0.4%以內(nèi)，本工程防滲墻最大深度為23 m，如果考慮最不利孔斜因素，防滲墻有效厚度可減少16 cm，因此，綜合造價及結(jié)構(gòu)計算分析，確定防滲墻厚度為0.4 m。

施工圖階段，結(jié)合地層情況對墻體厚度作進一步分析，墻厚采用0.4 m的防滲墻，如采用抓斗成槽法施工，其卵石最大粒徑不宜超過6～10 cm，如采用沖擊鉆成槽法施工，雖可適應(yīng)各種地層條件，但工效較低。而壩基土體粒徑大于6 cm的顆粒含量平均達(dá)到21%，如采用過薄的防滲墻會因施工難度加大而降低工效，達(dá)不到減少造價的目的（成槽占比投資加大），且施工質(zhì)量不易保證，大大降低防滲可靠性，因此，綜合考慮施工工效、施工質(zhì)量及樞紐運行安全，將防滲墻厚度調(diào)整為0.6 m。

截至2017年底，本工程防滲墻已全部施工完畢。在具體實施過程中，部分施工圍堰臨時防滲墻厚度采用的是0.4 m，成槽過程中，局部地段塌孔嚴(yán)重，實際成槽寬度采用了0.6 m，進一步驗證了壩基防滲墻厚度采用0.6 m是合理可行的。

2.3 細(xì)部構(gòu)造設(shè)計

由于本工程防滲墻建造在砂卵石地基上，槽孔坍塌的風(fēng)險較大，存在較多的不確定性，另外，樞紐由多種建筑物組成，防滲墻的連接型式多樣，如連接不當(dāng)，可能會帶來一定的安全隱患，對樞紐安全運行不利，因此，有必要對防滲墻的連接型式等細(xì)部構(gòu)造進行詳細(xì)設(shè)計。主要細(xì)部構(gòu)造方案擬定如下：

（1）防滲墻與上部混凝土底板的連接采用柔性接頭，考慮形變協(xié)調(diào)，墻體上部分別采用0.2、0.25 m厚的90#水工瀝青作為封蓋，上部與泄水閘底板、電站底板相接，墻頂嵌入底板不小于0.15 m。為使防滲可靠，將縫間止水嵌入瀝青封蓋層中。

（2）土壩與混凝土壩連接段的局部防滲墻，墻體上部采用現(xiàn)澆的二期混凝土進行連接，在接觸面設(shè)置銅止水1道，為使防滲可靠，改善應(yīng)力狀態(tài)，墻體兩側(cè)回填黏土。

（3）左右岸的土壩均為黏土心墻壩，為防繞滲破壞，下部防滲墻應(yīng)伸入黏土心墻不小于1.5 m。

（4）上述現(xiàn)澆段防滲墻沿縱向需設(shè)置施工縫，每10 m 1道，縫間填1 cm厚閉孔板，為使一二期混凝土結(jié)合緊密，一期混凝土面需進行鑿毛處理，并預(yù)埋插筋。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)樞紐工程布置以及壩基地層情況，選擇泄水閘壩段對0.4 m厚和0.6 m厚的防滲墻均進行了結(jié)構(gòu)計算分析，主要結(jié)論如下：

（1）由于防滲墻上部壓重較大，各工況下的防滲墻應(yīng)力大多呈壓應(yīng)力狀態(tài)。不同墻厚的最大壓應(yīng)力約為4.20 MPa，最大拉應(yīng)力約為0.1 MPa，均位于防滲墻頂部。

（2）通過進一步分析，由于防滲墻頂端及底部受較強的約束作用，局部會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但如果頂部采用了柔性壓蓋材料，其應(yīng)力狀態(tài)會大大改善，另外，實際施工過程中，由于槽孔泥漿固壁的需要，在土體與墻體間會有一層泥皮，其可大大降低接觸面的摩擦系數(shù)，從而減少由于上部較大的壓應(yīng)力而對墻體產(chǎn)生的負(fù)摩阻力，改善應(yīng)力狀態(tài)。

（3）墻體的水平位移其總體趨勢符合一般規(guī)律。0.4 m厚墻厚的位移相對較大，在完建工況下，防滲墻總體位移偏向上游，最大位移為0.90 cm，位于墻高的2/3處，從墻高2/3處至墻底，位移漸趨向于0，在正常蓄水工況下，由于上游面受水壓力的作用，墻體位移漸偏向下游，泄水閘壩段最大位移為2.00 cm，位于墻頂部。

（4）通過分析，防滲墻其總體應(yīng)力水平較低，普通混凝土防滲墻即可滿足本工程的要求。

根據(jù)以上計算分析，綜合考慮工程耐久性等要求，確定防滲墻的主要設(shè)計指標(biāo)為：混凝土強度指標(biāo)為C25W8；滲透系數(shù)k≤i×10-7cm/s；允許比降不小于80；強度保證率達(dá)到90%。

4 結(jié)語

防滲墻工程設(shè)計得當(dāng)與否，對施工質(zhì)量、工程安全、經(jīng)濟效益均有直接的影響，因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)具體問題具體分析，注重對防滲墻的結(jié)構(gòu)可靠性、耐久性及工程投資合理性等分析的同時，還應(yīng)對工程地質(zhì)條件加強分析，力求技術(shù)經(jīng)濟合理。