劉世煌（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京，100011）

試談覆蓋層上水工建筑物的安全評價

劉世煌
（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京，100011）

根據(jù)覆蓋層上水工建筑物實際運行狀況及近年覆蓋層上水工建筑物安全評價的實踐，總結(jié)深覆蓋層上水工建筑物壩址選擇、壩軸線選擇、樞紐布置、覆蓋層復(fù)合地基的承載能力、各種型式防滲措施的防滲效果、防沖蝕、防地震液化處理措施及覆蓋層應(yīng)力、變形、滲流等特點。探討覆蓋層上水工建筑物的特點及存在的風險，并針對這些風險提出覆蓋層上水工建筑物安全評價的關(guān)注點，以期在現(xiàn)有已取得巨大成就的基礎(chǔ)上，進一步提高覆蓋層上水工建筑物的設(shè)計、建設(shè)與安全評價水平。

安全評價；覆蓋層；承載能力；徐變；滲流破壞

1　我國覆蓋層特點及其覆蓋層上筑壩的風險

我國幅員遼闊，不同地區(qū)、不同河流、不同河段都有著不同厚度和不同特性的覆蓋層。隨著水電事業(yè)的發(fā)展，除了在基巖筑壩之外，一些工程不得不面對深覆蓋層上筑壩問題。

覆蓋層是因水的搬遷作用在河谷中形成的堆積物，由于形成時代的不同，受年代、氣候、冰川及河谷演變等影響，有冰川和冰水沉積、沖洪沉積、湖相沉積、現(xiàn)代河床沖積、坡洪積及崩坡積等不同成因。覆蓋層可由花崗巖、石英巖等硬巖及千枚巖、泥巖、頁巖等不同巖性的沉積物組成，按粒徑分漂石、卵石、礫石、碎石、粗砂、中砂、細砂、粉質(zhì)土類等，并由此組成不同的級配，再加上層狀、透鏡狀等不同結(jié)構(gòu)差異，以及球狀、針片狀等不同顆粒形狀，不同的密實度、不同膠結(jié)程度、架空程度的差異等，不同地區(qū)、不同河流、不同河段的覆蓋層具有不同的物理力學(xué)特性。

我國擁有在土基及覆蓋層上修建土石壩和水閘等水工建筑物的悠久歷史和豐富經(jīng)驗。1961年在38 m深覆蓋層上建成33.2 m高的下馬嶺混凝土重力壩，1970年在30 m厚覆蓋層上建成39.5 m高窄巷口的拱上拱雙曲拱壩，開創(chuàng)了在砂礫石覆蓋層地基上建設(shè)混凝土重力壩、拱壩及水電站工程的新局面。之后在75 m厚覆蓋層上建成186 m高的瀑布溝礫石土直心墻壩、在80 m厚覆蓋層上建成160 m高的小浪底壤土斜心墻壩、在65 m厚覆蓋層上建成136.5 m高的九甸峽混凝土面板堆石壩、在400 m厚覆蓋層上建成125.5 m高的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩，并在深覆蓋層上建成眾多中小水頭混凝土閘壩工程，我國深覆蓋層上水電站建設(shè)技術(shù)得到極大提高。

由于深厚覆蓋層本身組成、結(jié)構(gòu)的不同，以及由此在應(yīng)力、變形、滲流等方面的復(fù)雜性，特別是至今尚無一本深覆蓋層上混凝土閘壩設(shè)計規(guī)范，在取得豐碩成績的同時，覆蓋層上的黃壁莊副壩曾發(fā)生嚴重的塌陷、小浪底和瀑布溝心墻壩壩頂曾出現(xiàn)較長的縱向裂縫、金康混凝土閘壩出現(xiàn)較大的徐變、金沙峽壩基曾發(fā)生較嚴重的滲流破壞……

面對復(fù)雜的深厚覆蓋層及其壩工建設(shè)的風險，對覆蓋層有以下兩種處理方式。

1.1全部或部分挖除覆蓋層筑壩及其風險

當覆蓋層厚度不大，全部或部分挖除覆蓋層后不會帶來較難解決的技術(shù)問題，不會過多增加工程量及投資時，可以將覆蓋層全部或部分挖除，按常規(guī)基巖上筑壩技術(shù)進行處理。

（1）西安黑河水庫，壩址基巖為云母石英片巖，壩基河床卵石層厚度5.1～16.8 m，修筑心墻砂礫石壩時，挖除心墻底部砂礫石，使心墻底部直接置于弱風化基巖上，澆筑1 m厚混凝土底板后，建成127.5 m高心墻砂礫石堆石壩。

（2）小浪底河床覆蓋層最深80 m，1984～1985年中美聯(lián)合設(shè)計時，美方根據(jù)小浪底覆蓋層組成及結(jié)構(gòu)特點，考慮覆蓋層對壩體變形和壩基滲流的影響，吸取加拿大下諾奇心墻壩（壩高130 m）挖除82 m深覆蓋層的經(jīng)驗，建議挖除小浪底斜心墻底部的覆蓋層，把斜心墻直接建筑于基巖上。我方考慮到開挖深槽后可能帶來的施工交通、施工抽水、圍堰安全、大幅增加工程量及投資等原因，根據(jù)我國深覆蓋層上筑壩經(jīng)驗，決定采用防滲墻防滲方案，深覆蓋層上筑壩。

（3）大渡河上雙江口水電站，河床覆蓋層深48～57 m（局部67.8 m）。根據(jù)小浪底蓄水后所表現(xiàn)出的覆蓋層徐變、壩體變形較大、壩頂開裂、壩基滲漏等問題，經(jīng)方案比選，綜合考慮施工組織及防滲墻工作條件，為減小壩體不均勻變形、增加大壩抗震安全性，決定把心墻底部的覆蓋層全部挖除，把心墻直接建在花崗巖上，建設(shè)高314 m的礫石土直心墻堆石壩。

（4）烏東德水電站河床覆蓋層厚52.4～72.8 m，將覆蓋層全部挖除后，在灰?guī)r上建設(shè)雙曲薄拱壩，最大壩高265 m。全部挖除覆蓋層除增加壩體工程量、棄碴堆放場地外，還可能增加基坑排水困難，并帶來120 m高圍堰（含基坑）安全度汛等問題。

（5）甘肅九甸峽面板壩高136.5 m，是我國當今覆蓋層上最高的面板壩。河床覆蓋層厚40～50 m，最大厚度65 m。經(jīng)過挖除覆蓋層、高趾墻、防滲墻三方案的比選，考慮上游坡腳處混凝土防滲墻復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)等諸多因素，決定挖除上部30 m覆蓋層，河床段平趾板下保留28 m覆蓋層，強夯后，在其上部分別填筑2 m厚墊層料和過渡料，再建筑深30 m、厚1.2 m、C25混凝土防滲墻，并在防滲墻下游側(cè)用兩塊各長約5 m混凝土連接板與面板壩的趾板相接，共同組成壩基防滲體系。由于覆蓋層為強透水層，施工期間基坑排水量很大，9個排水孔涌水水柱達一人多高，除增加排水困難外，還對底部連接板和混凝土面板的安全帶來一定影響，為此在面板下方增設(shè)了反向排水閥，以防面板在反向滲壓作用下破壞。

1.2覆蓋層上筑壩風險及其勘探試驗

當決定保留覆蓋層直接在覆蓋層上筑壩時，由于覆蓋層允許承載能力、變形模量、抗沖刷能力較低、與混凝土間摩擦系數(shù)不大、滲透系數(shù)較大等原因，當深覆蓋層上的壩址、壩軸線、壩型、單寬流量的選擇及樞紐布置等不適應(yīng)覆蓋層特點時，除了壩基滲流和滲流穩(wěn)定問題外，還會帶來相應(yīng)的水工建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、地基承載力不足、塑性區(qū)發(fā)展、地基剪切破壞、結(jié)構(gòu)不均勻變形及斷裂、覆蓋層徐變、壩基滲流破壞、下游消能區(qū)沖蝕破壞等風險，同時，也會給建筑物安全帶來相應(yīng)的風險，因此在勘探階段應(yīng)查明覆蓋層厚度、結(jié)構(gòu)、組成、級配及其力學(xué)特性等。龍開口電站及柳洪電站壩基開挖后發(fā)現(xiàn)覆蓋層深槽，由此帶來較復(fù)雜的壩基處理，應(yīng)該吸取其教訓(xùn)。

為確保深厚覆蓋層水工建筑物的安全，近年來我國開展了安全鑒定、安全評價和定期檢查工作。通過這些工作，全面分析了深覆蓋層的力學(xué)、變形、滲流和沖蝕等特性，正確認識了深覆蓋層上筑壩的主要技術(shù)問題及其風險，認真總結(jié)了深覆蓋層上筑壩的經(jīng)驗教訓(xùn)，摸索到了一些防范措施，完善了相應(yīng)的安全評價工作，促進了我國深覆蓋層上筑壩技術(shù)的進一步發(fā)展，這不僅對進一步提升覆蓋層上水工建筑物的建設(shè)水平十分必要，也對進一步發(fā)揮深覆蓋層上水工建筑物安全評價的作用十分必要。下面通過工程實例，共同探討上述問題。

2　覆蓋層上筑壩對壩址、壩軸線和壩型選擇及樞紐布置的要求

壩址、壩軸線、壩型選擇和樞紐布置是做好水工建筑物設(shè)計的前提。通常壩址、壩軸線、壩型選擇和樞紐布置是根據(jù)工程任務(wù)、規(guī)模、綜合地形、地質(zhì)、水文、氣象、建筑材料、施工條件及建筑物組成及建筑物特點等，經(jīng)多方案比選后確定的。由于不同地區(qū)、不同河流、不同河段覆蓋層深度、組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性等差異，受地基承載能力及變形特性等制約，覆蓋層上已很少再建設(shè)較為高大的混凝土重力壩及拱壩，而是建造適應(yīng)能力較強的土石壩和混凝土閘壩，同時壩址多選擇在覆蓋層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、承載能力較強的河段上，壩軸線盡量避開古堰塞湖、古滑坡體、可液化地層及覆蓋層厚度差異較大的河段，取水口多布置于主河槽基巖一側(cè)，盡量減小地基不均勻變形影響，防止壩基滲流破壞，并避免由此而帶來的麻煩。

2.1金康電站壩軸線選擇

金康水電站位于四川大渡河支流金湯河上，是閘壩引水式電站。工程由首部引水樞紐、16.3 km長的發(fā)電引水系統(tǒng)、地面廠房三部分組成，裝機150 MW，最大水頭600 m。首部樞紐由右岸重力壩、2孔泄洪閘、1孔排砂閘、1孔排漂閘、左岸重力壩及側(cè)向進水口組成，最大壩高20 m，庫容69.7萬m3。壩軸線位于金湯河彎段后方，兩山脊的下游側(cè)，由于壩軸線下游1 km處滑坡堵江曾形成堰塞湖，在62 m厚的fglQ3第Ⅰ層冰水堆積漂（塊）卵（碎）礫石夾砂土層上，連續(xù)分布厚度為11.53～23.30 m的lQ4第Ⅱ?qū)雍雍喽逊e層（粉質(zhì)壤土和粉細砂層）及厚度為4.15～15.35 m的（alQ4）第Ⅲ層現(xiàn)代沖積堆積灰黃色含卵礫石砂土層，覆蓋層總厚度為60～80 m，局部大于92 m。其中第Ⅲ層現(xiàn)代沖積堆積灰黃色含卵礫石砂土，承載能力可達300 kPa，是相對較好的持力層，而第Ⅱ?qū)雍雍喽逊e層粉質(zhì)壤土和粉細砂層終判為可液化土。由于第Ⅱ-②層河湖相堆積層中的粉細砂層正好位于閘室下方，也是閘室持力層，為確保閘室在8度地震工況下結(jié)構(gòu)安全，在閘室前防滲護坦至海漫長90 m、寬94 m范圍內(nèi)，梅花型布置1 164根振沖碎石樁，樁徑1.2 m，深15～20 m。但仔細分析可液化土的分布范圍可見：壩軸線已位于原堰塞湖的尾部，若再將壩軸線上移至左右岸山脊處，適當調(diào)整上部結(jié)構(gòu)，不僅可縮短壩軸線長度，還可能避開可液化粉細砂地層，也可能減少部分投資，并避免由此而帶來的麻煩。

2.2金沙峽首部樞紐布置

金沙峽水電站位于青海省大通河上，壩址位于扎龍口至羊脖子灣彎曲河道上，壩址處河谷寬約90 m，覆蓋層厚20～23 m。閘址左側(cè)為主河槽，右岸為二級階地。金沙峽電站為閘壩引水式電站，工程由首部樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房三部分組成，最大壩高29.2 m，庫容260萬m3，6.4 km引水系統(tǒng)，集中水頭72.5 m，裝機70 MW。首部樞紐由左岸重力壩段、1孔溢流堰、3孔溢流表孔壩段、1孔泄洪沖砂閘及布置于二級階地上的右岸側(cè)向引水進水閘及土壩組成，壩軸線全長254.92 m，其中上游壩坡為土工膜防滲的砂礫石壩，高7.5m、長143.92m，占壩軸線總長的56%。

由于該工程未經(jīng)過可行性研究階段，壩址、壩軸線、樞紐布置比選工作不夠深入，相應(yīng)勘探、試驗、研究工作深度不夠。在右岸（凸岸）二級階地上布置進水口及引水涵洞，并增加了143 m長反弧形土壩；再加上沒有認真對23 m深的覆蓋層進行水平鋪蓋防滲與垂直防滲的比選工作，在0+000～0+ 065土壩前及混凝土閘壩前設(shè)置水平土工膜壤土鋪蓋。蓄水后，因二級階地覆蓋層的層間滲流破壞及接觸滲流破壞，導(dǎo)致土壩壩基嚴重滲流破壞。

3　覆蓋層上擋水建筑物抗滑穩(wěn)定性

擋水建筑物的抗滑穩(wěn)定是設(shè)計中的基本要求之一，由于覆蓋層與閘壩混凝土間摩擦系數(shù)較小（f=0.5左右），抗滑穩(wěn)定性有時成為制約覆蓋層上建設(shè)水工建筑物的因素之一。

3.1金沙峽溢流壩的體形調(diào)整

金沙峽水電站混凝土溢流壩壩高與泄洪沖砂閘的壩高均為29.2 m，但其底寬分別為21 m和40 m。為確保溢流壩抗滑穩(wěn)定性，調(diào)整上游壩坡為1∶（-0.33），調(diào)整下游壩坡為1∶1.1，使溢流壩底寬由21 m增加為36.998 m，并在壩前增設(shè)5 m長阻滑板，充分利用水重，確保了溢流壩整體穩(wěn)定。

3.2下馬嶺重力壩抗滑加固

下馬嶺電站為低壩引水式電站，引水隧洞全長7.633 km，設(shè)計水頭95 m，裝機6.5萬kW。該電站的重力壩最大壩高33.2 m，由建于灰?guī)r地基上的左右非溢流壩段和建于38 m厚覆蓋層上的5孔溢流壩段組成，是我國第一座建筑于覆蓋層上的混凝土重力壩。壩基防滲由混凝土水平鋪蓋和壩底三排防滲帷幕組成。1960年蓄水，由于施工質(zhì)量及覆蓋層的不均勻變形，大壩產(chǎn)生大量裂縫，同時還發(fā)現(xiàn)壩軸線附近混凝土鋪蓋的強度及配筋不滿足設(shè)計要求，存在拉裂并有導(dǎo)致重力壩失穩(wěn)的可能，于是在5個溢流壩段的廊道內(nèi)增打11根700 kN級預(yù)應(yīng)力錨索，保證了覆蓋層上溢流壩段的抗滑穩(wěn)定性。

4　覆蓋層允許承載能力及地基處理

4.1覆蓋層允許承載能力

為把受力后覆蓋層的塑性區(qū)控制在合理范圍內(nèi)，不發(fā)生剪切破壞而失穩(wěn)，所有覆蓋層上建筑物均應(yīng)復(fù)核地基允許承載能力，要求覆蓋層上基礎(chǔ)的平均應(yīng)力不得大于地基允許承載能力，見表1。

表1　覆蓋層容許承載能力（單位：t/m2）Table1　The bearing capacity of the overburden layer

天然地基承載能力的標準值往往可通過近地表承壓板加載試驗求得。當建筑物基礎(chǔ)形狀和砌置深度變化較大且受力復(fù)雜時，往往需要根據(jù)受荷狀態(tài)、基礎(chǔ)形狀、基礎(chǔ)砌置深度等尋求建基面附近覆蓋層允許承載能力。鑒于當前地基允許承載能力計算公式的計算假定及計算條件不一樣，不同公式的計算結(jié)果差異甚大，地基允許承載能力是一個復(fù)雜問題，需慎重對待。

漢江興隆水電站由56孔泄水閘、包含4臺10 MW貫流發(fā)電機組的發(fā)電廠房、船閘及魚道等建筑物組成。工程區(qū)地震基本烈度為6度。本工程發(fā)電廠房位于漢江右岸主河床上，順水流方向長112 m，寬74 m，基礎(chǔ)挖深22 m，基礎(chǔ)計算平均應(yīng)力為455 kPa。鑒于持力層為全新統(tǒng)下段alQ41粉細砂層，厚約6 m，中等密實，天然容重18～19.8 kN/m2，標貫N=9～17，天然地基承載力標準值為160～180 kPa。考慮到地基實際挖深及寬度，對建基面覆蓋層承載能力進行修正：設(shè)計院分別用水閘規(guī)范推薦的漢森公式、泵站設(shè)計規(guī)范推薦公式、建筑規(guī)范推薦公式、豎向?qū)ΨQ荷載考慮限制塑性開展區(qū)深度公式、既有豎向荷載又有水平荷載的計算公式等五個公式計算，其結(jié)果相差3倍。其中按建筑規(guī)范計算地基承載力僅為445kPa，略小于地基計算平均應(yīng)力455kPa，而按漢森公式及考慮豎向荷載又有水平荷載計算公式，計算結(jié)果均達1 200～1 300 kPa。為安全計，確定以建筑規(guī)范計算結(jié)果控制，按置換率58%～68%構(gòu)筑復(fù)合地基，即在廠房地基中共打18 444根φ=1.2 m水泥攪拌樁，樁深6.6～10.5 m，并在廠房基礎(chǔ)及攪拌樁間設(shè)置厚2 m褥墊層，以保證攪拌樁和樁間土的共同承力，減少基礎(chǔ)底面應(yīng)力集中。鑒于上述各公式計算結(jié)果差距甚大，決定進行大規(guī)模現(xiàn)場承壓試驗，試圖通過現(xiàn)場試驗合理確定地基承載力，優(yōu)化地基處理設(shè)計。

4.2復(fù)合地基承載能力

當建基面覆蓋層承載能力小于基礎(chǔ)平均應(yīng)力并決定采用復(fù)合地基時，應(yīng)合理確定持力層及置換地基及樁間土的承載能力，控制置換率，考慮樁基頂部土體松弛影響，采取相應(yīng)處理措施。

4.2.1金康電站復(fù)合地基承載能力

金康電站第Ⅱ?qū)臃奂毶暗鼗烊幻芏?.26g/cm3，相對密度0.34，平均承載力fK=0.14～0.2 MPa，終判為可液化土，決定在閘室防滲護坦至海漫長90 m、寬94 m范圍內(nèi)的覆蓋層中梅花型布置振沖碎石樁，樁徑1.2 m，深15～20 m，1 164根，試圖通過振沖碎石樁改善地基土級配、提升地基密實度和承載能力，防止地基液化。

現(xiàn)場單樁、樁間土的靜載試驗得2 m×2 m間距下，碎石樁樁體承載能力為600 kPa，第Ⅱ?qū)臃奂毶皹堕g土承載能力為175 kPa，相應(yīng)第Ⅱ?qū)臃奂毶皬?fù)合地基承載能力為270 kPa（見表2）。

沖砂閘及排漂閘完建工況下，地基最大計算壓應(yīng)力388.17 kPa，最小293.33 kPa，平均340.75 kPa，完建工況下的平均應(yīng)力及最小應(yīng)力均大于Ⅱ?qū)臃圪|(zhì)細砂復(fù)合地基允許承載能力270 kPa。說明經(jīng)過振沖碎石樁處理后，雖可滿足抗液化和抗滑穩(wěn)定要求，但由于碎石樁置換比率較小，復(fù)合地基承載能力仍不能滿足規(guī)范要求。

4.2.2濟南市區(qū)輸水暗涵水泥攪拌樁的實際檢測狀況

南水北調(diào)東線濟南市區(qū)23.276 km暗涵段地基中有7.92 km為淤泥質(zhì)粘土，其孔隙比1.05～1.28，天然含水量37%～46.5%，標貫擊數(shù)3擊，強度低、具有高壓縮性，是本段工程的主要工程地質(zhì)問題。

經(jīng)審查批準，對其中2.23 km長厚度小于1 m的淤泥質(zhì)粘土換基1∶10水泥土；對其中5.69 km長厚度大于1 m的淤泥質(zhì)粘土，澆筑D=50 cm、深4.5～6.0 m水泥攪拌樁（17.87萬m3）。水泥攪拌樁間距1.0 m，置換率0.21，要求單樁承載力大于130 kN，復(fù)合地基承載力大于100 kPa。

2009年5月4日～6月4日，濟南市區(qū)11+618～11+693段6～10號節(jié)暗涵水泥攪拌樁基礎(chǔ)的輕型動力觸探試驗成果表明，該段攪拌樁質(zhì)量不均勻，復(fù)合地基承載力雖滿足100 kPa要求，但單樁承載力不滿足130 kN要求。為此在樁間土中打3個地質(zhì)鉆孔，在攪拌樁中打一個取芯孔，其結(jié)果表明：本段淤泥質(zhì)粘土地層厚度7.0 m左右；水泥土攪拌樁上部1/3樁長（2 m）范圍內(nèi)的復(fù)攪段可取出10 cm長的柱芯數(shù)段，下部2/3樁長的單攪樁體不能形成柱體，呈軟塑狀態(tài)，攤于地面，且取芯孔內(nèi)有涌水現(xiàn)象（見圖1）。當時分析認為：系淤泥質(zhì)粘土深度加深，樁周阻力減小所致（實為質(zhì)量事故）。決定在該段補打84個9 m深攪拌樁，與原樁共同承力。

鑒于水泥攪拌樁屬隱蔽工程，存在著機理不甚明確、理論研究尚不滿足工程實踐需要及長期耐久性等問題，特別是實踐中容易出現(xiàn)一些嚴重質(zhì)量事故，上海市建委和天津市建委曾分別下達文件，不允許在其管轄范圍內(nèi)的永久性建筑物地基處理中使用水泥攪拌樁。水利界對此十分重視，《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在未經(jīng)充分論證和沒有可靠質(zhì)量保證的情況下，一般不輕易用水泥攪拌樁作為大型永久性水利建筑物基礎(chǔ)。因此對于不滿足承載能力要求的地基，應(yīng)慎重選擇處理方法，宜優(yōu)選機理明確、長久耐用、質(zhì)量可靠的處理方法。

圖1　濟南11+618～11+693暗涵攪拌樁芯樣照片F(xiàn)ig.1　The core samples of the mixed pile of the section 11+ 618～11+693

5　覆蓋層和上部建筑物變形

5.1覆蓋層及壩體實際變形

荷載作用下，覆蓋層將發(fā)生相應(yīng)的水平和垂直變形，由于覆蓋層的壓縮模量隨自身密實度及埋深而增加，近地表覆蓋層的壓縮模量僅有40～50 MPa，低于一般薄層振動碾壓的壩體壓縮模量，覆蓋層的垂直沉降和水平變位往往大于壩體相應(yīng)變形，覆蓋層沉降與其層厚之比往往大于壩體垂直沉降與壩高之比，壩體連同覆蓋層的垂直沉降與其總高度之比常超過1%，并由此引起一些異?，F(xiàn)象。

5.1.1珊溪覆蓋層沉降

浙江省珊溪混凝土面板堆石壩壩高132.5 m，壩址河床覆蓋層最厚28.05 m，施工中趾板挖至基巖面，壩體下清除表層松散覆蓋層1～2 m，實際保留了24 m厚覆蓋層。2000年蓄水，2001年竣工，實測壩體最大沉降110 cm，其中壩體沉降66 cm，為壩高的0.5%，覆蓋層沉降44 cm，為覆蓋層厚度的1.8%。

表2　金康振沖碎石樁效果Table2　The effect of the gravel pile at Jinkang hydropower station

5.1.2小浪底壩體變形

小浪底斜心墻堆石壩壩高160m，壩長1667.15m，水庫正常高水位275 m。河谷中覆蓋層最大厚度80 m。

小浪底建管單位曾先后委托清華大學(xué)、河海大學(xué)、黃委科學(xué)院及黃委設(shè)計院等單位多次進行壩體與壩基應(yīng)力應(yīng)變計算，還委托水科院做過離心機模型試驗，結(jié)果：

（1）幾乎所有有限元計算成果均表明，竣工時壩體最大沉降量為3.0～3.5 m左右。

（2）離心機模型試驗測得沉降變形明顯大于有限元計算結(jié)果，210 m高程心墻的最大沉降為5.5 m，其中覆蓋層沉降1.8 m。

（3）設(shè)計院多次按規(guī)范規(guī)定的分層總和法計算壩體沉降，計算中未考慮覆蓋層中礫石與細砂層壓縮特性的差異，統(tǒng)一按砂礫石層計算，其結(jié)果大于離心機試驗測值，更大于有限元計算值。施工期曾在現(xiàn)場取37組心墻土樣，利用其三軸剪切試驗成果修正壓縮特性曲線，按分層總和法計算得出心墻最厚處竣工后壩體最大沉降量9.31 m，為壩高的5.82%，其中施工期沉降8.64 m，壩基沉降2.36 m，蓄水后壩頂沉降0.665 m（2005年壩頂實測沉降為1.23 m，為計算值的1.84倍）。

由于壩體和壩基發(fā)生了較大沉降，壩體沉降變形的內(nèi)部監(jiān)測設(shè)備100%失效，失去了對上述各成果進行對比分析及評判的依據(jù)。

2000年6月26日，大壩填筑到壩頂設(shè)計高程，11月完成壩頂混凝土防浪墻工程后，施工單位按設(shè)計尺寸進行驗收，并設(shè)立外部觀測點。2001年12月（當時庫水位235 m左右）對大壩進行橫斷面復(fù)測，得知上下游壩坡及壩頂均較已驗收的斷面下沉并向下游位移。其中上游壩坡最大下沉265 cm，且向下游水平位移10.9cm，下游壩坡最大下沉188cm，且向下游水平位移34.9 cm，壩頂沉降90 cm，為此在0+000～0+800上下游壩坡共用7.5萬m3塊石補坡。

2002年上下游壩坡整修后，下游壩坡又發(fā)現(xiàn)凹陷鼓肚現(xiàn)象，其中“小浪底”三個大字變形，又進行了局部修整，同時下游坡混凝土臺階發(fā)生斷裂錯抬、壩頂路面混凝土磚明顯凹陷、壩體向河床中部擠壓、河床中部防浪墻及墻下路面擠壓破壞、左右壩肩防浪墻伸縮縫張開等情況。

從上述兩個例子可見：覆蓋層上壩體變位不同于基巖上壩體變位，比較復(fù)雜，目前規(guī)范推薦的分層總和法計算成果與有限元計算成果及離心機測試成果存在較大差距。

5.2覆蓋層和壩體徐變

荷載作用下，由于覆蓋層軟弱物質(zhì)和扁平針狀顆粒壓碎及沖填，覆蓋層除產(chǎn)生較大變形外，還表現(xiàn)出明顯的徐變。覆蓋層的徐變與庫水位變化關(guān)系不密切，與時間關(guān)系密切，是一種緩慢發(fā)展逐漸收斂的變形，一般可持續(xù)10～20年方才穩(wěn)定。

5.2.1金康覆蓋層徐變

金康電站閘壩最大高度20 m，覆蓋層厚60～80 m，局部最大厚度92 m，水庫于2006年蓄水。為監(jiān)測大壩變位，在壩頂上游側(cè)布置一條引張線，共10個測點，監(jiān)測成果表明：

（1）所有水平變位測值曲線連續(xù)，無明顯突變現(xiàn)象，從監(jiān)測成果看，監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。

（2）10個測點測值與水位關(guān)系不密切，與時間關(guān)系密切，均表現(xiàn)出明顯流變特性，且至2012年尚未收斂，其中3號重力壩段左側(cè)EX6點，從2006年4 月1日～2011年4月1日，向下游變位42.73 mm，年變化速率8.54 mm/a。其水平變位量值和變化速率遠大于耿達、映秀灣及其他覆蓋層上的閘壩，在我國均屬較大，見圖2。

圖2　金康EX6測點從2006年4月1日～2011年4月1日水平變形監(jiān)測成果Fig.2　The monitored horizontal deformation by monitoring point EX6 from April 1st，2006 to April 1st，2011

（3）由于右岸基巖與覆蓋層的不均勻變形，右岸重力壩段發(fā)生斜向貫穿裂縫，該裂縫從上游貫穿至下游，從壩頂貫穿至壩基，使該壩段解體。

（4）由于覆蓋層的徐變和受水壓力作用方向不同，與閘壩斜交的進水閘與閘壩間的工作縫最大張開5 cm。

5.2.2小浪底覆蓋層與壩體徐變及壩頂開裂

5.2.2.1河床覆蓋層室內(nèi)壓縮試驗

1981年9月，黃委會科研所進行的小浪底河床砂礫石變形及相對密度試驗表明：

在有側(cè)限的條件下，當砂礫料含沙率30%、相對密度2.2 t/m3、孔隙比0.189、設(shè)計壓力35.4 kg/cm2時（覆蓋層計算應(yīng)力），在重復(fù)試驗中細顆粒（＜5 mm）有壓碎變細現(xiàn)象，其級配曲線也有所變化。

5.2.2.2小浪底壩頂兩條視準線的測值

為監(jiān)測壩體變位，平行大壩軸線共設(shè)8條視準線，其中壩頂上游側(cè)和下游側(cè)各設(shè)一條視準線。從監(jiān)測結(jié)果可知：壩體總體向下游方向變位，壩頂283 m高程下游視準線水平變位和垂直變位均明顯大于上游視準線測值。最大變形差發(fā)生在大壩高度最大的河床斷面上，見表3和圖3。

從相關(guān)圖表可知：

（1）兩視準線水平和垂直位移差與庫水位不相關(guān)，不論庫水位上升或下降，壩頂兩視準線的水平和垂直位移差均呈增加趨勢，無收斂跡象，時效分量為變位的主要分量。

（2）壩頂上下游視準線水平和垂直位移差的增量有減小趨勢。

（3）某些變形量已接近警戒值。

一般土石壩竣工后，壩頂沉降量占壩高的比例多為0.2%～0.5%，小浪底竣工后壩頂沉降量1.23 m，占壩高比例已超過0.5%的警戒值。

圖3　小浪底B-B剖面壩頂283 m高程上下游視準線水平位移差值圖Fig.3　Difference of horizontal displacements between the upstream and downstream collimating line of the B-B section on the elevation 283 m

表3　B-B剖面（D0+387.5斷面）壩頂283 m高程上下游側(cè)視準線水平和垂直位移差Table3　Difference of horizontal and vertical displacements between the upstream and downstream collimating line of the B-B section（D0+387.5）on the elevation 283 m

一般土石壩沿壩軸線方向垂直變形率達1%時，大壩可能產(chǎn)生危害性較大的橫向裂縫。2008年小浪底左岸（陡坎附近）0+97.5～0+157.5 m兩點間垂直位移差與水平距離比達0.92%，已接近1%，接近警戒值。

5.2.2.3壩頂裂縫

（1）2000年6月26日壩體填筑至壩頂，2001年11月完成壩頂混凝土防浪墻工程，2001年7月24日庫水位192.0 m時，在壩頂下游側(cè)距路緣石40～60 cm處發(fā)現(xiàn)長約100 m最大開口10 mm的裂縫，2002年5月鋪設(shè)壩頂路面混凝土六棱預(yù)制磚。這說明壩頂裂縫的發(fā)生是在大壩填筑到壩頂一年后，水庫水位較低（僅192.0 m）時即已發(fā)生。

（2）2003年10月18日，在壩頂下游側(cè)距路緣石80～120 cm處，混凝土六棱磚路面上發(fā)現(xiàn)長約160 m最大開口4 mm的裂縫。2004年8月挖開，發(fā)現(xiàn)在路面料和3區(qū)料中有一條平行壩軸線方向裂縫，長627 m，深3.9 m，最大縫寬15 cm（見圖4）。

（3）2005年1月在壩頂下游側(cè)挖4個檢查坑，并埋設(shè)8只土體位移計，測得裂縫未收斂，且隨水位升降均有所增加，特別是2006年調(diào)水調(diào)沙后增幅為7.49 mm。

圖4　小浪底5號坑距壩頂50 cm深處裂縫Fig.4　A crack of Xiaolangdi dam

（4）2006年夏，翻開壩面六棱磚，未見裂縫向左右兩側(cè)延伸。同時又在壩頂裂縫補充開挖3個坑，并于裂縫上下層位分別埋設(shè)土體位移計，以監(jiān)測裂縫向深度發(fā)展趨勢。

從壩頂裂縫土體位移計測值過程線可知：

①壩頂裂縫與283 m高程壩頂視準線變化規(guī)律一致，截至2008年8月底，裂縫并無收斂跡象，仍在繼續(xù)發(fā)展。

②2005年6月23日～2006年2月，庫水位上升期（上升約20 m），裂縫開度增加約7 mm。

③2006年10月19日～2007年2月12日，庫水位為245～250 m緩慢上升期，裂縫開度增加6 mm，平均上升1.5 mm/月。

④2006年6月22日調(diào)水調(diào)沙期間，庫水位驟降，裂縫開度明顯增加，增值約7.5 mm。

⑤同一探坑內(nèi)上下兩個位移計測值隨時間均有所增大，說明裂縫有向深部擴展趨勢。

5.2.2.4壩頂裂縫原因分析——覆蓋層徐變影響

小浪底壩頂裂縫的產(chǎn)生可能與壩頂分區(qū)過多、未加水碾壓、壩頂部位壩體施工速度較快、下游壩坡較陡、調(diào)水調(diào)沙、“華西”秋雨期間庫水位變化等因素有關(guān)。具體分析小浪底大壩施工質(zhì)量、水庫水位變化及壩頂裂縫變化規(guī)律，對比我國面板壩坡狀況，認為該裂縫的產(chǎn)生可能還與小浪底覆蓋層特性、斜心墻堆石壩覆蓋層應(yīng)力狀況及覆蓋層徐變有關(guān)系。

相對于其他工程，小浪底的覆蓋層有下述特點：（1）不同年代的砂礫石層與20 m厚貫通的砂層存在分層；（2）無穩(wěn)定骨架；（3）顆粒偏細；（4）存在架空現(xiàn)象；（5）有泥巖孤石層；（6）泥巖孤石和粉細砂在一定壓力作用下可能壓碎填空。

小浪底原始狀態(tài)下覆蓋層中應(yīng)力僅約0.4～0.5 MPa，建筑160 m高斜心墻堆石壩后，在自重和水荷載作用下，覆蓋層中應(yīng)力明顯增加，且嚴重不對稱。計算結(jié)果表明：斜心墻上游側(cè)覆蓋層中最大壓應(yīng)力為1.5 MPa，而斜心墻下游側(cè)覆蓋層中最大壓應(yīng)力為3.5 MPa，下游側(cè)壩體和壩基變形明顯大于上游側(cè)，壩體和壩基產(chǎn)生傾向下游的不均勻沉降和水平變位，見圖5。

圖5　小浪底壩體與覆蓋層計算應(yīng)力（單位：MPa）Fig.5　Calculated stress of the dam body and overburden layer of Xiaolangdi dam

小浪底河床砂礫石變形及相對密度試驗表明：細顆粒（＜5 mm）有壓碎變細現(xiàn)象，考慮到小浪底覆蓋層中巨大泥巖孤石、軟弱針片狀塊石及細小顆粒等在較大應(yīng)力下逐步壓碎、充填、調(diào)整，因而小浪底覆蓋層具有一定的徐變特性，再加上斜心墻特定的應(yīng)力狀態(tài)，壩體整體向下游微量傾斜變形，壩頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，由此導(dǎo)致壩頂裂縫的產(chǎn)生。由于覆蓋層的徐變對庫水位變化不敏感，與時間相關(guān)，因此不論是庫水位上升或調(diào)水調(diào)沙的庫水位降低期，壩頂裂縫均在不斷增長。

基于對小浪底壩頂裂縫產(chǎn)生機理與覆蓋層徐變關(guān)系的認識，綜合該裂縫產(chǎn)狀、發(fā)展狀況等，認為小浪底壩頂裂縫屬因覆蓋層徐變等原因共同作用而產(chǎn)生的淺層裂縫，只要在壩頂做好防滲排水，不讓雨水滲進裂縫，該裂縫開度變化逐漸會收斂，小浪底大壩仍可正常運行。事實證明，十多年來小浪底壩頂裂縫變化逐步收斂，上述認識是正確的。

5.3覆蓋層的不均勻變形

由于覆蓋層組成、結(jié)構(gòu)、厚度等不同，在荷載作用下，往往會產(chǎn)生明顯的不均勻變形，并導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的斷裂和破壞。這種不均勻變形常常集中于陡峻岸坡附近覆蓋厚度急劇變化區(qū)，也常發(fā)生于一些特殊結(jié)構(gòu)及荷載變化較大的區(qū)域。

5.3.1瀑布溝岸坡附近檢查廊道斷裂

瀑布溝礫石土直心墻壩壩高186 m，壩長540.5 m，左岸為花崗巖，右岸為淺變質(zhì)玄武巖，河谷狹窄，兩岸山高（400～500 m）、陡峻（大于45°），河床覆蓋層由Q32漂卵石層、Q41-1卵石層、Q41-2含漂卵石夾砂透鏡體和Q42漂卵石層組成，一般厚40～60 m，最厚75.36 m，覆蓋層存在局部架空現(xiàn)象，為強透水層。

根據(jù)磽磧礫石土心墻壩（壩高125.5 m）壩基廊道左岸結(jié)構(gòu)縫錯位8.5 cm及止水破壞滲水的教訓(xùn)，決定：覆蓋層中設(shè)厚1.2 m的兩道混凝土防滲墻，兩道防滲墻間距14 m，上游防滲墻采用插入式與心墻連接，插入深度10 m，下游防滲墻采用空腔式與心墻連接，防滲墻最深81.5 m。為了提升壩基防滲效果，在防滲墻下部基巖中還設(shè)兩道防滲帷幕，最深33 m。

為了緩解下游防滲墻受力，下游防滲墻頂部設(shè)基礎(chǔ)廊道，長177.17 m。廊道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底高程670 m，底板厚3 m，側(cè)壁厚1.5～2.0 m，內(nèi)凈空3.5 m×4.0 m，，廊道與第二道防滲墻剛性連接。

有限元計算成果表明：瀑布溝大壩填筑完成后，基礎(chǔ)廊道最大沉降19.8 cm，向下游最大水平位移8.6 cm。為減小基礎(chǔ)廊道變形，①對心墻下部河床覆蓋層進行鋪蓋式固結(jié)灌漿，孔排距3 m，孔深8～10 m；②在兩道混凝土防滲墻之間的覆蓋層中固結(jié)灌漿，孔距3 m、排距4 m；③對心墻基礎(chǔ)范圍內(nèi)的巖石進行固結(jié)灌漿，孔排距3 m，深5 m。

為了防止防滲墻與心墻連接部位的滲流破壞，①防滲墻頂設(shè)高15 m、寬24.32 m高塑性土；②為延長滲徑，在壩底96 m寬礫石土心墻范圍內(nèi)，鋪筑50 cm厚墊層混凝土，并在上面鋪一層復(fù)合土工膜；③在廊道下游10 m范圍內(nèi)設(shè)兩層水平反濾料，上又鋪一層復(fù)合土工膜適應(yīng)覆蓋層變形；④為了適應(yīng)基礎(chǔ)變形，基礎(chǔ)廊道設(shè)4道結(jié)構(gòu)縫，其中左右岸與岸坡基巖接頭部位各設(shè)1道結(jié)構(gòu)縫，并在距廊道外壁50 cm和30 cm處設(shè)環(huán)向橡膠止水和止水銅片。

蓄水后，基礎(chǔ)廊道最大沉降增大到21.2 cm，向下游最大水平位移31.1 cm，同時河床基礎(chǔ)廊道在兩岸接頭部位發(fā)生扭曲變形，出現(xiàn)明顯錯位。2008年2月當大壩填筑到742 m高程時（對應(yīng)填筑高度71 m），基礎(chǔ)灌漿廊道與左右岸坡接頭處的環(huán)向結(jié)構(gòu)縫開裂，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象（50 L/min和13 L/min）。其中左側(cè)防滲墻與防滲帷幕接頭部位0+354 m斷面處的測縫計錯位較大，其中X（向下游）方向最大位錯為30.225mm；Y（張開）方向最大位錯為29.46mm；Z（沉降）方向的位移最大為-13.79mm。揭開處理后發(fā)現(xiàn)，銅止水已經(jīng)撕裂。該變位至2012年尚未收斂，且該部位廊道頂潮濕，縫間仍有滲水，見圖6。

圖6　2013年1月24日瀑布溝0+354結(jié)構(gòu)縫錯位、漏水及附近廊道滲水Fig.6　The dislocation，seepage and the leakage in the nearby gallery of Pubugou dam on January 24th，2013

綜合磽磧及瀑布溝基礎(chǔ)廊道斷裂滲水現(xiàn)象，說明在陡峻河谷兩岸邊，由于覆蓋層厚度的變化，覆蓋層與基巖變形不協(xié)調(diào)，縱使采取了較多的處理措施，剛性的基礎(chǔ)廊道也很難適應(yīng)這種差異性變形，很難避免錯位或斷裂現(xiàn)象。鑒于該部位是心墻壩的薄弱部位，宜根據(jù)插入式與空腔式實際運行效果，深入開展防滲墻與心墻連接型式研究，在進行地基固結(jié)灌漿的同時，合理確定分縫距離，改善止水結(jié)構(gòu)，找尋一種既能適應(yīng)差異變形，又能確保滲流穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)型式。

5.3.2麻栗壩防滲墻頂部的泄洪涵管布置

麻栗壩位于云南省德宏縣南宛河上游，為均質(zhì)土壩，壩高35 m，庫容1.07億m3，河床砂礫石覆蓋層500多m。壩基設(shè)20 m深懸掛式混凝土防滲墻。該工程1970年開工，后下馬，已修筑部分防滲墻及直徑分別為3 m和4 m的高位導(dǎo)流涵管和低位導(dǎo)流涵管。1997年復(fù)工，計劃在原壩址利用原有防滲墻，改原有高低位導(dǎo)流涵管為高低位泄洪涵洞，即在土壩底下、防滲墻頂修復(fù)高低位兩座泄洪涵洞。計算表明，在土壩自重及水荷載作用下，因覆蓋層與防滲墻垂直變位不同，低位泄洪涵管在混凝土防滲墻頂部與其附近管段的垂直變位差高達50 cm，混凝土涵管將在防滲墻頂附近斷裂，于是決定將低位泄洪涵洞移至壩頭，并在高位泄洪涵管與防滲墻頂及高位泄洪涵管與壩體接頭部位做柔性支墊，以緩解防滲墻頂部及附近覆蓋層不均勻變形對高位泄洪涵洞的影響。

6　覆蓋層滲流穩(wěn)定

6.1覆蓋層滲流破壞

覆蓋層是可沖蝕材料，在滲透水流作用下，往往容易產(chǎn)生管涌、流土等滲流破壞。如黃羊河水庫，壤土心墻砂礫石壩壩高52 m，壩長126 m，壩基河床覆蓋層厚2～14 m。原計劃挖除心墻下部覆蓋層，在基巖上澆筑混凝土齒槽后填筑心墻及壩體，但施工中，壩體中部及右岸長約61 m河床中，覆蓋層并未挖除，有平均厚約10 m厚含孤石的砂礫石覆蓋層，同時右岸坡岸坡陡立，未予清坡，直接把壩體填筑于風化巖體和覆蓋層上。蓄水后，下游坡腳出現(xiàn)渾水，最大滲水量達150 L/s，滲水掏刷壩基，使下游壩坡出現(xiàn)深約20 m、直經(jīng)約2 m塌陷漏斗，危及大壩安全，為此沿壩軸線從壩頂嵌入基巖修筑72 m長、0.8 m厚的混凝土防滲墻，最大墻深64 m。

6.2水平鋪蓋防滲

為防止覆蓋層滲流破壞，延長滲徑，控制滲流坡降，考慮到壤土鋪蓋可就地取材，造價低廉，曾大量使用壤土水平鋪蓋層。

6.2.1黃壁莊副壩壩基覆蓋層層間滲流破壞及壩體塌陷

黃壁莊水庫位于河北滹沱河上，庫容12.1億m3，是我國早期建成的大型水利工程。主壩為水中倒土均質(zhì)壩，壩高30.7 m，壩長1 843 m，副壩長5 064 m，最大壩高19.2 m，大部分為碾壓土壩，部分為水中倒土壩。副壩地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基巖體為白云巖，埋深不一，巖溶發(fā)育，巖體上部為第四系覆蓋層，最厚25.5 m，從上至下為壤土、砂層、砂礫石，其中壤土為可塑-硬塑狀態(tài)，砂礫石粒徑1～4 cm，級配不連續(xù)，部分地段砂層直接接觸卵石層，平均粒徑相差較大，存在著層間滲流破壞的可能。

為防止壩基滲流破壞，副壩壩基采用壤土鋪蓋水平防滲，壤土鋪蓋最大長約400 m，厚1～3 m，最厚5 m。

蓄水后，水中倒土筑壩雖經(jīng)40年固結(jié)，但壩頂6 m以下的壩體長期處于軟塑狀態(tài)，壩體出現(xiàn)9 917 m長、最大寬4 cm的裂縫，同時由于水平鋪蓋的水力坡降達1.53～3.36，分別超過水平及垂直允許坡降0.12和0.43，鋪蓋陸續(xù)出現(xiàn)塌陷及裂縫，塌坑196個，直徑最大2 m，最深0.7 m，鋪蓋裂縫最多時長6 355 m，最大縫寬1 m，其中延伸入壩基的裂縫32條，最深延伸12 m，在壩體內(nèi)漸滅。

由于鋪蓋及壩基的滲流破壞，副壩下游688個減壓井井內(nèi)翻砂、井管斷裂、井壁坍塌，排水溝淤堵、地下水涌出、單個泉眼最大流量約100 L/s。下游河灘沼澤化，最大水深1.7 m，水流出口翻砂、局部發(fā)生流土破壞，副壩下游壩坡局部滑塌，雖經(jīng)多次搶險加固，但多對鋪蓋進行局部修補，效果不佳，滲流破壞仍然威脅著黃壁莊副壩的安全。

后決定采用垂直防滲墻對副壩進行加固，計劃在0+120～5+700總長5 443 m壩段澆筑混凝土防滲墻，在6+550～6+750壩段對砂礫石透鏡體進行旋噴灌漿。加固工程1999年開工，在1999年12月～2002年11月副壩防滲墻施工中，由于擊穿白云巖巖溶頂蓋等原因，壩體在4+026.7～4+360壩段間連續(xù)發(fā)生6次塌陷，壩體在2+848～2+861間發(fā)生1次塌陷，即壩體在300多m長壩段連續(xù)發(fā)生7次塌陷，壩體總塌方8 000 m3。最后采用在外圍深度圍封方式，歷時3年半，共打樁1 281個，樁長37 994 m，回填壩體258 319 m3，方才處理完畢。

6.2.2金沙峽土工膜水平防滲鋪蓋的滲流破壞

金沙峽水電站河床覆蓋層厚22～23 m，為含漂石砂卵石層，粒徑最大約80～100 cm，一般粒徑約15～20 cm，分選性較差，結(jié)構(gòu)松散，滲透性及富水性較好，滲透系數(shù)為20～25 m/d，允許滲透坡降為0.125。河床右側(cè)二級階地堆積物分三層，最上部為崩坡和塊石堆積物，第二層為碎石土，厚0.5～4 m，第三層為漂卵石層，厚29～42 m，卵石粒徑一般為5～12 cm，最大180 cm，局部架空。

金沙峽首部樞紐由土壩和混凝土閘壩組成，從右到左沿壩軸線依次布置有土壩（土工膜加漿砌石斜墻防滲砂礫石壩）、一孔進水閘、一孔泄洪沖砂閘、三孔表孔溢流壩、一段溢流堰和一段混凝土重力壩。土壩上游側(cè)平行土壩12 m處布置引水涵洞，引水入發(fā)電引水隧洞。引水涵洞直徑6.8 m，外包1 m厚混凝土，10 m一節(jié)，兩節(jié)間預(yù)留沉陷縫，寬2 cm，布置銅止水及橡膠止水帶各一條，內(nèi)填塑料泡沫板。

土壩坐落于右岸二級階地上，土壩的壩體防滲層布置在上游壩坡，采用1 000 g/m2復(fù)合土工膜防滲，土工膜上下鋪設(shè)厚25 cm的細砂礫層，壩坡表面護M10漿砌石，厚30 cm。下游壩坡干砌石護坡，厚30 cm，壩腳處設(shè)反濾層、排水棱體和排水溝。

土壩0+000～0+065壩上游側(cè)布設(shè)70 m長水平鋪蓋，壤土鋪蓋厚1.0 m，下鋪1 000 g/m2復(fù)合土工膜一層，再下鋪細沙墊層，厚0.3 m。水平鋪蓋的土工膜與電站引水涵管側(cè)壁連接，并接土壩上游側(cè)土工膜；土壩0+065～0+146壩前未設(shè)任何防滲措施，僅靠土壩前引水涵管及與此相連接的土壩上游土工膜防滲；土壩右側(cè)接崗青公路，相應(yīng)土壩也無任何防滲處理；土壩與進水閘室簡單平接，土壩的土工膜粘貼于進水閘混凝土擋墻后背上。

結(jié)合施工導(dǎo)流的需要，泄洪沖砂閘采用以水平防滲為主、齒墻垂直防滲為輔的防滲形式。泄洪沖砂閘前設(shè)70 m長、厚120 cm的C20現(xiàn)澆混凝土鋪蓋。

表孔溢流壩壩前設(shè)5 m長、厚0.8 m混凝土阻滑板，上接65 m水平防滲鋪蓋，鋪蓋上鋪壤土，厚1.0 m，加復(fù)合土工膜一層，細沙墊層厚0.3 m。該水平防滲鋪蓋左側(cè)接基巖，右測接泄洪沖砂閘前混凝土鋪蓋。閘壩下游消力池底板后部下設(shè)排水孔，并鋪反濾層，相應(yīng)垂直允許水力坡降從0.4提高為0.52。

滲流計算表明：閘壩下覆蓋層中水平滲流坡降大于允許水力坡降。由于0+065～0+146土壩上游未鋪防滲鋪蓋，滲徑較短，且覆蓋層各層間存在層間滲流破壞可能，滲流坡降可能更大。

2006年12月，電站蓄水就發(fā)現(xiàn)滲流破壞現(xiàn)象，其中：①泄洪排砂閘消力池右墻末端漿砌石擋墻部位滲水20～30 L/s，且為渾水，僅略比洪水較清。為此留有3個排水孔，以便通道排水孔將滲漏水直接排入泄洪沖砂閘的消力池內(nèi)。②土壩上游有9處不同程度的漏斗狀滲水點，土工膜撕裂（見圖7和8）。③由于崗青公路基為坡積塊石，滲漏性較強，滲水后崗青公路塌陷并多處開裂，后檢查在8號點發(fā)現(xiàn)路基因滲水已有20 m3大洞。后除修補已撕壞的土工膜外，還在0+065～0+146土壩上游側(cè)自引水涵管軸線至上游56 m處全部鋪筑2 m厚度的壤土，目前滲水約2～4 L/s，水質(zhì)已清。

圖7　金沙峽水平鋪蓋上的滲水漏斗Fig.7　The leaking hopper at the horizontal impervious blanket of Jinshaxia dam

圖8　金沙峽水平鋪蓋土工膜被撕毀狀況Fig.8　Picture of torn geomembrane of the horizontal impervious blanket of Jinshaxia dam

6.3覆蓋層中垂直防滲

總結(jié)在深覆蓋層上利用天然淤積及人工水平鋪蓋的防滲效果，在充分肯定水平鋪蓋就地取材、經(jīng)濟等優(yōu)點的同時，自20世紀70年代起，興建了一大批利用垂直防滲的工程。

覆蓋層上垂直防滲型式有水泥灌漿帷幕、混凝土防滲墻、塑性混凝土防滲墻等幾種型式。

6.3.1阿斯旺壩基覆蓋層水泥灌漿帷幕

阿斯旺水庫位于埃及尼羅河上游，距首都開羅700 km，庫容1 689億m3，庫長500 km，水面寬12 km。該工程由心墻堆石壩、溢洪道、電站三大部分組成，總裝機2 100 MW。其中心墻堆石壩壩高111 m，壩頂長3 830 m，壩頂寬40 m，壩底寬980 m，左右岸壩基基巖出露，河床中部覆蓋層最厚225 m，上部細砂層厚20 m，以下粗砂與砂礫石相間。大壩采取水平鋪蓋加10排水泥灌漿帷幕防滲，防滲帷幕最深170 m，上部厚40 m，下部厚20 m，總進尺10.9萬m，該工程1960年動工，1971年竣工。

阿斯旺大壩是世界著名大壩，充分發(fā)揮了防洪、灌溉、發(fā)電等效益，對埃及國民經(jīng)濟做出了重大貢獻。然而由于覆蓋層中采用水平鋪蓋加帷幕灌漿防滲，防滲效果不佳，工程出現(xiàn)了下述問題：

（1）下游農(nóng)田鹽堿化。壩基防滲效果不理想，每年水平滲漏量10億m3，垂直滲漏60億m3，合計70億m3，占總庫容4.1%，滲漏流量222 m3/s。由于滲漏量大，下游排水措施未能及時跟上，地下水位抬高，農(nóng)田受鹽堿化威脅，蓄水初期鹽堿地面積以10%速率增加。

（2）水庫水面巨大，年蒸發(fā)量每年100億m3，受季風影響及壩基滲漏，每年損失水量約200億m3，約為庫容11%。再加上水庫攔截了大量淤泥，尼羅河下游農(nóng)田每年失去幾億噸淤泥，受旱災(zāi)影響，農(nóng)田貧瘠化、鹽堿化，大幅減產(chǎn)，棉花由原先1.8億t減少到500萬t，50%糧食需要進口。

（3）由于尼羅河下游輸沙量減少，地中海海水倒灌，河口每年后退29～31 m，威脅到河口港口、工廠、軍事設(shè)施的安全。

（4）庫區(qū)水流流速減緩，吸血蟲泛濫。

（5）水庫攔截了有機質(zhì)，下游沙丁魚每年減少1.8萬t。

由于上述原因，阿斯旺大壩成為國際上頗有爭議的大壩，一些極端環(huán)保主義者提出要炸毀阿斯旺大壩，這固然是一種看法，但水利工作者應(yīng)根據(jù)具體工程水文地質(zhì)條件，認真總結(jié)阿斯旺大壩在深厚覆蓋層上采用水平鋪蓋+帷幕灌漿防滲的經(jīng)驗教訓(xùn)，做好深厚覆蓋層壩基防滲工作。

6.3.2混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷與西齋堂大壩混凝土防滲墻事故

混凝土防滲墻是當今廣泛使用的一種垂直防滲形式，防滲效果總體很好。小浪底斜心墻下設(shè)C35混凝土防滲墻，通過防滲墻前及墻后滲壓計測值的對比分析，防滲墻削減水頭90%以上，混凝土防滲墻防滲效果良好。

諸多實踐證明混凝土防滲墻的薄弱環(huán)節(jié)是各槽位墻體接頭部位及防滲墻與水泥灌漿帷幕的接頭部位。金康水電站防滲墻最大墻深28 m，厚0.8 m。C20W6F50混凝土，共分14個槽位施工，合計2 851 m，在槽位接頭部位鉆取3個檢查孔，壓水試驗最大透水率達5 Lu，后返工補灌。

北京西齋堂水庫，粘土斜墻砂礫石壩，壩高58.5 m，壩長380 m，壩頂高程470.5 m，安山巖壩基上河床覆蓋層厚48 m，其中20 m以上多為漂石，結(jié)構(gòu)松散，20 m以下砂礫石夾泥，結(jié)構(gòu)較為緊密。1974年8月蓄水，1978年最高蓄水位457.6 m，最大水頭45 m，持續(xù)140 d。水位降低后，發(fā)現(xiàn)樁號0+ 234大壩上游430 m高程平臺處的1號塌坑，坑口呈橢圓形，順壩軸線方向長9.5 m，垂直壩軸線方向長7.0 m，中心坑深3 m，容積60多m3；另外在樁號0+ 165處大壩上游430 m高程平臺處發(fā)現(xiàn)2號塌坑，呈圓形，直徑2.5 m、深0.3 m。挖坑檢查發(fā)現(xiàn)相應(yīng)混凝土防滲墻兩槽位接頭處有直徑4～6 cm的水平洞，且墻體接縫處夾泥皮最厚4 cm，有些夾泥已被水沖走，形成滲流通道。

6.3.3小浪底混凝土防滲墻的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

隨著防滲墻深度的加大，由于墻體上部壩體的垂直荷載、水荷載，加上墻體兩側(cè)覆蓋層沉降對墻體的拖曵力，防滲墻的應(yīng)力頗為復(fù)雜，導(dǎo)致加拿大馬立克第3梯級大壩防滲墻（壩高108 m，墻深130 m）及夸彿辛克·拉·維里塔壩防滲墻下部墻體壓碎破壞。

斜心墻壩和面板堆石壩的防滲墻布置于上游側(cè)，施工期防滲墻上部可能產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，蓄水后防滲墻底部可能產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。如小浪底C35混凝土防滲墻長477 m、深82 m、厚1.2 m，計算表明：施工期防滲墻計算拉應(yīng)力5.32 MPa，最大壓應(yīng)力56.43 MPa，蓄水后最大計算壓應(yīng)力46.08 MPa（見圖9）；離心機試驗成果表明，混凝土防滲墻最大壓應(yīng)力發(fā)生在上游墻面80 m高程處，為59 MPa，最大拉應(yīng)力發(fā)生在下游墻面100 m高程處，為8.5 MPa，雖然最大拉壓應(yīng)力的位置與有限元計算結(jié)果不甚一致，但應(yīng)力量級相當，最大壓應(yīng)力大于防滲墻混凝土設(shè)計強度，防滲墻下部存在壓碎、上部存在拉裂的可能。

由于小浪底覆蓋層和壩體的大變位，壩體深部監(jiān)測設(shè)備大多失效，目前防滲墻僅有一個監(jiān)測資料，即防滲墻上部128 m高程S11應(yīng)力資料，實測應(yīng)力16 MPa，與計算應(yīng)力14 MPa接近，且略大計算值，雖不能反映防滲墻真正運行性態(tài)，但對其復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)仍不能掉以輕心。6.3.4興隆圍堰塑性混凝土防滲墻的變形模量

圖9　小浪底防滲墻計算應(yīng)力及變位Fig.9　Calculated stress and deformation of the cutoff wall of Xiaolangdi dam

為了解決防滲墻復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，減小墻體上部受拉下部受壓破壞的可能，把混凝土防滲墻的混凝土強度等級由C20提高到C35，墻體厚度由0.8 m增加至1.2 m，設(shè)雙道防滲墻，墻頂設(shè)高塑性土或廊道，防滲墻體上部加鋼筋籠，甚至像諸如九甸峽那樣挖除部分覆蓋層，有的也采用塑性混凝土建造防滲墻，試圖通過降低墻體彈模提升防滲墻適應(yīng)周圍覆蓋層的變形能力。

塑性混凝土的關(guān)鍵是合理控制其彈性模量。彈性模量反映了所受應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，直接影響其適應(yīng)基礎(chǔ)變形的能力。若塑性混凝土防滲墻彈性模量比周圍土體的變形模量高出太多，墻體應(yīng)力和變形將會遠高出設(shè)計值，有可能出現(xiàn)裂縫。

興隆水利樞紐施工圍堰采用塑性混凝土防滲墻，設(shè)計要求防滲墻的塑性混凝土強度設(shè)計指標 4 MPa，相應(yīng)28 d彈性模量控制指標為750～1 500 MPa。2010年已成墻的5個分部工程項目中，承建單位與監(jiān)理中心對彈性模量進行平行抽檢試驗，試驗測得彈模測值存在較大差異，且大部分超出設(shè)計指標：

（1）中水基礎(chǔ)局試樣的檢測結(jié)果為：彈模測值在1 380～2 150 MPa之間，芯樣檢測在1 950～3 900 MPa之間。

（2）葛洲壩基礎(chǔ)局試樣檢測結(jié)果在1 154～2 103 MPa之間，芯樣檢測在1 783～2 517 MPa之間。

（3）監(jiān)理平行抽樣試樣檢測在2500～12500MPa之間，芯樣檢測在3 400～10 600 MPa之間。

這除了說明塑性混凝土彈性模量的離散性外，也說明興隆電站圍堰的塑性混凝土防滲墻尚不能達到低彈模的要求，長期運行存在一定風險。

6.3.5沙灣塑性混凝土防滲墻防滲效果

沙灣水電站位于四川省樂山市，是大渡河干流下游河段梯級開發(fā)的第一級水電站，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧灌溉和航運。水庫正常蓄水位432.0m，水庫總庫容4867萬m3。裝機總?cè)萘?80MW，電站采用一級混合式開發(fā)，建壩壅水高15.5 m，與上游銅街子水電站尾水相銜接，河床式廠房，廠房后接9 015 m的長尾水渠，尾水渠利用落差14.5 m，合計水頭30 m。樞紐由位于覆蓋層上的左岸混凝土面板砂礫石壩、儲門槽壩段、6～10號泄洪沖沙閘、位于回填砂礫石地基上的1～5號泄洪沖砂閘、位于角礫巖和泥質(zhì)白云巖上的發(fā)電廠房、右岸接頭壩、尾水渠等建筑物組成。壩軸線全長699.82 m，其中右岸河床廠房壩段最大高度86.9m，長204m；左岸混凝土面板砂礫石壩最大壩高22.5 m，長233.66 m；10孔泄洪沖砂閘壩段最大壩高30.5 m，長204.1 m。

壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，且存在2個深切河槽，厚度變化較大，最大厚度達68.85 m。主要由第四系中更新統(tǒng)冰水（Q2fgl）堆積層、上更新統(tǒng)沖、洪積（Q3al+pl）堆積層以及河床第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）堆積層組成。細砂透鏡體及砂夾卵礫石承載能力150 kPa，壓縮模量30～50 MPa，卵礫石承載能力500～600 kPa，壓縮模量100 MPa。覆蓋層允許滲透坡降為0.15～0.20。施工揭露細砂透鏡體最大厚度6 m，孤塊石直徑0.5～2.0 m，個別直徑超過2 m，局部存在架空現(xiàn)象。覆蓋層地基存在滲漏、滲流破壞、不均勻變形及徐變等問題。

為減小壩基滲漏，防止?jié)B流破壞，右岸基巖帷幕灌漿，左岸混凝土面板壩和泄洪沖砂閘壩腳前15 m（0-015）布置塑性混凝土防滲墻，防滲墻長589.2 m、厚1.0 m，最深65.1 m，嵌入基巖1～2 m，墻體與閘壩底板間由15 m長、厚2 m混凝土連接板相接，連接板與閘室間設(shè)厚4 m三角形C15混凝土墊層，墻體與連接板及連接板與閘底板間均設(shè)一道銅止水和橡膠止水，形成封閉防滲體。該塑性混凝土防滲墻為我國永久性閘壩建筑物下最深的一道塑性混凝土防滲墻。塑性混凝土防滲墻的配合比見表4，實測成果見表5。

自2009年4月下閘蓄水以來，閘壩頂部順水流向水平變位較小，最大水平變位發(fā)生于5號閘室（7.10 mm），但垂直沉降較大，最大沉降發(fā)生于人工回填砂礫石地基上的1號閘室頂部，其中上游測點LS37沉降111 mm，下游測點LS38沉降174.2 mm，整個閘室略向下游微傾。蓄水三年來，沉降變形尚未收斂，2012年最大月變化速率為0.6 mm/月。由于巖基上廠房沉降變形較小，位于覆蓋層上的1號閘室右邊墻與位于基巖上的4號廠房左邊墻間產(chǎn)生較大沉降差，其中上游側(cè)沉降差105 mm，下游側(cè)沉降差130 mm，即閘室總沉降量及不均勻變形量均超過規(guī)范規(guī)定，同時閘壩揚壓力異常。

壩0+437.8剖面，塑性混凝土防滲墻及第一道止水的防滲效果為76%，而第二道止水后防滲效果降低為33%。壩0+437.82連接板與閘室間（0+000）處布置J4-1測縫計，從2008年4月起測，不到一個月儀器失效，證明壩0+437.82連接板與閘室間止水撕裂，止水失效。由此閘基揚壓力折減系數(shù)達0.66，大于有防滲無排水狀況下規(guī)范規(guī)定的揚壓力折減系數(shù)0.45～0.6，也大于設(shè)計計算值0.6。

施工期，整個塑性混凝土墻呈受壓狀態(tài)，向上游最大水平變位22 mm，蓄水后，在上游水位432 m時，塑性混凝土防滲墻向下游最大水平變位15 mm，整體墻體總體受拉，最大拉應(yīng)變500 με，拉應(yīng)力為500 kPa，大于塑性混凝土允許拉應(yīng)力200～300 kPa，墻體存在拉裂可能。

混凝土防滲墻防滲效果包括墻體、止水及連接板的防滲效果。由于連接板與閘室間鋪筑4 m厚三角形C15混凝土墊層，降低了連接板適應(yīng)閘室變形的能力，當閘室發(fā)生較大沉降后，該三角形混凝土墊層加大了連接板與閘室間止水的沉降差，從而造成止水拉斷，防滲墻整體防滲效果降低。

鑒于沙灣基巖中存在SO42-含量大于1 000 mg/L的承壓水和摻40%水泥用量的膨潤土，其耐久性、抗?jié)B性能、抗腐蝕性能都未得到驗證，目前的防滲效果已有所降低，閘基揚壓力已超過設(shè)計及規(guī)范允許值?？紤]到塑性混凝土防滲墻整體防滲效果的降低是不可逆事件，隨著塑性混凝土防滲墻防滲效果的進一步降低，閘基揚壓力將進一步提高，再加上覆蓋層徐變的進一步發(fā)展，人們對此仍應(yīng)足夠重視。

7　覆蓋層與沖蝕破壞

覆蓋層是一種可沖蝕材料，一般細砂的抗沖流速小于1 m/s，砂礫石抗沖流速不大于3.5 m/s。為了防止覆蓋層沖蝕破壞，?？刂聘采w層上閘壩的設(shè)計單寬流量小于50 m3/s·m，同時還要求較完備的消能防沖設(shè)施，或在建筑物尾部設(shè)防沖齒墻，以防止下游河床沖刷或河道演變影響建筑物本身及下游堤岸的安全，見表6。

在一些縱坡較陡、輸砂量較大、沖刷較嚴重的河流上，也可提高過流部位混凝土強度等級及抗沖蝕能力，不設(shè)消力池，加大護坦長度，并設(shè)較深的抗沖齒槽。

實踐證明縱使采取上述措施，下游防護段及下游河道的覆蓋層及堤防仍會發(fā)生不同程度的沖刷破壞。如萬家寨水電站設(shè)計泄量16 500 m3/s，采用長護坦挑流消能，1998年下閘蓄水，1999年2月為配合內(nèi)蒙防冰凌需要下泄2 400 m3/s，挑流鼻坎后83 m處沖坑深13.5 m，導(dǎo)致下游滲水經(jīng)巖層層面及節(jié)理裂隙向護坦末端基礎(chǔ)廊道排水孔涌出，涌水量達430 L/min。為防沖刷坑向上游溯源淘刷，在護坦末端增設(shè)防沖齒墻、增加下游防滲帷幕、加厚部分防沖護坦厚度，護坦下基巖固結(jié)灌漿。雖然該工程并不是建筑于深厚覆蓋層上，但該案例說明了防止壩基發(fā)生淘刷的普遍性和重要性。

表4　沙灣塑性混凝土防滲墻的配合比（單位：kg/m3）Table4　The mix proportion of the plastic concrete for the cutoff wall of Shawan dam

金沙峽設(shè)計泄量1 670 m3/s，2012年最大下泄流量1 164 m3/s。沖砂閘消力池底板局部鋼筋出露26.4 m2，最深5 cm。表孔溢流壩15塊底板中有6塊沖刷嚴重，共387 m2，沖坑最深36 cm。溢流堰4塊板中均有不同沖蝕破壞，面積約125 m2，沖坑最深60 cm，且下游堆積約10 m3塊石。

上述現(xiàn)象說明：下游河道及下游消能防沖設(shè)施的沖蝕破壞是一種常見現(xiàn)象，宜通過水工模型試驗，調(diào)整樞紐布置及消能防沖設(shè)施的布置，合理調(diào)度，使下游河段流速小于允許抗沖流速，在多砂河流的流道下部宜適當提高混凝土強度等級及抗沖能力，在泄流前應(yīng)清除消力池及護坦上施工殘碴。

8　覆蓋層的地震效應(yīng)

8.1覆蓋層的地震特性

覆蓋層是由不同年代不同成因的漂石、卵石、碎石、砂等經(jīng)水流搬遷所組成的層狀堆積物，由于地震波在覆蓋層中吸收、反射，及地震過程中孔隙水壓力的提高，有效應(yīng)力的減少，覆蓋層的模量和阻尼具有明顯非線性特點，因而覆蓋層上的結(jié)構(gòu)抗震問題頗為復(fù)雜。目前利用現(xiàn)場測試剪切波速，室內(nèi)利用動三軸儀模擬地震過程，測定覆蓋層的最大剪切模量與平均有效主應(yīng)力的關(guān)系、動剪切模量比與動剪應(yīng)變幅的關(guān)系、阻尼比與動剪應(yīng)變幅的關(guān)系，概化后，代入特定的非線性程序進行計算，模擬出地震中覆蓋層上水工建筑物破壞過程。然而由于現(xiàn)場試驗存在諸多困難，室內(nèi)重塑樣的代表性、試驗成果概化后的誤差以及計算中許多假定，不少計算結(jié)果與實際有一定差距。鑒于此，在進行必要的覆蓋層上結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)強度抗震計算同時，更應(yīng)積累覆蓋層上結(jié)構(gòu)抗震經(jīng)驗，加強結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施。

8.2覆蓋層的地震反應(yīng)

地震過程中，覆蓋層常出現(xiàn)較大的垂直變位和水平變位，并導(dǎo)致?lián)P壓力變化、砂土地震液化，甚至建筑物破壞。

8.2.1映秀灣電站閘首覆蓋層地震反應(yīng)

映秀灣水電站為閘壩引水式電站，閘壩最大高度21.4 m，河床覆蓋層共分7層，總厚45 m，持力層為第三層漂卵礫石層，漂石直徑5～20cm，最大1～2m，其中大于20 cm的卵石占總重量的39.91%～93.98%，局部存在架空現(xiàn)象。采用混凝土水平鋪蓋和懸掛式混凝土防滲墻防滲，防滲墻布置于閘室上游0～020，對閘室無多大頂托作用。

映秀灣首部樞紐原地震設(shè)防烈度為Ⅶ度，2008 年5日12日汶川地震，首部樞紐區(qū)地震響應(yīng)Ⅺ度，地震反應(yīng)如下：

（1）場區(qū)河床右岸擋水壩段上游側(cè)砂土出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象。

（2）右岸擋水壩段上游側(cè)人工填土沉降20～50cm。

（3）閘室相對廠房整體水平下移72.5 cm，1號泄洪閘向上游傾斜12 mm，向左傾斜7.4 mm。但各閘室間沉陷縫張開不明顯，整個閘室基本完好。

表6　覆蓋層上閘壩單寬流量Table6　Unit discharge of the gate dam built on overburden layer

（4）漂木道前弧形擋墻有兩道近乎垂直的貫穿性裂縫，一條寬2～5 cm，長7～8 m，另一條延伸較長，與底板裂縫相接，深約30 cm?；⌒螕鯄Ρ乘嫜匦吕匣炷两Y(jié)合部出現(xiàn)較大水平裂縫。

（5）閘壩揚壓力有所增大，但較快恢復(fù)。

（6）5號泄洪閘的上游右邊墻傾斜、下游右邊墻兩處倒塌。

（7）防滲墻中布置3個檢查孔，墻體結(jié)構(gòu)基本完整，僅發(fā)現(xiàn)0.5～10 mm裂縫3條，縫面滲水，左孔深1.2～2.4 m處漏水，深7.03～8.43 m處發(fā)現(xiàn)冒沙。

（8）安全監(jiān)測設(shè)備震損嚴重。

（9）閘首上部值班房墻面有橫向、斜向、豎向裂縫，整體傾斜，啟閉機房及排架支柱開裂。

映秀灣經(jīng)受Ⅺ度地震考驗，閘首周圍及閘室上部結(jié)構(gòu)、閘壩軸線拐彎處等震損嚴重，但閘室震損不重，揚壓力雖有所增高但迅速恢復(fù)，防滲墻局部損壞。

8.2.2耿達電站閘首覆蓋層地震中反應(yīng)

耿達水電站為閘壩引水式電站，閘壩最大高度31.5 m，河床覆蓋層共分5層，壩軸線處覆蓋層最厚55.70 m，持力層為第五層含砂漂卵石層。采用垂直防滲墻防滲，防滲墻厚0.8 m，防滲墻最大墻深57.6 m，深入基巖內(nèi)1.9 m。防滲墻布置于閘室底板0+002處，對閘室垂直變形有一定頂托作用。場地原地震設(shè)防烈度Ⅶ度，2008年5月12日汶川地震場地響應(yīng)Ⅸ度。

耿達水電站1988年蓄水，由于覆蓋層徐變及防滲墻頂托作用，閘壩變形以持續(xù)向下游水平變位為主，且向下游方向略有傾斜。2005年實測，覆蓋層上的3號泄洪閘前排測點累計向下游變位28.4 mm，年變化速率1.7 mm/a，累計沉降4.1 mm；而相鄰基巖上的1號非溢流壩持續(xù)向上游累計變位-6.9 mm，累計沉降-0.6 mm。從而1號非溢流壩和3號泄洪閘水平位移差35 mm，垂直位移差4.7 mm，由此造成門機相鄰軌道錯位，見圖10。

2008年5月12日汶川地震后，右岸壩肩巖體崩塌嚴重，淹埋窯洞式發(fā)電廠房。閘室基本完好，各閘室前排測點均向下游增加80～90 mm變位，累計向下游水平變位98.8～126.5 mm，垂直沉降增加2.5～8 mm，累計沉降4.2～10.2 mm。由于地震中1號非溢流壩向上游仍有-10.2 mm的變位，且沉降4.8 mm，1號非溢流壩與3號泄洪閘間水平錯位增加為136.7 mm，垂直錯位僅2.3 mm（見圖11）。震后閘基揚壓力測值變化顯著，且紊亂。

圖10　震前門機軌道斷開，水平變位大但垂直變位較小Fig.10　The dislocated rail of the portal crane before earthquake，with large horizontal but small vertical displacements

圖11　汶川地震后耿達1號非溢流壩段與3號泄洪閘間門機軌道水平錯位Fig.11　The horizontal dislocation of the rail between 1#nonoverflow dam section and 3#sluice of Gengda dam after earthquake

8.3近壩基覆蓋層中防砂土液化措施

覆蓋層地震反應(yīng)中最突出的問題是近壩基砂土及低密度砂礫石的地震液化。為防止近壩基覆蓋層中砂土液化，人們采用壓重、排水固結(jié)、置換、振沖碎石樁、圍封及混凝土灌注樁等措施，應(yīng)該說這些方法都是有效的，但實踐證明：①對于建筑物的持力層，不僅要對天然狀態(tài)的土體進行液化判斷，也要根據(jù)建筑物建成或處理后覆蓋層的實際顆分曲線、實際標準貫入度和實際密實度進行復(fù)判。②宜搞清各種抗液化措施的機理和條件，在無法實現(xiàn)外排水和有效控制孔隙水壓力及防止砂土流動的條件下，靠圍封和碎石樁來防止砂土液化，可能是困難的。③任何一種措施往往都會有多種作用，不論是靜態(tài)或動態(tài)，既有正面的作用，也可能有負面作用，應(yīng)揚其利、減其弊。

新疆布哈拉水閘，為防細砂地基液化，采取圍封措施，地震后圍封范圍的消力池翼墻傾斜。河北薊運河防潮閘，為防地基液化，采用混凝土灌注樁抗震。1976年唐山地震時，雖灌注樁發(fā)揮了承力作用，閘室無太大破壞，但樁間土沉降，閘室底面脫空，形成滲流通道。金康振沖碎石樁雖提高了第Ⅱ?qū)尤劳良胺奂毶巴恋某休d能力及抗液化能力，但振沖碎石樁現(xiàn)場試驗中實測影響半徑7～8 m，塌陷漏斗直徑5.8 m，閘室底板附近的樁間土可能不密實。同時由于施工困難，調(diào)整了原碎石樁20～80 mm碎石級配，加大50～80 mm粒徑碎石比例，與覆蓋層之間尚難滿足反濾要求，樁頂與閘底板間未設(shè)置褥墊層，蓄水后揚壓力測試出現(xiàn)波動現(xiàn)象，因此可能需要根據(jù)地基處理實際狀態(tài)，預(yù)測地震反應(yīng)，評價結(jié)構(gòu)抗震安全。

9　覆蓋層的安全監(jiān)測

壩體和壩基滲漏量是反映壩體和壩基運行性態(tài)較直觀的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能實施監(jiān)測。當深覆蓋層上滲漏量監(jiān)測比較困難時，當前覆蓋層上水工建筑物安全監(jiān)測項目主要為：上部建筑物水平變位和垂直變位監(jiān)測、建基面揚壓力監(jiān)測、防滲墻變位和應(yīng)力及防滲效果監(jiān)測等。

覆蓋層變位較大，水工建筑物下部監(jiān)測設(shè)備往往因超量程或電纜拉斷而失效，從而使許多關(guān)鍵部位丟失了監(jiān)測資料，無法對覆蓋層及其上部建筑物的運行狀態(tài)進行科學(xué)評價。如小浪底壩高160 m，覆蓋層厚80 m，共埋設(shè)3 134套監(jiān)測設(shè)備，蓄水后壩體發(fā)生較大變形，監(jiān)測儀器（特別是大壩心墻底部的內(nèi)部監(jiān)測設(shè)備）大量失效，不僅不能正確對心墻工作性態(tài)做出評價，甚至連大壩最大沉降變形也無法得知，見表7。

表7　小浪底監(jiān)測設(shè)備失效率Table7　Failure rate of the monitoring instruments at Xiaolangdi dam

為了解決這一問題，需要對覆蓋層及上部結(jié)構(gòu)的最終變位有所了解，合理確定監(jiān)測設(shè)備量程及選型，優(yōu)化電纜布置方式，提升適應(yīng)覆蓋層及上部結(jié)構(gòu)大變形的能力。

10　結(jié)語

深覆蓋層上筑壩是當今水利水電工程重大技術(shù)問題之一，深覆蓋層上水工建筑物安全評價是剛開展的一項新工作。

安全評價不是設(shè)計審查，也不是工程建設(shè)的后評估。安全評價的對象是業(yè)已投入運行并暴露出這樣或那樣問題的建筑物。安全評價的靈魂是風險辨識和風險監(jiān)控。規(guī)程規(guī)范是安全評價的尺度，安全評價的依據(jù)是工程運行現(xiàn)狀和監(jiān)測資料。根據(jù)風險發(fā)生的可能性及其危害，有針對性科學(xué)地進行風險分析，既不掩蓋風險也不夸大風險，提出操作性較強的建議，是安全評價生命力的表現(xiàn)。

根據(jù)上述案例，總結(jié)深覆蓋層筑壩技術(shù)上已取得的重大成就及所出現(xiàn)問題，為了更好地提高深覆蓋層筑壩技術(shù)，做好深覆蓋層上水工建筑物安全評價工作，提出下述幾點看法：

（1）加強覆蓋層勘探及試驗，深入了解覆蓋層的成因、形成年代、分層狀況、各層厚度、礦物組成、顆粒大小及形狀、密實程度、架空狀態(tài)、膠結(jié)狀態(tài)、承載能力、變形模量、滲透系數(shù)、允許水力坡降、抗沖流速等物理力學(xué)特性及其受力后的應(yīng)力、變形、滲流、沖蝕及其主要工程問題，是搞好覆蓋層上水工建筑物設(shè)計的基礎(chǔ)，也是有針對性地進行覆蓋層上水工建筑安全評價的必要條件。

（2）覆蓋層上水工建筑的安全評價，原則上不涉及壩址、壩軸線和壩型選擇及樞紐布置，僅對已竣工的水工建筑物安全性進行評價，但是若壩址、壩軸線和壩型選擇及樞紐布置等沒有充分考慮覆蓋層的分布及結(jié)構(gòu)特點，未能避開可液化地層及承載能力較低或蓄水后可能發(fā)生較大不均勻變形的地層，未采取相應(yīng)措施，或結(jié)構(gòu)形式和分塊尺寸與覆蓋層應(yīng)力變形不相適應(yīng)時，評價人員宜關(guān)注上述缺陷對工程安全的影響。

（3）通過方案比較，可對覆蓋層采取全挖、部分挖除、原覆蓋層上筑壩等不同處理方式。安全評價應(yīng)清楚既定的處理方式所可能帶來的利與弊，對其可能風險及運行中可能暴露出的問題應(yīng)予以關(guān)注。

（4）在關(guān)注覆蓋層上水工建筑物整體穩(wěn)定問題的同時，也應(yīng)關(guān)注深置基礎(chǔ)的地基允許承載能力。水工建筑物基礎(chǔ)并非條形基礎(chǔ)，往往是同時承受垂直荷載和水平荷載的大面積深置基礎(chǔ)。地基允許承載力計算公式頗多，計算結(jié)果差異較大，安全評價時宜根據(jù)建筑物受力特點、基礎(chǔ)形狀尺寸及埋深、持力層特性、特別是現(xiàn)場試驗成果進行評價，同時注意到一些異常變形，這往往是地基承載力不足的表現(xiàn)。

復(fù)合地基除能提高地基允許承載能力外，往往還有其他影響，安全評價時要重視復(fù)合地基現(xiàn)場檢查成果，重視運行期復(fù)合地基的表現(xiàn)，對其不利影響保持高度警覺，對復(fù)合地基的質(zhì)量和作用做出全面和正確的評價。

（5）覆蓋層的變形和徐變是客觀事實，往往是造成上部建筑物大變形、甚至是閘壩開裂和破壞的主要原因之一。由于以砂礫卵石為主的覆蓋層與軟土地基力學(xué)特性的差異，軟土地基上部結(jié)構(gòu)的總沉降量及不均勻沉降量的控制標準可能不完全適合以砂礫卵石為主的覆蓋層的上部結(jié)構(gòu)，應(yīng)予關(guān)注。小浪底壩體及覆蓋層沉降采用分層總和法及有限元法的計算成果與離心機試驗成果差距較大，與壩體實際變形也有一定差距，應(yīng)予研究。近岸壩段，因巖基和覆蓋層的變形差異，往往造成壩體和基礎(chǔ)廊道的斷裂，威脅著建筑物安全。安全評價時要關(guān)注建筑物變位與庫水位及荷載關(guān)系，關(guān)注變位與時間關(guān)系，關(guān)注變位發(fā)展趨勢與發(fā)展速率，嚴格區(qū)分驟變與徐變、嚴格區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與覆蓋層徐變的差異，并做出相應(yīng)評價。

（6）覆蓋層的滲流和滲流破壞是上部水工建筑物安全的主要威脅之一。必須嚴格控制覆蓋層水平滲流段和垂直逸出段滲流比降，既關(guān)注逸出點的管涌和流土，也要關(guān)注覆蓋層的層間滲流破壞?；炷练罎B墻是當今技術(shù)比較成熟、效果較好的防滲措施，但需注意各槽位間及與防滲帷幕接頭、防滲墻與壩體防滲體系連接部位的施工質(zhì)量及運行性狀、關(guān)注防滲墻實測變位和應(yīng)力及墻后滲壓監(jiān)測成果，合理評價防滲墻防滲效果。

土工膜是臨時工程的防滲材料，也可用于覆蓋層上的3級及3級以下永久性水工建筑物，但需關(guān)注土工膜間焊接質(zhì)量、土工膜與建筑物連接方式、土工膜上下保護層的可靠性，關(guān)注地基變形造成的土工膜刺穿和拉裂的可能。

塑性混凝土質(zhì)量較難控制，由于其強度較低，往往布置于閘壩上游，并用連接板與止水和水工建筑物相接，共同組成防滲體。當覆蓋層發(fā)生較大變形時，既要關(guān)注塑性混凝土防滲墻工作性態(tài)，也要關(guān)注止水撕裂、接縫張開、防滲體系失效的可能。

（7）覆蓋層為可沖蝕材料，抗沖流速較低，水工建筑物下游常出現(xiàn)不同程度的沖刷破壞，但不應(yīng)危及水工建筑物安全和下游河勢的穩(wěn)定。控制溢流前緣的單寬流量、精心做好消能防沖設(shè)計、控制水工建筑物下游河道流速是一種常用的辦法，在推移質(zhì)較多的河流上，可不設(shè)消力池，但需設(shè)置防沖齒墻，提高流道材料的抗沖流速，勤于檢查，勤于處理。

（8）覆蓋層上的結(jié)構(gòu)抗震是一個復(fù)雜問題，由于當前地震預(yù)測預(yù)報工作與工程建設(shè)需要尚存在一定差距，再加上地震動輸入及強震下材料抗力以及多次地震后的累進破壞效應(yīng)等，強震區(qū)既要重視結(jié)構(gòu)抗震計算，也應(yīng)重視加強結(jié)構(gòu)抗震的構(gòu)造措施。覆蓋層中粉細砂土及低密度砂礫石地震液化是一個必須認真對待的問題，除了對自然狀態(tài)的上述材料進行液化判斷外，還宜對受力或處理后的液化可能性進行復(fù)判，宜選擇那些抗液化機理明確的方法進行處理，并關(guān)注處理后可能帶來的不利影響。

（9）在監(jiān)測設(shè)備量程選擇、設(shè)備選型及電纜布置中，宜充分考慮受力后覆蓋層可能產(chǎn)生的較大變形及其影響，努力提升監(jiān)測設(shè)備成功率。

［1］汪易森，龐進武，劉世煌.水利水電工程若干問題的調(diào)研與探討［M］.北京:中國水利電力出版社，2006.

［2］王民浩，楊志剛，劉世煌.水電水利工程風險辨識與典型案例分析［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［3］中國水力發(fā)電工程學(xué)會水工及水電站建筑物專業(yè)委員會.利用覆蓋層建壩的實踐與發(fā)展［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

Title:Safety assessment of hydraulic structures built on overburden layer//by LIU Shi-huang//China Renewable Energy Engineering Institute

Based on the operation condition of hydraulic structures built on the overburden layer and the experience in its safety assessment，the points of dam site selection，dam axis selection，layout of structures，the bear capacity of overburden composite foundation，the seepage prevention effect of anti-seepage measures，erosion resistance，seismic liquefaction prevention measures and the characteristics of the stress，deformation and seepage of overburden layer are summarized.Further，the characteristics of the hydraulic structures built on overburden layer and the risks are discussed.Aiming at the risks，the key items in safety assessment are advanced，for reference.

safety assessment；overburden layer；bearing capacity；creep；seepage failure

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0046-18

2015-01-20

劉世煌（1941-），男，江蘇南京人，教授級高級工程師，長年從事水利水電工程勘測、設(shè)計、科研、審查、咨詢及安全評價工作。

作者郵箱：liushihuang3320@sina.com