6　小浪底土石坝坝基覆盖层处理措施研究

6.1　深覆盖层垂直防渗处理措施研究

6.1.1　防渗处理措施的演变

6.1.1.1　初步设计阶段

（1）双墙方案。根据防渗墙的抗渗比降要求，布置两道厚0.8～1.0m的防渗墙，在墙顶或两道墙的中间设置观测、灌浆廊道。采用两道墙，造墙工作量大，占用直线工期长；在墙顶或两道墙中间布置廊道，结构复杂。

（2）单墙顶设置廊道方案。一道墙，墙厚1.2～1.6m，在墙顶设观测、灌浆廊道。墙与廊道采用柔性活接头联接。考虑到在墙顶布置廊道结构复杂，施工质量难以保证，墙顶与廊道的联接型式尚存在不少问题。

（3）塑性墙加灌浆方案。一道厚0.8～1.0m的塑性混凝土墙，其两侧进行帷幕灌浆，以满足渗透稳定要求。基于塑性防渗墙用于永久工程，尤其是大型工程中的实例少，不宜在小浪底这样的大型工程中应用。在覆盖层上灌浆施工难度大、工期长。

1970年代末1980年代初，我国尚无在80m深覆盖层上建造防渗墙的施工经验，曾提出灌浆方案，并做了灌浆试验。试验结果表明，由于覆盖层有底砂层和大孤石，造孔极为困难，灌浆试验效果亦不理想。按设计规范要求，对于砂砾石基础，灌浆帷幕的允许比降一般为3～4，要求幕体厚度应不小于35m，按孔、排距3m计算，至少需要布置12排灌浆孔，灌浆工程量较大。

经过多年论证，结合水平防渗为主的坝型特点，初步设计阶段确定采用单墙方案，墙厚1m，墙顶插入心墙内7m，墙顶设置高塑性土区。

6.1.1.2　最终确定的设计方案

招标设计阶段，坝型优化为带有“上爬式”薄内铺盖的斜心墙坝型，主防渗墙设在斜心墙下，截断整个覆盖层；为了保证大坝基坑开挖的正常进行，在围堰下覆盖层深槽和左岸段设置防渗墙，右岸段靠人工和天然铺盖防渗。

主坝防渗墙采用单墙方案，防渗墙位于坝轴线上游80m处，墙厚1.20m，墙顶置高塑性土区，墙顶插入心墙内12.00m。

围堰塑性防渗墙位于坝轴线上游400.85m处。由于仅要求围堰防渗墙在施工期起临时防渗作用，故采用塑性混凝土防渗墙和高压旋喷灌浆防渗墙。

6.1.2　主坝混凝土防渗墙

6.1.2.1　墙体厚度和混凝土强度的确定

（1）墙体厚度的确定。混凝土防渗墙厚度的确定，主要考虑墙体混凝土的抗渗比降及耐久性、施工技术水平、造孔机械设备能力和墙体应力等因素。

1）抗渗比降。一般来说，混凝土不会发生渗透破坏。但水下浇筑混凝土质量较差，有时可能会产生水平夹泥层，槽孔竖向接缝亦会有夹泥，所以，习惯上还应对混凝土防渗墙的抗渗比降有所控制。国内外防渗墙混凝土的抗渗比降一般采用70～90，加拿大马尼克－3坝131m深防渗墙，混凝土允许比降采用80。国内外几个混凝土防渗墙采用的渗透比降见表6.1－1。

不考虑天然淤积的辅助防渗作用时，主防渗墙承受的最大水头约140m；当考虑天然淤积、内铺盖和上游围堰防渗墙铺盖联合防渗时，防渗墙承担水头约110m。根据小浪底水库的运用方式，水库运用初期为拦沙运用阶段，坝前淤积将很快形成，并起到一定防渗作用，故墙体按承担110m水头设计，确定墙厚为1.2m，相应抗渗比降为92。

2）施工机械设备能力及施工技术水平。防渗墙施工的难易程度重要一方面取决于墙体的厚度。一般而言，墙体厚度大施工难度也大，当墙体较厚时，随着墙体厚度的增加，施工难度会大幅度提高。以往，国内外混凝土防渗墙的厚度通常在0.60～0.80m之间，厚度大于1.00m的防渗墙数量很少，国内仅碧口墙厚1.3m，宝珠寺墙厚1.4m，国外法国维尔尼土坝和智利科勒本斜心墙砾石坝防渗墙厚1.2m。施工机械设备能力也是影响混凝土防渗墙厚度的重要因素，近年来国际上有1.2m抓斗的成套设备，利用该设备造孔可以加快小浪底防渗墙的建造速度，减少工程造价。

最终设计采用墙厚1.20m。

（2）防渗墙混凝土设计强度的确定。防渗墙混凝土设计强度取决于防渗墙应力。鉴于小浪底工程的重要性、复杂性和坝高等因素，初步设计阶段小浪底斜墙坝型及防渗墙，就曾作为国家“七五”攻关科研项目，采用不同的方法进行了分析计算研究，取得了大量成果。

对现坝型混凝土防渗墙，我们与清华大学、黄委会水科院和河海大学等单位采用相同或不同计算参数进行有限元分析计算。但直到目前，由于计算参数、计算假定和处理极其复杂，计算结果尚不能直接用于设计，而仅可作为重要的参考依据。以计算为参考，结合工程类比仍然是小浪底防渗墙混凝土设计强度确定的主要手段。

1）防渗墙应力计算成果。次大断面防渗墙的应力计算结果见表6.1－2，最大断面主防渗墙应力计算结果见表6.1－3。

不同的力学模型、参数和计算程序的防渗墙计算结果表明，防渗墙下部的应力较大。最大压应力发生在墙下部，其值大于50MPa；最大拉应力发生高程在130.00m附近，其值大于5.0MPa。

2）工程类比。铜街子水电站，混凝土防渗墙位于重力式挡墙下，深约70.00m。由于防渗墙承受上部的重量，应力较高，混凝土设计标号为35MPa。

加拿大马尼克－3水电站，坝址处为V形河谷，大坝为正心墙堆石坝，高107m，利用当地材料砂、砾石和冰碛土修建。坝基河床覆盖层厚130m，采用垂直防渗处理措施，防渗墙最深131m，由两道对称于坝轴线，中到中间距3m，厚0.6m的防渗墙组成，墙顶设有检查廊道。防渗墙采用的混凝土设计标号为34MPa。防渗墙施工时，河谷两侧冲积层深度小于50m的地段，采用板槽式防渗墙，河谷中间冲积层大于50m的地段采用联锁灌注桩。工程投入运用后，混凝土防渗墙的实测资料表明，在坝体自重和水压力的联合作用下，墙体压缩了140mm，墙顶向下游位移285mm。桩承受最大压力和弯曲时，所产生的压应力不超过24.5MPa，小于混凝土实测平均抗压强度41.8～45.6MPa。但是，峡谷使防渗体在沉降过程中产生了拱效应，坝体的部分重量传递到峡谷两边，两侧的墙体产生应力集中，部分墙段应力超过混凝土的抗压强度，导致墙的下端局部被压碎。

上述分析计算结果和工程经验说明，防渗墙应力的大小主要取决于河床覆盖层的深度、覆盖层性质及坝高等。而小浪底河床覆盖层的深度、覆盖层的性质以及坝高，决定了其防渗墙将产生较大的应力，需采用高标号混凝土。铜街子水电站和马尼克－3坝混凝土防渗墙，为采用高标号混凝土建造防渗墙，提供了依据和宝贵的经验。

小浪底防渗墙混凝土强度设计，参考防渗墙的应力应变计算结果及国内外已建高标号混凝土防渗墙工程实例，考虑国内施工水平，同时考虑利用混凝土的后期强度增长，确定小浪底主坝防渗墙混凝土的设计标号为R28＝35MPa。这样，一年后混凝土强度可以达到50MPa以上，基本满足防渗墙的应力要求。鉴于主坝防渗墙对大坝安全的极端重要性，水下浇筑的混凝土强度保证率要求不小于85%。

在混凝土防渗墙建成后相当长一段时间内，坝体填筑才能完成。在这一缓慢加荷过程中，由于混凝土自身徐变的影响，有可能使墙体的应力减小。而且墙是在高侧限条件下受压，墙越深，侧限压力越大，混凝土的抗压强度相对越高。上述因素都会对防渗墙的受力条件起到一定的改善作用，使混凝土强度满足防渗墙墙体应力的要求。此外，在造孔和混凝土浇筑过程中，墙体上、下游侧地基中均形成了较厚且致密的泥皮，对墙体中产生的裂缝，能起到较好辅助防渗作用。

（3）弹性模量和抗渗指标。根据混凝土设计强度、试验成果和工程类比，确定防渗墙混凝土弹性模量为30000MPa。

混凝土抗渗指标是根据防渗墙承受水头、混凝土标号、坝前淤积形成过程，并按照《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SDJ20—78）的规定，确定其抗渗标号为S8。

6.1.2.2　防渗墙插入土体的高度

按《碾压式土石坝设计规范》（SDJ218—84）规定，混凝土防渗墙顶应做成光滑的楔形体，插入防渗体内的高度应大于1/10坝高，也就是说要求防渗墙插入段与土体的接触比降应不大于5。国内部分已建坝混凝土防渗墙与土体的接触比降见表6.1－4。

从表6.1－4可看出，国内混凝土防渗墙插入土体段接触渗透比降大多为5左右。

三维渗流计算结果表明，防渗墙插入防渗体内高度为12m时无论是否考虑坝前泥沙淤积的防渗作用，平均接触比降均小于5。防渗墙左右两端在水平方向和土体的连接处为三向渗流作用，计算表明，墙体插入防渗体内20m，接触比降小于5。

6.1.2.3　防渗墙纵剖面确定

（1）确定防渗墙左、右端点考虑的因素。防渗墙左、右端点系根据河床和岸坡基岩面形状和地质条件确定。左岸岸坡较陡，防渗墙直接和岸边基岩相连接；右端点的确定主要考虑两方面因素，一是右岸滩地覆盖层仅深20m左右，一般情况下，覆盖层小于15～20m时，明挖后直接填筑土料更为经济；二是右岸由于受F1顺河大断层及其分支断层的影响，岩体较为破碎，为了更好地对其进行处理，决定采用明挖处理方案。因此，防渗墙右端点应选择在F1断层左侧影响带以外。

（2）防渗墙纵剖面。根据上述原则，防渗墙左端点DG0＋212.54，右端点DG0＋676.57，全长464.03m，防渗面积约21174m2。其中自DG0＋246.40～DG0＋653.80，长407.40m为水下浇筑的槽孔墙，其防渗面积约15950m2。

当混凝土防渗墙两端的覆盖层较浅时，一般有两种建造方法：一是用地面造孔施工的方法直接做到墙的端点；二是两端预留一定长度，明挖后立模浇筑。

如果采用槽孔墙，当端部与防渗体连接的墙体开挖出来后填筑防渗土料时，由于墙面不平整，靠近墙体的土料不易压实，将会降低混凝土防渗墙与土的接触渗透比降。另外，开挖后将造成高20m的墙体临空，对墙的结构安全不利，也不经济。因此，采用明挖立模浇注混凝土防渗墙。这样不仅避免了不利因素，也有利于基础处理。

水下施工的槽孔防渗墙分两期施工，自DG0＋394.80～DG0＋653.80为第一期，墙长259m，造孔面积11850m2，成墙面积10541m2；自DG0＋246.40～DG0＋394.80间槽孔墙及地面以上立模浇筑的防渗墙为第二期。

为使截流前，河槽主流段有足够的过水能力，将第一期工程槽孔墙自DG0＋394.80～ DG0＋460.80，长66m一段，墙顶仅浇筑到高程126.50m，大致相当原河槽地面高程。桩号DG0＋460.80以右，用三个槽孔过渡到墙顶浇筑高程138.50m。左侧预留缺口，其目的是考虑右岸先期施工，为洪水留下足够的过水断面。

主坝混凝土防渗墙纵剖面见图6.1－1。

（3）墙体嵌入基岩的深度。墙与下部基岩的连接一般嵌入基岩1m，遇断层嵌入深度增加至2m。在基岩陡坎段墙体嵌入基岩的深度在各个方向均不小于1m；右端三个槽孔考虑开挖后基础处理及墙身的稳定性，嵌入基岩的深度增加至4m。

6.1.2.4　墙体结构

（1）墙顶结构形式。应力应变计算表明，墙顶周围土体的应力状态十分复杂。工程实例表明，防渗墙顶部与周围土体的连接处是大坝防渗的最薄弱部位。由于不均匀沉降，墙顶周围土体有可能产生剪切破坏。为此将防渗墙顶部3m做成楔形体，顶端为圆弧形，使防渗墙顶部周围土体的应力状态达到一定的改善。

（2）槽孔墙与立模浇筑墙连接。首先应凿除一期槽孔墙混凝土顶部质量较差的混凝土，并在其顶面上沿墙轴线凿深0.15m、底宽0.3m的梯形键槽；无钢筋笼处在墙的上、下游侧受力钢筋相应位置处打插筋，插筋直径、间距与受力钢筋相同，插筋深度不小于30倍插筋直径；有钢筋笼处钢筋应伸入二期立模浇筑墙，伸入长度同样不小于30倍钢筋筋直径。考虑到两期墙体连接缝的水平缝为受压缝，缝间不设止水。

对于槽孔墙两侧与立模浇筑墙间的竖直缝，缝面进行凿毛处理，布置两排水平插筋，使新旧混凝土更好的连接，在距接缝1.00m处的立模浇注混凝土墙中设伸缩缝，缝内设一道铜片止水。

（3）立模浇筑墙的分缝。立模浇注墙分缝是为了适应由于墙高度不同在墙上部产生的不同的水平位移，同时也为适应混凝土收缩变形。缝的间距视墙底基岩面形状而异。从图8.1－5可看出沿墙轴线方向防渗墙明显可分为河床深槽段、基岩陡坎段和两岸浅槽段。当墙底基岩面较平缓时，缝间距一般为12.00m；在河床深槽右侧基岩陡坎段，沉降缝间距减为7.00m，以适应较大变形。

立模浇筑段混凝土防渗墙分缝的构造比较过以下两种形式：

1）自由伸缩缝，但水平钢筋在分缝处不断开，缝间做止水。当墙体在受到水平力作用时，墙体能够始终保持整体性和变形的连续性。但由于墙体较长且墙高度相差较大，可能会出现局部应力集中，使墙体的受力变得复杂化。钢筋过缝，施工比较困难。

2）缝为自由缝，竖直方向设键槽，钢筋在分缝处断开，缝间设止水。墙体的受力比较明确，施工简单，设置键槽以加强墙体的整体性。

综合比较后最终选用第二种型式。缝间设置一道紫铜片止水，缝内涂沥青。

（4）防渗墙配筋。施工过程中，斜心墙除产生垂直沉降外，还有向上游方向的水平位移，位于斜心墙底部的防渗墙，其顶部和斜心墙协调变位，防渗体向上游移动的同时，推动了防渗墙向上游的运动，防渗墙产生位移，墙体出现偏心受压。从表6.1－2计算结果可知，最大压应力发生在墙下部，最大拉应力发生高程在130.00m附近，拉应力大于5.0MPa。在土石交接面处，由于两种材料的弹性模量相差较大防渗墙下游侧出现一定的拉应力。水库蓄水后，防渗墙在水压力作用下，防渗墙、基础覆盖层和斜心墙协调变位后，墙顶产生了向下游的位移，使防渗墙上部的拉应力消失。

参照上述计算结果，为安全计，高程在126.00m以上的墙内设置钢筋笼。深槽段墙下游侧受力钢筋为732/m，上游侧受力钢筋为522/m。浅槽段墙上、下游两侧受力钢筋均为522/m。坝基开挖后，墙体露出地面约10m，在墙的上部设置钢筋笼还可以抵御大型施工机械碰撞、墙两侧土压力差等外荷作用对墙体可能造成的危害。

6.1.3　上游围堰防渗墙

6.1.3.1　防渗墙布置

（1）左右端点的确定。防渗墙的布置曾考虑以下两种形式：

1）左、右两端均嵌入岸边岩层。

2）左端嵌入岸边岩层，右端插入右岸滩地一定长度。

前者封闭整个覆盖层，后者仅截断深槽和主河槽段，右岸利用滩地冲积土层和人工铺盖防渗，减少了造墙工程量。经比较技术经济论证，采用后者。

（2）墙体划分。围堰防渗墙的主要作用是拦洪围堰地基防渗，满足截流后主坝基坑开挖、下部坝体填筑的需要。由于运用时间较短，上游围堰防渗墙深槽段覆盖层采用塑性混凝土防渗墙。

根据施工进度安排，截流后围堰施工工期非常紧张。根据河床主流段的覆盖层条件，在满足防渗的前提下，为加快施工进度，上部和左岸段则采用单排高压旋喷灌浆防渗墙。

塑性混凝土作为防渗墙墙体的新材料，具有较好的和易性、较长的终凝时间，易于浇注和接头孔的施工，尤其重要的是塑性混凝土比常规混凝土，混凝土可节约水泥200～250kg/m3，具有较好的经济效益。我国自20世纪80年代以来，开始研究塑性混凝土，并将其应用于水利工程之中，如十三陵抽水蓄能电站尾水围堰防渗墙，册田水库土坝坝体防渗墙，水口水电站主围堰防渗墙等。小浪底上游围堰深槽段覆盖层采用塑性混凝土防渗墙，经分析技术可行、经济上合理。

根据施工导流要求和高压旋喷灌浆深度不宜超过40m的实践经验，河床深槽段自D0＋252.59～D0＋492.00为塑性混凝土防渗墙，在截流前施工。左岸主河槽段D0＋252.59以左宽约250m段，覆盖层较浅，其厚度一般小于20m，截流后为尽量缩短基础处理时间，该段采用单排高压旋喷灌浆防渗墙，在枯水围堰顶上施工，以缩短工期。

一期防渗墙左端点位置主要考虑两个因素：一是考虑高压旋喷灌浆最大深度不超过40m；二是尽量向左延伸，以减少截流后工程量。右端点位置考虑减少渗透流量和降低墙后渗透比降，截断河床深槽段，并延伸到铺盖内一定长度。防渗墙嵌入基岩深度不小于0.5m，顶部深入防渗体内3.00m。

上游围堰防渗墙纵剖面见图6.1－2。

为保证右岸滩地施工期间主河槽20年一遇洪水的过水断面，一期墙顶不宜高于原河床地面。因此，前期施工的塑性混凝土防渗墙顶做成一个台阶状。D0＋252.59～D0＋400.50墙顶高程135.00m；D0＋400.50以右墙顶高程140m。

6.1.3.2　塑性混凝土防渗墙设计

（1）墙厚的确定。拦洪围堰洪水标准按百年一遇设防，堰前水位177.30m，考虑基坑开挖，堰后最低水位约125.00m，围堰上、下游水位差约50m。根据已建工程经验（见表6.1－5）确定墙厚为0.8m，抗渗比降为62.5。

（2）混凝土设计强度的确定。根据二维有限元计算，墙的最大应力位于墙的底部，其值在2.0～6.0MPa，国内塑性防渗墙塑性混凝土的设计强度一般在1.2～2.0MPa之间；国外智利科尔本土坝，为斜心墙堆石坝，坝高116m，坝基覆盖层深68m，采用塑性混凝土防渗墙，墙厚1.2m，90d龄期混凝土无侧限抗压强度为2.20MPa。国内外几个塑性防渗墙采用设计参数见表6.1－5。

塑性混凝土具有后期强度增长较大的特点，一年的强度一般为28d强度的2.5倍以上。塑性墙先期施工，完工后约两年上游围堰才能形成，利用混凝土后期强度是可行的。基于上述理由，混凝土的设计强度确定为R28＝2.0MPa，强度保证率不小于80%。

（3）弹性模量和抗渗指标。根据混凝土的设计强度和覆盖层的变形特性，并参考已建工程实例及科研成果，要求混凝土弹性模量不大于500MPa，与坝基覆盖层的弹性模量基本相当，以保持墙体和覆盖层变形的协调性。混凝土抗渗标号不小于S4，渗透系数1×10－7cm/s。

6.1.3.3　高压喷射混凝土防渗墙

（1）现场试验。高压喷射混凝土墙的成墙效果主要受覆盖层材料颗粒组成和深度影响。为了解高压旋喷在小浪底砂砾石覆盖层中成墙效果，于1991年委托山东省水科所进行了现场造墙试验。

试验区地面以下0～5.4m为粉细砂层；5.4～7.0m为砂夹少量砾卵石层，自上而下卵石含量逐渐增多；7.0～19.0m为卵漂石地层并夹有块石，块石粒径一般为1～3m；19.0～22.0m为含砾砂层；22.0～31.5m为含少量漂石的砂卵石层。

墙体由旋喷柱列形成，两柱中到中间距为1.0m。造墙结束后，分别进行了板墙开挖和围井开挖目测检查、钻孔取样检查、围井压水和注水试验，室内外各项物理力学性能测试试验结果见表6.1－6。

（2）结构设计。高喷墙在上游枯水围堰顶高程152.50m上施工。工作面长384m，总造墙面积10200m2，最大墙深40m。分两序孔施工。

根据上述试验，高压旋喷桩中到中间距1.0m，两桩之间最小厚度不小于0.6m，要求造孔倾斜率不大于0.5%，墙体嵌入基岩和岸坡的深度为1.0m。

塑性防渗墙和高压旋喷灌浆防渗墙连接采用搭接形式，水平方向搭接长度为8m，竖直方向搭接长度为5m。