大西沟沥青心墙坝防渗处理和渗流分析

邵 宇，许国安，朱 瑞，罗晓霞

1 工程概况

大西沟水库是乌鲁木齐河上的龙头水库，位于乌鲁木齐市境内，乌鲁木齐河干流大西沟出山口处；坝址距下游乌拉泊水库58 km，距乌鲁木齐市68 km。它是一座以防洪兼顾供水及灌溉等综合利用的大（1）型水库。

1．1 枢纽工程

水库枢纽工程如图1所示，枢纽布置以大坝为主体，主要建筑物由沥青心墙坝、开敞式溢洪道、泄洪兼导流洞和放水灌溉洞组成；拦河大坝坝体防渗体为垂直式沥青混凝土心墙，心墙两侧设置过渡层，坝壳填筑为砂砾料。最大坝高92．2 m，坝顶长 427．00 m（0 ＋ 000．00 ～ 0 ＋427．00 m），坝顶宽 10 m，坝顶高程1 989．20 m，属典型峡谷型土石坝。标准横剖面见图2所示。坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高出坝顶1．2 m。上游坝坡为1∶2．5。上游坝坡采用C25混凝土板护坡，由1 933 m高程护至坝顶，护坡厚0．25 m，分块尺寸 5 m×5 m。下游坝坡为1∶2．25，采用干砌石护坡，护坡厚0．3 m。下游坡脚处设顶宽3 m的排水棱体，棱体顶高程1 925 m。

图1 水库枢纽工程总平面布置图Fig．1 The general layout of the reservoir

图2 标准横剖面Fig．2 Cross section of the dam

坝体填筑分区从上游至下游分为砂砾料区、过渡料区、沥青混凝土区、过渡料区及排水料区。

坝壳填筑砂砾料，采用C2，C3，C4料场的砂砾料。过渡料位于心墙的两侧，水平宽度上下游均为3 m。顶高程1 987．40 m，底部建在弱风化基岩建基面上，采用级配连续、最大粒径为80 mm、小于5 mm粒径含量不超过30%的砂砾料，渗透系数大于10－3cm／s。

排水棱体顶高程1 925．00 m，顶宽3 m，棱体上游坡设两层反滤，其坡度1∶1．5，下游坡度1∶2．25，粒径D≥5 mm。

沥青混凝土心墙为垂直式，墙体轴线偏向上游，距坝轴线3．75 m。沥青混凝土心墙顶高程1 987．40 m，墙底高程1 897．00 m。沥青混凝土心墙的厚度：心墙顶宽0．5 m，底宽1．2 m，在底部做放大脚与基础相连。沥青砼心墙顶部嵌入防浪墙底板20 cm，与坝顶防浪墙紧密结合。

1．2 工程地质条件

大西沟水库位于乌鲁木齐河主干大西沟出山口处，下坝址沥青心墙坝坝线位于河床相对较窄处，下坝址呈不对称“U“型谷，河床宽130～140 m，河床高程1 922～1 924 m，校核洪水位1 988 m时，相应河谷宽347 m。

左岸地形陡峻，右岸由冲积阶地构成台阶状地形，阶地前缘斜坡坡角25°～30°。

心墙坝河床坝基上下游最大宽度380m，坝轴线工程地质条件如下：

（1）左坝肩（0－100～0＋066）段：基岩岩性为下石炭统齐尔古斯套群（C1qr）的凝灰岩、凝灰质泥岩，岩层产状305°～310°SW∠40°，岩层走向与坝轴线夹角35°～40°，岸坡自然坡角 45°～50°，属峻坡。左坝肩强风化层厚度5～8 m，节理裂隙较发育，岩体破碎。强风化层厚为30 m左右。相对不透水层（q≤5 Lu）基岩面以下埋深60～70 m。

（2）河床坝地（0＋066～0＋245）段：河床段为第四系冲积砂卵砾石层，厚度为10～14 m，覆盖层渗透系数 K＝（（（2．66～3．24）×10－2cm／s，为强透水层。

覆盖层下伏基岩为凝灰岩和泥质凝灰岩，基岩强风化层厚为5～12 m，强风化层节理裂隙发育，岩体破碎。坝基相对不透水层（q＜5 Lu）基岩面以下埋深40～50 m。

F126，F126－1，F126－2，F130一组北西向断层通过坝基，断层糜棱岩厚0．5～0．7 m，呈半胶结状。

（3）右岸（0＋245－0＋550）段：右岸发育Ⅰ ～Ⅲ阶级地，自然边坡坡度30°～40°，属陡坡，自然边坡稳定，Ⅲ阶级地面较平坦，阶面宽100～150 m，表层为风积黄土、洪积粉土、碎石土，下部为冲击砂卵砾石，相对密度0．77～0．78。坡脚处堆积碎石土，厚3～5 m左右，基岩岩性为下石炭统齐尔古斯套群（C1qr）的巨厚层状凝灰岩和凝灰质泥岩。岩层产状305°～310°SW∠40°，岩层走向与坝轴线夹角 35°～40°。基岩强风化层厚度5～8 m，节理裂隙发育，岩体破碎。强风化层厚为30 m左右。相对不透水层（q≤5 Lu）基岩面以下埋深20～30 m。

2 防渗处理措施

2．1 坝基和坝肩的防渗处理

相对不透水层（q≤5 Lu）基岩面以下埋深：左岸（0－100～0＋066）60～70 m；河床坝基（0＋066～0＋245）40～50 m；右岸（0＋245～0＋550）20～30 m。

坝壳基础：在河床部位，开挖至粉细砂层底部；左岸基岩裸露，仅清除表面松散体；右岸上下游坝壳部位清除表层风积黄土、洪积粉土、碎石土等。两岸开挖边坡1∶0．5～1∶1．25。

心墙基础：心墙基础座落在强风化下限，心墙两侧上下游岩石开挖边坡1∶0．5，砂砾石覆盖层开挖边坡1∶1．5。过渡料基础防渗处理同心墙基础。

固结灌浆：在心墙底部浇筑1．2 m厚的砼铺盖，并对心墙进行2排固结灌浆。在建基面表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆的目的是提高表层基岩的整体性和提高帷幕灌浆的灌浆效果。灌浆深度5～8 m，孔距为3 m，排距为4 m。

帷幕灌浆深度按q≤5 Lu作为控制标准。帷幕灌浆为两排，河床段帷幕深度为40～56 m，左岸为48～56 m，右岸为30～50 m。帷幕孔的孔、排距均为2 m。

两坝肩设灌浆平洞，按q≤5 Lu的控制标准，左右岸平洞长度分别为30 m和65 m，设单排帷幕灌浆孔，孔距2 m，孔深分别为30～50 m、30 m。

断层处理：对于建基面出露的节理裂隙、断层，均作断层影响带挖除，用混凝土塞回填处理，并加强固结灌浆。

2．2 心墙坝底部和周边的防渗处理

沥青混凝土心墙同周边的连接是防渗系统结构的关键，处理的好坏，将直接影响大坝的安全运行。为增强防渗效果，心墙浇注在混凝土盖板上，并将沥青混凝土心墙的厚度增加1～2倍。

为增大黏结力并适应心墙水平变形，沥青混凝土放大脚与混凝土底板之间做1cm沥青玛蹄脂，沥青玛蹄脂在正常运行或地震条件下可以满足连接面的变形要求和防渗要求，不需要另外设置止水。

为了增大心墙与基座混凝土的接触面积，加大渗径，沥青混凝土心墙底部在距混凝土底板2．4 m处做放大脚与混凝土基座连接，接触面设计成浅弧连接。

根据沥青混凝土心墙坝枢纽布置，溢洪道进口位于坝体桩号0＋427处，此处坝体高度为10．36 m，根据《沥青混凝土心墙设计准则》（SLJ01－88），设计与心墙连接部位的溢洪道边墙的坡度为1∶0．5，宽度为6．0 m，心墙与混凝土结构之间设沥青玛蹄脂，扩大心墙端部，接触面设计成浅弧连接。

2．3 心墙坝底部断层的防渗处理

对于建基面出露的节理裂隙、断层，均作断层影响带挖除，用混凝土塞回填处理，并加强固结灌浆。沥青混凝土心墙防渗体建在弱风化基岩建基面上，其下部断层填混凝土塞并加强灌浆处理。在建基面上浇筑厚1．2 m、宽6 m的C20混凝土盖板，将基岩与沥青混凝土防渗体连为一体，以满足坝基坝肩灌浆处理和防止接触冲刷的需求。

3 渗流计算模型

3．1 模型规划和布置

对所研究的渗流区域进行渗流数值模拟要以不使渗流状态失真为原则。根据大西沟电站工程枢纽和工程地质、水文地质的资料和计算要求，所研究的渗流区域的模型范围为水库枢纽工程总平面布置图中方框（加粗黑色）所示范围。

为计算处理简便起见和偏安全考虑，模型规划时把上游混凝土板护坡按坝壳料模拟。鉴于F126，F130等组断层的资料太少，F126，F130等组断层对渗流场的影响仅作定性研究。以大西沟水库下坝址沥青心墙坝纵剖面图为依据，假定F126，F130等组断层垂直坝轴线并贯穿整个上下游岩基。

3．2 计算模型网格剖分和所研究区域的渗透系数的分区

沿坝轴线方向（即为X轴方向）分33个网格，沿上下游方向（即为Y轴方向）分37个剖面，沿垂直方向（即Z轴方向）分15个网格，共16 128个单元，总节点数为18 315个，单元采用8个节点的等参数六面体单元。将所研究区域分成11个渗透分区，各渗透分区详见表1。

表1 沥青心墙坝体和坝基各岩土层渗透系数表Table 1 The permeability coefficients inside the core of the dam and every soil layer in dam foundation

4 计算成果及其分析

我们进行了下坝址沥青心墙坝设计洪水位1 981．0 m和校核洪水位1 988．0 m等工况的的三维稳定渗流有限元计算分析，本文仅对设计洪水位1 981．0 m进行计算分析，并与黏土心墙坝的三维稳定渗流有限元计算进行了分析。

对于上游水库蓄水位为1 981．0 m的设计洪水位，共进行了11种工况的三维稳定渗流有限元计算分析。各方案见表2。

A2的计算条件：上游水位1 981．0 m；下游水位1 921．60 m；不考虑断层的影响；沥青心墙被认为是不透水的。

A4的计算条件：上游水位1 981．0 m；下游水位1 921．60 m；断层的渗透系数为1．0×10－3cm／s；沥青心墙被认为是不透水的。

4．1 F126断层、F130断层防渗处理的必要性和重要性

鉴于F126，F130等组断层的资料太少，关于F126，F130等组断层对渗流场的影响，仅作定性的研究。以大西沟水库下坝址沥青心墙坝纵剖面图为依据，假定F126，F130等组断层垂直坝轴线并贯穿整个上下游岩基；假定F126断层及其影响带的宽度为6．0 m，F130断层及其影响带的宽度为8．0 m。基于上述假定，对于上游水库蓄水位为1 981．0 m的设计洪水位情况，我们进行方案A2、方案A4、方案A6、方案A8的计算分析研究。其计算结果见图3～图5和表2。

从方案A4、A6、A8和无断层情况的方案A2计算结果的比较，可以看到：

图4 0＋180剖面等水头线（方案A2）Fig．4 The contours line of water head at cross section 0＋180（scheme A2）

图5 0＋180剖面等水头线（方案A4）Fig．5 The contours of water head at cross section 0＋180（scheme A4）

表2 心墙渗透性对坝体最大渗透坡降、水位和总渗流量的影响Table 2 The influence of permeability coefficient of the core on the maximum seepage gradient，water level and seepage volume

F126、F130等组断层对渗流场的影响较大，F126、F130等组断层穿过心墙坝基，因此通过坝基的渗流水将大大增加，其渗流量也将大大增加，沥青心墙下游侧的水位高程也有所抬高，心墙底部的渗透坡降（特别是灌浆帷幕处）也增大。

方案A4和无断层情况的方案A2比较，其渗流量将增加12%；在桩号0＋80至桩号0＋300的河床地区及其附近的心墙下游侧的水位高程将抬高0．2～0．5 m；心墙底部的最大渗透坡降（灌浆帷幕处）将增加42．5%；而对于断层的渗透性更大的方案A6、A8和无断层情况的方案A2的渗流量相比，其渗流量将增加54．4%以上；心墙下游侧的水位高程将抬高0．6～3．6 m以上；心墙底部的最大渗透坡降（灌浆帷幕处）增加60%以上，最大渗透坡降（灌浆帷幕处）将达13以上。因此，F126、F130等组断层的防渗处理非常重要，沥青混凝土心墙底部处断层填混凝土塞并加强灌浆处理。在建基面上浇筑厚1．2 m、宽6 m的C20混凝土盖板，将基岩与沥青混凝土防渗体连为一体，以防止接触冲刷；采取这些防渗处理措施非常必要，也非常重要，建议在其下游做好反滤保护，并注意施工质量。

4．2 右坝肩帷幕延伸不同长度及渗透性的敏感性分析

我们进行了右坝肩单排帷幕灌浆至桩号0＋507，0＋536，0＋565，0＋594等方案，也即方案 A2，A9，A10，A11的计算分析研究。

从表3中的方案A9，方案A10，方案A11和方案A2的比较中，可以看到：右坝肩单排帷幕分别灌浆至桩号0＋507，0＋536，0＋565，0＋594等工况，其渗流场和渗流量的变化均很小。这说明两岸延伸帷幕灌浆的长度，防渗效果不明显。这也说明灌浆帷幕的防渗效果与灌浆帷幕的相对渗透性有关，当灌浆帷幕的渗透性与所在岩基的渗透性相差不大，渗流场的变化是不明显的，在防止渗漏方面，灌浆帷幕的作用主要是封堵强风化岩层及大一些的岩石裂隙和集中渗流通道。

表3 右坝肩帷幕延伸长度对坝体最大渗透坡降、水位和总渗流量的影响Table 3 The influence of extension length of curtain under right abutment on maximum seepage gradient，water level and seepage volume

4．3 沥青心墙坝和黏土心墙坝的渗流计算成果比较分析

沥青心墙坝和黏土心墙坝各方案的计算条件及其计算结果详见表4；从表中相应各方案的比较中，可以看到：沥青心墙坝的渗流量比黏土心墙坝要大得多，总渗流量将增加1 160 m3／d以上，相应各方案的比较约增加27．0%～66．7%；心墙下游（即坝轴线下游30 m处）的地下水位高程将抬高，一般将抬高2～4 m，最大抬高4．5 m，这是由于沥青心墙坝比黏土心墙坝绕过心墙底部的渗径大大缩短的缘故。由计算成果可知：穿过（沥青心墙坝或者黏土心墙坝）坝体的渗流量非常小，几乎可以忽略不计；故其渗流量都是由绕过心墙坝坝底的坝基渗流量决定的。这是因为心墙坝底部是弱透水层基岩，而弱透水层基岩与坝底灌浆帷幕的渗透性之比仅为10倍，故心墙坝底部灌浆帷幕的防渗效果不明显，因此心墙底宽的大小对心墙底部渗流场的影响变得明显了。由于沥青心墙坝比黏土心墙坝的坝底宽小很多（沥青混凝土心墙墙底的厚度仅2．4 m，连同在建基面上浇筑的C20混凝土盖板，其宽也仅6 m。而黏土心墙坝属较厚心墙，在最大坝高处的底宽达59．12 m，约为沥青心墙坝底宽的10倍，），因此沥青心墙坝比黏土心墙坝绕过心墙底部的渗径大大缩短了，沥青心墙坝比黏土心墙坝坝底处的渗流比降要大多了，故沥青心墙坝的渗流量比黏土心墙坝要大得多。

表4 黏土心墙坝和沥青心墙坝设计洪水位各方案的计算条件和总渗流量表Table 4 The computational conditions and seepage volume in the clay core dam and asphalt core dam under the design flood level

5 结 语

（1）断层穿过心墙坝基，对渗流场的影响较大，不但渗流量增大，而且心墙底部的渗透坡降也增大。这样势必加大心墙底部的冲刷。因此，做好防渗处理非常重要。

（2）灌浆帷幕的渗透性与所在岩基的渗透性相差不大，用延伸两岸帷幕灌浆长度来提高防渗效果是不明显的；同样心墙底部灌浆帷幕的防渗效果也不明显，而心墙底宽的大小却对心墙底部渗流场的影响变得明显了。

［1］ 杜延龄，许国安．渗流分析的有限元法和电网络法［M］．北京：水利电力出版社，1992．

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［5］ 许国安．复杂坝渗流控制方法和效果分析［C］∥水工渗流研究与应用进展——第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集，郑州：黄河水利出版社，2006．

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