中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 311122
摘要：锦屏二级水电站和江边水电站两个工程首部拦河闸坝都属于在深覆盖层上建闸，本文主要介绍了这两个工程覆盖层基础处理、闸坝结构设计以及止水设计等方面的特点，希望能对其他覆盖层上建闸工程设计有所帮助。
关键词：深覆盖层；拦河闸坝；锦屏二级水电站；江边水电站
1 前言
锦屏二级水电站和江边水电站首部拦河闸坝都属于在覆盖层上建坝，其中锦屏二级首部拦河闸坝（以下简称锦屏闸坝）基础覆盖层最大厚度42m，江边水电站首部拦河闸坝（以下简称江边闸坝）基础覆盖层最大厚度109m，工程覆盖层深厚，需要针对其特点进行相关的设计。
2 覆盖层防渗处理设计
基础防渗处理设计是覆盖层上闸坝设计的关键。软基上的闸坝基础防渗主要研究水平防渗、垂直防渗和水平防渗与垂直防渗相结合的方案。
锦屏闸坝基础覆盖层渗透系数普遍介于10-1~10-2cm/s之间，抗渗允许坡降一般小于0.1；而江边闸坝基础覆盖层主要分为两大层，上部漂（块）卵（碎）石的透水性较强，渗透系数5~8×10-2cm/s，抗渗允许坡降0.10~0.15，下部主要为粉土层，渗透系数10-5～10-6cm/s之间，抗渗允许坡降4~5。
经计算分析后发现，两个工程的闸坝基础部覆盖层的层内水平渗透性很强，水平铺盖防渗效果很不理想（锦屏闸坝基础总渗漏量达到140733m3/d，江边闸坝基础总渗漏量为59137 m3/d），另外，这两个工程闸坝的地形地质条件也难以布置很长的铺盖来满足防渗要求，况且其可靠性难以保证。因此，两个工程均考虑采用垂直混凝土防渗墙以截断基础渗漏通道。
锦屏闸坝基础覆盖层透水性普遍较强，覆盖层最大深度为42m左右，处于混凝土防渗墙施工较高工效范围之内，因此，考虑采取80cm厚的全封闭混凝土防渗墙结构，防渗墙嵌入基岩1m。
江边闸坝基础覆盖层深达109.2m，如果采用全封闭式防渗墙将给施工带来非常大的难度，直接影响工程工期和增大投资，施工质量也难以保证。而下部粉土层渗透系数较小，为相对隔水层，因此，考虑采用80cm厚的悬挂式混凝土防渗墙，防渗墙伸入粉土层一定深度即可。
3 基础加固处理
由于锦屏闸坝和江边闸坝两个工程覆盖层都比较厚，且基础变形模量较小，抗变形能力差，锦屏闸坝基础覆盖层变形模量在40～56MPa之间，江边闸坝基础上部卵砾石变形模量为50～60MPa，下部粉土层变形模量20～45MPa，各土层结构及组成复杂，层厚分布变化幅度较大，建闸后基础可能产生较大沉陷及沉降差，造成结构间错动，进而危及闸坝安全。因此，这两个工程的基础都需要进行加固处理。
根据工程基础覆盖层特性及相关工程经验，锦屏闸坝基础选择固结灌浆法以提高卵砾石层的压缩模量。锦屏闸坝采用了ANSYS程序按线弹性平面有限元法对闸坝基础沉降进行了复核。计算结果显示，当不考虑基础加固措施时，竣工期基础最大沉降值为10.7cm，坝段间沉降差最大为7.59cm，最大沉降值虽满足规范要求，但计算值较大，沉降差则超过规范要求。当考虑加固措施后，最大沉降值为8.08cm，不均匀沉降为3.08cm，蓄水后，沉降值增加2.31cm，不均匀沉降增加1.4cm，加固后能够满足规范要求。
江边闸坝基础将浅层的在地震条件下可能产生液化的砂层透镜体全部挖除，并在覆盖层上部布置固结灌浆。另外，对于下卧粉土层内的粉砂层的处理，考虑到粉砂层埋深较深（分布在第③层粉土层的上部3～7m位置，距闸基面约23m），而且粉土层及砂层的颗粒小而密实，常规的固结灌浆对其可灌性较差，因此，设计选用了旋喷灌浆对粉土层上部10m进行加固处理，一方面提高砂层的渗透稳定性，另一方面也能够提高粉土层的变形模量，以减小沉降量。江边闸坝采用了平面有限元比奥固结程序对基础沉降进行了计算复核，计算结果显示，若不考虑加固措施，竣工期地基的最大沉降为15.40cm，蓄水两年后最终最大沉降为16.20cm，最大沉降量不满足规范要求；若考虑土体灌浆，竣工期地基的最大沉降为13.21cm，蓄水两年后最大沉降为13.93cm，沉降差最大为4.55cm，加固后最大沉降量和沉降差均满足规范要求。
由上可知，各闸坝段的沉降变形主要发生在施工过程中，竣工期发生的沉降占总沉降的绝大部分，而通过固结灌浆等加固措施对于减小闸坝沉降的效果显著。
4 泄洪闸闸室结构设计
锦屏泄洪闸最大高度为34m、闸墩高28m，江边泄洪闸最大高度32m、闸墩高23.5m，闸墩高度均较大。江边闸坝由于洪水流量较小，因此，在闸墩之间设置了胸墙，空间上为封闭结构，这对闸室结构受力也比较有利；锦屏闸坝由于洪水期洪峰流量大，泄洪闸没有设置胸墙的条件，设计为开敞式结构。
出于适应基础沉降变形的需要，锦屏闸坝和江边闸坝采用了独立缝墩式结构，结构段之间都设置了5cm宽的结构缝，缝内充填沥青衫木板。
研究发现，锦屏泄洪闸闸墩为悬臂结构，泄洪时，止水下游的结构缝内若不能够及时充水，闸墩两侧有较大的水头差存在，这对闸墩的受力条件很不利。通过三维有限元计算，即使在变形沉降缝内考虑了50%闸室水头的平压作用，闸墩仍有6.08MPa的拉应力，底板拉应力为5.37 MPa，闸墩顶变位达2.1cm，难以满足工程要求。为了解决这一问题，锦屏闸坝在相邻闸墙顶部设一水平传力键（见图1）。设置水平传力键后，相邻闸墙水平推力平衡作用，使闸墙和底板的拉应力降下来。经计算，在设置传力键后，闸墙最大应力降低至1.95MPa，底板最大应力降低至2.73MPa，应力水平大大降低。
图1 闸顶设水平传力键示意图
5 止水结构设计
由前面基础沉降计算成果可知，锦屏与江边两个工程闸坝结构段之间沉降差都比较大，都有将近5cm的剪切变形，常规型式的铜片止水很难满足其变形需求。
对于铜片适应大变形特别是适应剪切变形的能力，国家“九五”重点科技攻关项目对此进行了专题研究。研究结果表明：止水铜片的剪切变形量决定于铜片的鼻子（折曲部分）的尺寸。铜片的鼻子尺寸就是鼻子的高度H、宽度B和厚度t，见下图2所示。
图2 铜片鼻子部分示意图
采用有限元计算模型表明：当B=20mm时，H/B≥3.5；B=30mm时，H/B≥2.5，就可以满足5.0cm的剪切位移要求。从结构承载角度讲，铜片的鼻子高宽比H/B应以小于4.5为宜。因此，铜片止水结构尺寸设计为B＝3cm，H＝13.5cm，t＝1.2mm，这样，铜片止水就能够满足要求。
江边闸坝在止水设计中考虑到常规的止水一旦破坏，难以进行修复，因此，借鉴面板坝工程中采用较多的可修复周边缝止水的结构形式，在闸坝与铺盖之间结构缝内布置一道橡胶止水，上部设置“U”型槽口，槽口底设置橡胶棒，槽内充填SR材料，上部覆盖SR防渗盖片，为防止洪水的冲刷，SR防渗盖片上部采用C30细石混凝土进行保护，具体结构形式见图3。这一形式，不但可以较好的适应闸坝结构的不均匀沉陷，且即使止水破坏也能够进行修复，可较好的满足覆盖层上闸坝对止水的要求。
图3 江边闸坝水平结构缝止水型式示意图
6 结论
（1） 深覆盖层上闸坝的设计，关键是基础处理的设计，基础处理方式需覆盖层的特性因地制宜。锦屏闸坝根据覆盖层透水性普遍较强，且覆盖层深度在防渗墙施工的较高工效范围内的特点，选用了全封闭的防渗墙；江边闸坝根据上层透水性强，下部相对隔水的特点，选用了悬挂式防渗墙。根据覆盖层加固需求及其特性，锦屏闸坝只采用了固结灌浆，江边闸坝采用了固结灌浆加旋喷灌浆的综合处理措施。
（2） 深覆盖层上闸坝止水应考虑其适应剪切变形的能力以满足闸坝的不均匀沉陷。有必要和条件时，止水结构应考虑其可修复性。江边闸坝的水平止水较好的解决了常规止水难于修复的问题，对于类似工程具有一定的参考价值。
（3） 对于开敞式结构的闸坝，可以在相邻闸墙顶部设一水平传力键，以改善闸室的受力条件，加强结构的整体性。
论文作者:陆欣,张娜
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/23
标签：闸坝论文; 锦屏论文; 江边论文; 基础论文; 防渗墙论文; 结构论文; 土层论文; 《基层建设》2018年第5期论文;