强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法与流程

1.本发明涉及水利水电的技术领域，具体涉及强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法。


背景技术：

2.覆盖层是指经过各种地质作用而覆盖在基岩之上的松散堆积、沉积物的总称，而河床深厚覆盖层，一般指堆积于河谷底部，厚度大于40m的的松散沉积物。根据其厚度的不同，结合水电建设的需要，又可进一步细分为厚覆盖层(40m～100m)、超厚覆盖层(100m～300m)以及特厚覆盖层(厚度大于300m)。
3.覆盖层在我国西南山区河流中广泛分布，一般深度为数十米。这些覆盖层多为强透水覆盖层，存在渗漏和渗透破坏问题。在存在深厚覆盖层的岷江、大渡河流域修建了许多大坝，主要为中高水头的堆石坝和低水头的闸坝。利用深厚覆盖层筑坝有经济、环保等较大优势，大量勘察成果表明，深厚覆盖层多具成因类型多样性、分布范围广泛性、产出厚度可变性、组成结构复杂性、工程特性差异性等特点，坝基覆盖层防渗设计是深厚覆盖层建坝设计中的关键技术问题。。
4.大坝深厚覆盖层坝基的防渗措施可分为水平和垂直防渗措施两大类。水平防渗措施通常为各式各样的铺盖。垂直防渗措施有截水槽、防渗墙、帷幕灌浆等。截水槽深度太大后不经济，因此对深厚覆盖层不适用。对强透水覆盖层较适用的垂直防渗措施为防渗墙和帷幕灌浆及两者的组合。近年来，随着深厚覆盖层筑坝及防渗墙技术的发展，越来越多的高坝坝基覆盖层采用防渗墙防渗。相同规模的垂直防渗的防渗效果远好于水平防渗，同时防渗墙作为垂直防渗的可靠技术取得了长足的发展，所以考虑经济性，强透水深厚覆盖层常以垂直防渗为主，必要时辅以水平防渗。已建的强透水深厚覆盖层上的闸坝，多采用短铺盖+悬挂式防渗墙防渗的型式，而中高水头的堆石坝，多采用全封闭防渗墙、防渗墙+帷幕灌浆封闭覆盖层的封闭式防渗型式，少量工程采用悬挂式防渗。这些深厚覆盖层采用悬挂式防渗的工程，有个别工程的深厚覆盖层地基出现了渗透破坏。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，解决上述背景技术中的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：具体步骤如下：
7.s1、参考已建工程经验，结合坝基覆盖层地质条件，拟定悬挂式防渗墙深度，配合大坝布置计算坝前铺盖布置和防渗墙设置位置；
8.s2、通过二维、三维有限元渗流场分析计算渗漏量和各部位的渗透坡降，要求渗漏量小于多年平均流量的1％；
9.s3、保证下游覆盖层表面的出逸坡降小于覆盖层的允许渗透坡降，覆盖层内部除悬挂式防渗墙底局部外，其他部位覆盖层的渗透坡降不超过其允许渗透坡降；
10.s4、当覆盖层渗透坡降不能满足上述要求时，通过加大悬挂式防渗深度和上游辅以水平铺盖来满足要求；
11.s5、对防渗墙底覆盖层的渗透坡降超限进行计算，当最大值小于覆盖层临界渗透坡降时认为其安全，当最大值大于覆盖层临界渗透坡降时需对覆盖层是否会发生内部潜蚀及内部潜蚀可能带来的安全影响进一步研究。
12.优选方案中，分析坝基河床覆盖层特性，确定多种防渗深度的计算比较方案。
13.优选方案中，通过坝区三维渗流量分析，在大坝运行期正常蓄水位下，计算各防渗方案的渗流量。
14.优选方案中，按照三维渗流计算渗透坡降分布特征，分析各方案覆盖层渗透比降的分布规律，计算坝体下部覆盖层渗透比降。
15.优选方案中，步骤s5中，覆盖层内部潜蚀分析步骤如下：
16.a1、内管涌土判断；
17.a2、土层潜蚀分析；
18.a3、潜蚀范围及导致的变形的分析；
19.a4、分析潜蚀对渗流场及应力变形的影响。
20.优选方案中，步骤a2中，通过渗流潜蚀试验，计算出土层在不同水力梯度下的细粒流失量，及其导致的渗透系数变化和骨架变形过程，得出渗透稳定性判别参数，从而定量分析防渗墙底部的渗透安全性。
21.本发明提供了强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，防渗墙底渗透超降超过允许值是有渗透破坏风险的，以往设计方法没有对此进行风险控制和安全评价的方法和标准，个别工程因此发生了渗透破坏，带来了较大的防渗补强难度和投资。在防渗设计时引入对悬挂式防渗墙底渗透坡降超限的设计安全性评价方法和指标，可以较好的控制深厚覆盖层渗透破坏对工程带来较大不利影响的风险。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
23.图1是本发明防渗方案一下最大剖面的地层渗透比降云图；
24.图2是本发明防渗方案二下最大剖面的地层渗透比降云图；
25.图3是本发明防渗方案三下最大剖面的地层渗透比降云图；
26.图4是本发明防渗方案四下最大剖面的地层渗透比降云图；
27.图5是本发明防渗方案五下最大剖面的地层渗透比降云图；
28.图6是本发明防渗方案六下最大剖面的地层渗透比降云图；
29.图7是本发明防渗方案七下最大剖面的地层渗透比降云图；
30.图8是本发明防渗方案八下最大剖面的地层渗透比降云图；
31.图9是本发明防渗方案一坝体下部覆盖层渗透比降云图；
32.图10是本发明防渗方案二坝体下部覆盖层渗透比降云图；
33.图11是本发明防渗方案三坝体下部覆盖层渗透比降云图；
34.图12是本发明防渗方案四坝体下部覆盖层渗透比降云图；
35.图13是本发明防渗方案五坝体下部覆盖层渗透比降云图；
36.图14是本发明防渗方案六坝体下部覆盖层渗透比降云图；
37.图15是本发明防渗方案七坝体下部覆盖层渗透比降云图；
38.图16是本发明防渗方案八坝体下部覆盖层渗透比降云图；
39.图17是本发明帷幕局部缺陷方案1潜蚀范围图；
40.图18是本发明帷幕局部缺陷方案2潜蚀范围图；
41.图19是本发明帷幕局部缺陷方案1的潜蚀变形分布；
42.图20是本发明帷幕局部缺陷方案2的潜蚀变形分布；
43.图21是本发明方案1潜蚀前后的渗流场对比图；
44.图22是本发明方案2潜蚀前后的渗流场对比图；
45.图23是本发明方案1帷幕缺陷区的流速和水力坡降的时间过程曲线图；
46.图24是本发明方案2帷幕缺陷区的流速和水力坡降的时间过程曲线图。
具体实施方式
47.实施例1
48.如图1～24所示，强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，坝基河床覆盖层特性：
49.某水电站坝址区河床覆盖层深厚，勘探揭示最大厚度达174.57m，受河谷演化过程制约，河床覆盖层层次复杂。其中，第
①
层为冲积与崩积混杂堆积(q3al+col)，层厚80m～100m，以含块碎砾石土为主；第
②
层主要为来自两岸崩坡积堆积物，其上覆厚度约10m～40m，层厚约45m～65m，主要由含孤碎砾石层组成；第
③
层河湖相堆积(q4al+l)，分为六个亚层，其中
③‑
1、
③‑
3、
③‑
5层主要由湖积细砂、粉土层组成，
③‑
2、
③‑
4、
③‑
6层主要由冲积含漂砂卵砾石层组成；第
④
层为崩坡积(q4col+dl)，主要分布于坝址区左岸岸坡，主要为含孤块碎砾石土组成结构较为松散。
50.河床坝基覆盖层基础主要持力层由第
②
层和第
③
层组成。其中第
②
层、
③‑
2层、
③‑
4层承载条件好；
③‑
1、
③‑
3这两砂层埋深较大，基本满足坝基承载要求；
③‑
5层层厚10m～13m，位于坝基以下2.5m～8.5m，埋深浅，层厚较大，坝基可能存在承载与不均匀变形、抗滑稳定，以及砂土液化问题。河床坝基主体以砂卵砾石层和含孤块碎(卵)石层组成，整体具中等～强透水性，局部粉土、粉砂及细砂层为弱透水层，坝基渗漏及渗透稳定问题较突出。
51.防渗深度计算比较方案：
52.1)防渗方案一：100m深悬挂防渗墙+3排覆盖层灌浆帷幕+1排基岩灌浆帷幕；
53.2)防渗方案二：120m深悬挂防渗墙+3排覆盖层灌浆帷幕+1排基岩灌浆帷幕；
54.3)防渗方案三：150m深悬挂防渗墙+3排覆盖层灌浆帷幕+1排基岩灌浆帷幕；
55.4)防渗方案四：176m深悬挂防渗墙+1排基岩灌浆帷幕；
56.5)防渗方案五：100m深悬挂防渗墙；
57.6)防渗方案六：120m深悬挂防渗墙；
58.7)防渗方案七：150m深悬挂防渗墙；
59.8)防渗方案八：176m深封闭防渗墙；
60.坝区三维渗流量分析：
61.大坝运行期设计洪水位下，各防渗方案下模型防渗墙截面的渗流量计算结果见表
1。
62.表1：各防渗方案坝区防渗截面渗流量(m3/d)
[0063][0064]
从表1中知各防渗方案渗流总量均小于多年平均流量的1％，其中100m深悬挂式防渗墙渗流量最大，为18930m3/d，约占多年平均流量的0.22％，因此渗漏量并不制约坝基防渗方案的选择。
[0065]
图1～8为各防渗方案下最大剖面覆盖层渗透比降云图，由上图可知覆盖层总体渗透渗透比降呈现以防渗墙底部为中心向四周逐渐减小的分布规律，除防渗墙入岩方案外，其余方案防渗墙底部覆盖层渗透比降均超过覆盖层允许渗透比降建议值0.2～0.25，超过范围25-100m不等。
[0066]
坝体下部覆盖层渗透比降：由图9～16可见，下游侧覆盖层渗透比降极值随着防渗墙深度的增加而减小，对比有无墙下防渗帷幕方案可知墙下防渗帷幕可有效减小下游侧覆盖层的出溢点渗透比降。参照目前地质提出的第
④
层覆盖层允许渗透比降建议值0.15～0.18，方案一、二、五、六、七覆盖层出溢点存在渗透比降超标可能。
[0067]
研究防渗墙端部土层内部渗透破坏标准研究：
[0068]
内管涌土判断：第
①
层土定名为碎石混合土，均不均匀系数92.0，平均曲率系数4.3。虽然根据刘杰和kenney等的内部不稳定判别准则，初判为内部不稳定性土。
[0069]
土层潜蚀分析：应采用渗流潜蚀试验，定量给出
①
层在不同水力梯度下的细粒流失量，及其导致的渗透系数变化和骨架变形过程，给出合理的渗透稳定性判别参数。
[0070]
应采用考虑颗粒流失过程的渗流-变形耦合分析方法，定量分析防渗墙底部的渗透安全性。
[0071]
潜蚀范围及导致的变形：可见，即使以很小的细粒流失率1％作为界限，潜蚀的影响范围局限于帷幕上游50m至防渗墙下游100m的区域。如果以流失率5％作为界限，则潜蚀只局限于帷幕上下游10m的范围。
[0072]
图19和图20分别给出了两种方案潜蚀导致的变形分布图。因为在小的细粒流失量时，土骨架基本不变形，所以变形主要集中在帷幕缺陷周边的单元，范围很小。方案1最大变形的量值在1～2cm左右，方案2最大变形的量值在2～3cm，较方案1略大。因为潜蚀的范围小，并且
①
层土体在细粒流失后具有很好的骨架稳定性，两种方案下潜蚀均不会造成局部的大变形。
[0073]
潜蚀对渗流场的影响：方案1潜蚀前帷幕上下游的水头差约为15m，潜蚀后降至5m；方案2潜蚀前帷幕上下游的水头差约为10m，潜蚀后降为不到5m。可见，潜蚀的主要后果是整
个下游河道承担的水头明显增大。
[0074]
图23和图24分别给出了方案1和方案2在帷幕缺陷区的流速和水力坡降的时间变化过程，揭示了坝基在发生小范围的潜蚀后就会终止的机理。水电站下游河道有深厚覆盖层阻隔，帷幕下游是一个有限制的泄流条件。在潜蚀的过程中，随着渗漏量的增大，帷幕下游水头将会迅速增大，上下游的水头差减小，于是缺陷区的集中水力梯度减小，虽然潜蚀土体的渗流系数增大，但是流速逐渐趋于稳定，水力条件不再恶化，潜蚀范围不再发展。覆盖层帷幕补强灌浆过程中，观测孔的水头降低时间过程说明，只要帷幕有较大的渗漏，下游水头就很高，印证了下游覆盖层对坝基渗漏量的限制作用。
[0075]
需要指出的是，上述只发生有限范围潜蚀的现象与水电站下游覆盖层有限制流量的作用有关。对于下游无限制或很弱流量限制的开敞式泄流的情况，防渗体系渗流量的增大并不会带来下游水头的显著增大，水力梯度减小不明显，由于潜蚀土体渗透系数的增大，流量会一直增大，引起大范围的潜蚀，带来灾难性的后果。对于水电站，当下游覆盖层出现大的突涌水时，帷幕处的水力梯度会增大，局部缺陷处的潜蚀可能会再启动；所以应及时处理，恢复下游覆盖层的限流作用，减轻坝轴线防渗体系的压力。
[0076]
图23和图24两个方案帷幕区集中水力梯度和流速的对比解释了为什么缺陷区范围的扩大不会带来更大范围潜蚀的原因。方案2的缺陷区范围更大，渗漏流量的增大使得上下游水头差较方案1小，于是方案2缺陷区的水力梯度和流速均比方案1大幅减小，所以其在上下游方向潜蚀的影响范围比方案1小。
[0077]
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，其特征是：具体步骤如下：s1、参考已建工程经验，结合坝基覆盖层地质条件，拟定悬挂式防渗墙深度，配合大坝布置计算坝前铺盖布置和防渗墙设置位置；s2、通过二维、三维有限元渗流场分析计算渗漏量和各部位的渗透坡降，要求渗漏量小于多年平均流量的1%；s3、保证下游覆盖层表面的出逸坡降小于覆盖层的允许渗透坡降，覆盖层内部除悬挂式防渗墙底局部外，其他部位覆盖层的渗透坡降不超过其允许渗透坡降；s4、当覆盖层渗透坡降不能满足上述要求时，通过加大悬挂式防渗深度和上游辅以水平铺盖来满足要求；s5、对防渗墙底覆盖层的渗透坡降超限进行计算，当最大值小于覆盖层临界渗透坡降时认为其安全，当最大值大于覆盖层临界渗透坡降时需对覆盖层是否会发生内部潜蚀及内部潜蚀可能带来的安全影响进一步研究。2.根据权利要求1所述强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，其特征是：分析坝基河床覆盖层特性，确定多种防渗深度的计算比较方案。3.根据权利要求1所述强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，其特征是：通过坝区三维渗流量分析，在大坝运行期正常蓄水位下，计算各防渗方案的渗流量。4.根据权利要求1所述强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，其特征是：按照三维渗流计算渗透坡降分布特征，分析各方案覆盖层渗透比降的分布规律，计算坝体下部覆盖层渗透比降。5.根据权利要求1所述强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，其特征是：步骤s5中，覆盖层内部潜蚀分析步骤如下：a1、内管涌土判断；a2、土层潜蚀分析；a3、潜蚀范围及导致的变形的分析；a4、分析潜蚀对渗流场及应力变形的影响。6.根据权利要求5所述强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，其特征是：步骤a2中，通过渗流潜蚀试验，计算出土层在不同水力梯度下的细粒流失量，及其导致的渗透系数变化和骨架变形过程，得出渗透稳定性判别参数，从而定量分析防渗墙底部的渗透安全性。

技术总结
本发明提供了强透水深厚覆盖层地基大坝悬挂式防渗设计方法，参考已建工程经验，结合本工程坝基覆盖层地质条件，拟定悬挂式防渗墙深度，配合大坝布置考虑坝前铺盖布置和防渗墙设置位置，通过二维、三维有限元渗流场分析计算渗漏量和各部位的渗透坡降，要求渗漏量小于多年平均流量的1%，防渗墙底渗透超降超过允许值是有渗透破坏风险的，以往设计方法没有对此进行风险控制和安全评价的方法和标准，个别工程因此发生了渗透破坏，带来了较大的防渗补强难度和投资。在防渗设计时引入对悬挂式防渗墙底渗透坡降超限的设计安全性评价方法和指标，可以较好的控制深厚覆盖层渗透破坏对工程带来较大不利影响的风险。来较大不利影响的风险。来较大不利影响的风险。


技术研发人员：金伟 张丹 姜媛媛 周正军 王晓安
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/19