强岩溶基础上粉质土心墙优化布置及渗流保护措施研究

宋子龙，陈建康，叶敏敏

(1.四川大学水利水电学院，成都，610065;2.湖南省水利水电科学研究所，长沙，410007)

1 引言

重力坝坝基岩体内存在的缓倾角软弱结构面(I类缺陷)和土石坝土质防渗体基岩中存在的顺河张节理或岩溶通道(II类缺陷)，是最具代表性的大坝基岩地质缺陷，它们往往影响或控制大坝的安全〔1、2〕。

对于“I类缺陷”的严重危害性，人们已有较为深刻的认识，因此，几乎所有国家的重力坝设计规范都有相关的核算规定。但是，对于“II类缺陷”的严重危害性，人们的认识并没有那么深刻和统一，以致在水利工程技术发达的美国竟于1976年6月5日发生了震憾世界的提堂坝溃决，造成3.6亿m3水量下泄，淹没面积达780km2，无家可归者2.5万人，损失财产价值量约4亿美元〔3〕。事后由权威机构和权威专家得出的结论为“II类缺陷”隐患导致的破坏。本文针对某心墙基础存在严重“II类缺陷”的粉质土心墙堆石坝，分析对易被坝身、坝基渗水和坝基承压岩溶地下水冲蚀的粉质土心墙的保护措施，供同类工程参考并为“II类缺陷”的处理提供技术参考。

2 工程概况

某粉质土心墙堆石坝建于二迭系石灰岩地层上，最大坝高为68.5m，坝轴线呈拱向上游的弧形布置，坝顶弧长374m，大坝总填筑土石方量为133.5万m3。水库总库容1.28亿m3，灌溉农田6960hm2，具有补偿调节性能，可增加保证出力7MW。

大坝地质情况十分复杂(见图1和图2)，地层中岩溶发育，存在大量溶洞、泉水和煤洞(见表1)，而距坝址近区可采且可作防渗用的粉质土仅有40万m3～50万m3。在这样复杂地质和不利建材条件下，正确的大坝优化布置和粉质土心墙渗流保护措施，是减少坝身坝基渗流，确保大坝安全的关键技术手段。

3 大坝优化布置

3.1 水库地质及坝址选定

大坝筑于横切向斜西北翼高山的河谷中，位于晏家——石塘向斜盆地的西南部。这里，盆地地形的发育与向斜地层构造相一致，在向斜两翼，对称于向斜轴(走向N25°E)，如图1所示。图2为I－I地质剖面图，按地层从新到老依次相向分布着上三迭系大冶灰岩、上二迭系大隆灰岩、龙潭煤组、下二迭系茅口灰岩、栖霞灰岩及中、上石炭系壶天灰岩等地层。

由于在各石灰岩地层中岩溶发育，且上部页岩地层中沿岩层走向和倾向开挖了纵横交错的煤洞(见表1)，因此，唯有其下部，厚度仅19m的粉砂岩地层为水库提供了成库的条件。显然，这层粉砂岩横贯的河谷也就是唯一的无漏水通道的坝址。

当时对坝址岩层和地质构造的全面勘测，对24处岩溶漏斗的逐一测定，对26处岩溶泉水的逐处追踪，对70处煤洞的逐个调绘，既保证了水库、坝址的工程和水文地质结论的正确性(这一点已被多年实践证明)，同时也为合理选定坝型，优化布置防渗体，正确设置渗流保护提供了可靠依据。

表1 库区、坝区溶洼溶洞、泉水及煤洞数量

3.2 坝址地形地质及坝型优选

坝址隔水层岩性软弱，河谷开阔，只宜修建土坝或堆石坝。但是，坝基岩溶发育，土坝坝基防岩溶水冲蚀保护工程量大，且距坝址近区适合当年人工采运的可作防渗用的粉质土仅有40万m3～50万m3，不足土坝坝体工程量的1/4，而质地良好的石灰岩却极为丰富。因此，采用土质防渗墙堆石坝更为可取。

对于堆石坝，主要的问题是防渗体材料和形式的选定。该坝坝址岩层走向垂直河谷，倾向上游，倾角33°～30°，为防渗体的布置提供了有利条件。但由于隔水层被煤洞破坏，有效厚度仅19m，因此，欲使防渗体建基面尽可能与隔水层相吻合，有可能被采用的防渗体形式只有斜率为1∶1.7～1∶1.5的斜心墙和钢筋混凝土面板以及平面上呈弧形拱向上游的直立心墙等三种。其它更平缓的斜墙、更陡的垂直刚性防渗结构或坝轴呈直线布置的其它防渗结构形式，都无法保证防渗体在受力合理的同时能与隔水岩层相接。

很明显，结合当地材料和当地施工条件考虑，与上述三种防渗体形式相应的坝型只有粘土斜心墙堆石坝、钢筋混凝土面板堆石坝和呈弧形拱向上游的直立式薄(或中厚)粘土心墙堆石坝三种。三者比较，前者，由于斜心墙坡比达1∶1.7～1∶1.5，难以适应群众运动人工堆石体的沉陷，有发生裂缝之忧，且裂缝发生后又难以补救，因此被否定。中者，因当年缺乏钢材和堆石碾压机械设备，也被排除。唯后者轴线直立的粘土心墙堆石坝，因少受堆石体沉陷的影响，且最能与当地石料、粘土、砂卵石等建筑材料的分布和数量相符合，故被采用。选定坝型的最大剖面图和平面布置图分别如图3和图4所示。

4 粉质土心墙大坝渗流保护措施

粘土心墙保护的成败，直接关系到大坝的安危。由于心墙隐蔽在坝体之中，无论发生裂缝或被渗流冲蚀都不易被发现，更难以处理和修复，特别是该工程还存有十分复杂的因素(部分心墙不得不座落于煤洞和岩溶涌泉上，心墙土料为粉质土)。因此，对该工程粘土心墙的保护，提出了严格的要求，采取了以下稳妥措施:

(1)采用多层反滤，并要求各滤层既能满足反滤要求，避免发生渗透破坏，又不至于被堵塞而在滤层中造成过大的剩余水头;

(2)采用厚反滤层，以满足心墙与堆石之间沉陷、变形、应力等的过渡要求，尽可能避免堆石与心墙间沉陷数值差和时间差的“拱效应”导致的心墙水平裂缝;

(3)采用中砂(河砂)作为心墙下游临心墙面反滤层，并加厚心墙上游反滤砂层(混合砂料)，以保证当心墙发生裂缝后，能有效的控制渗流速度，能防止沿裂缝产生渗透冲刷，能使裂缝自行愈合;

(4)采用混凝土垫层、砂垫层等措施，阻止坝基裂隙渗流和岩溶泉水等对粉质土心墙的直接作用，保证心墙不被冲蚀。

为此，本工程在心墙上、下游面分别设置了两层和三层由砂、石组成的过渡段;在无法避开而必须与基岩裂隙、岩溶泉水相接的心墙下，设置了混凝土垫层以及垫层下的导水砂层(见图3)。心墙及其下游过渡段各层粒径特性见表2。

表2 心墙及其下游过渡段各层粒径特性

表2中，Di为材料粒径，小于该粒径的材料占总料重的i%;di为被保护材料的粒径，小于该粒径的材料占总料重的i%;η为 不均系数，η=D60/d10。

由于砂层D15=2mm＜4mm，D5=0.12mm＞0.1mm;被保护和保护的各层材料η＜10，D15/D85＜4，D15/d15＞5，因此，无论采用当时(该坝设计时)或现行的国外或国内有关规定，该工程的过渡层均能满足反滤的要求。

5 结论

对渗水冲蚀粉质土心墙认识不足，缺乏严密的心墙保护措施，可能导致严重的大坝安全问题。针对存在严重“II类缺陷”的粉质土心墙堆石坝，应该高度重视大坝坝址选定、坝型优选、坝体稳定计算方法优选等问题，特别应在粘土心墙保护、防止岩溶渗漏破坏等方面采取有效措施，方可确保大坝长期安全运行。

〔1〕顾冲时，伍 元等.地质缺陷对坝体结构影响分析模型研究［J］.岩土工程学报，2009.31(6).

〔2〕崔冠英.水利工程地质［M］.北京:中国水利水电出版社，1999.12.

〔3〕托马斯M·莱普斯，张天焱.提堂坝的失事［J］.人民长江，1991.22(8).

〔4〕李国英，王禄仕等.土质心墙堆石坝应力和变形研究［J］.岩石力学与工程学报.2004.(8).

〔5〕施瑞庭，卢剑梅等.老君山水库粘土心墙堆石坝设计［J］.云南水力发电，2004，(2).