源自丨中国基础、中国水利水电科学研究院学报
近日，水电基础局参与完成的《新疆大河沿水库土石坝坝基深厚覆盖层防渗技术》荣获湖南省人民政府科学技术进步二等奖，小编带大家了解水电基础局在防渗技术方面的又一创新成果。
超深混凝土防渗墙技术
该技术首创了200米级深厚覆盖坝基超深防渗墙体系，建成了世界上深厚覆盖层中最深混凝土防渗墙，深达186.15米；发明了超深厚覆盖地层超深防渗墙施工工法，创新了超深厚覆盖地层超深防渗墙槽孔挖掘与混凝土浇筑技术，研发了超深防渗墙墙段连接方法。这一系列创新成果，为我国在复杂地质条件下深厚覆盖层防渗设计与施工提供了坚实的技术支撑和宝贵的工程实践经验。
水电基础局新疆大河沿超深防渗墙项目自进场筹备到最后一个槽孔完工历时近两年，共完成防渗墙22505.18㎡，浇筑混凝土25018m³，工程最深防渗墙186.15m，突破了世界最深防渗墙纪录。
世界最深防渗墙建设的辛酸苦辣与光辉历程
大河沿项目记录片《戈壁瀚海树丰碑》
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该工程施工过程面临防渗墙槽孔深度超百米后混凝土浇筑会出现离析、堵管、接头管拔出困难等难点，项目部积极推进工艺、工法创新，通过采用管钻与平底钻联合施工的“平管法”，充分发挥冲击钻与抓斗两种机械优势，提高了造孔工效，成功解决溜钻跑偏的问题；改进导管管径，提高清孔质量，降低孔内泥浆阻力，成功解决了超深防渗墙导管浇筑的世界性难题。
施工亮点
设计180米的超深防渗墙施工在世界范围属首例，项目职工攻坚克难，攻克了超深防渗墙的施工、造孔、浇筑、清孔、拔管等一项项难题。
地质资料显示，施工河床基岩面呈“V”形，两侧坡度为55°～60°。项目部采用多种办法，夯实陡坡为平面段，有效避免造孔溜钻。
防渗墙深度186.15米，墙厚1米，入岩1米到2米，施工含孤石的砂卵石地层，造孔困难，项目部采取措施防止溜钻，保证孔斜率为2‰。
深槽导管浇筑工艺在世界范围内还未发展成熟，在槽孔深度超过百米后，易发生堵管，项目部积极研讨试验，通过创新工法，成功解决和突破了制约深槽浇筑的施工技术难题。
深槽接头管的下设与起拔是防渗墙施工的最关键一环。施工中采用微动多动原则，加强压力、混凝土初凝等指标控制，有效保障了接头管顺利起拔。
应用成果
该技术应用于大河沿引水工程，是吐鲁番市重要水源工程，水电基础局承建了大坝基础处理工程和溢洪道、泄洪放空冲砂兼导流洞及灌溉洞工程。该工程在2016年先后实现导流洞、灌溉洞顺利贯通，2018年底成功截留，2020年底完成下闸蓄水阶段验收，2021年建成蓄水。
完成蓄水后，大河沿水资源配置得到了进一步优化，当地灌区灌溉保证率提高至75%，灌区春季灌溉季节性缺水问题得到极大地缓解。
深度学习
一研究背景
我国西南和西北地区河床深厚覆盖层现象较为显著。河床深厚覆盖层的存在和现有技术手段的限制，使得覆盖层上大坝建设仅能考虑土石坝坝型，同时坝基还需进行防渗处理。面板堆石坝和心墙堆石坝建设均需考虑坝基防渗系统与坝体防渗体系（趾板、防渗心墙）连接问题。心墙堆石坝采用廊道或盖板（基座）形式连接心墙和坝基防渗体各有利弊。有效的坝基渗流和渗透变形控制是保障深厚覆盖层上高土石坝安全的前提，创新深厚覆盖层防渗处理及防渗结构型式是当前的迫切需求。新疆尤其是南疆普遍存在“高地震、高严寒、高海拔、高边坡、深厚覆盖层、多泥沙”的筑坝环境，随着建坝需求变化和筑坝技术发展，当前山区控制性水库大坝建设多限于河流中上游，进入大坝越建越高、库容越来越小、防渗越来越深、难度越来越大、投资越来越多的开发方式，百米级高坝一旦坝基防渗处理不合格，后期维修将给运行管理带来极大压力。
二新疆坝基超深防渗墙的实践
新疆针对深厚覆盖层防渗处理经历了不同的处理方案：①九十年代初，因建坝难度太大暂缓建设，阿尔塔什在选坝阶段即如此，此时防渗墙处理深度基本在50m以内；②本世纪初，针对百米级覆盖层防渗施工技术难度大、投资大，故采用其他方式代替，如煤窑沟水库采用水平铺盖，下坂地水库探索采用80m防渗墙+70m帷幕；③2010年以来，技术发展日趋成熟，但仍然需要适当突破，如大河沿等。下坂地水库可研设计阶段针对深厚覆盖层的特点，进行了多种防渗形式比选，最终采用“上墙下幕”的处理型式，当时这种“上墙下幕”形式的设计、施工难度非常大，尤其是超深砂砾石层帷幕灌浆在国内还尚未颁布有关的施工规范。下坂地的顺利建成对新疆深厚覆盖层上建坝起到了极大的推动作用，对于沥青心墙与坝基防渗墙的连接也开展了大量的工作。新疆深厚覆盖层上已建、在建超深防渗墙见表1。
在建的阿尔塔什水利枢纽，坝高164.8m，防渗墙深100m，复合坝高264.8m，属于整体已经达到250m量级的高坝。随着坝高的不断提升，如何解决深厚覆盖层高土石坝混凝土防渗墙应力过大、廊道设置、坝体防渗体与坝基防渗墙衔接型式、河床基础处理等问题将成为今后坝基处理的关键研究问题。大河沿水库坝高75m，但防渗墙深达186m（世界之最），借助国内百米级防渗墙的施工经验，施工中创造性的攻克了造孔孔斜（1‰）、泥浆固壁、墙段连接方法及施工工艺、清孔、混凝土浇筑等一系列技术难题，很好的解决了深覆盖层成槽难、清孔难、浇筑易堵管的问题，为类似工程提供了宝贵经验。部分工程古河槽也采用了超深防渗墙进行处理，如柯赛依水电站、斯木塔斯水电站均是如此。
注：①-沥青混凝土心墙坝；②-面板砂砾石坝；③-黏土心墙坝。
三超深防渗墙设计关键技术
为了保证砂砾石地基的渗透稳定，控制过大的渗漏量和下游过高的渗透压力，基础防渗的原则是需同时满足允许渗透破坏比降、控制渗漏量和施工技术成熟等几个条件。①出逸坡降不超过地基的允许渗透破坏坡降，允许坡降的安全系数影响因素较多，但主要考虑地基的不均匀性和破坏坡降的离散性，可用1.5～2.0；②控制渗漏量，冶勒、下坂地、大河沿大坝渗漏量按河道多年平均流量的1%控制，这项指标尤其适用于坝基不均匀、对渗漏控制要求较高的工程。大河沿河床砂卵石覆盖层厚在不封闭覆盖层（防渗深度80m、100m、120m、140m、160m）情况下，渗流量占多年平均径流量比例均在14%以上，砂砾石坝体渗透坡降和出溢点渗透坡降均不满足渗透稳定要求，只能采取全封闭方案，即“防渗到底”。③施工技术成熟，灌浆帷幕方案施工工序和工艺较复杂，工作量大，且需要设置灌浆廊道；不仅施工难度大，工期长，而且帷幕质量难以控制，尤其当灌浆部位较深时，帷幕底部孔斜更难以控制。而防渗墙经过近三十年的发展，防渗效果好，墙段连接可靠，成墙水平越来越高，质量检验方法相对成熟。对于地下隐蔽工程而言，投资相差不大时更倾向于选择防渗墙。
深厚覆盖层内建造防渗墙应用最广泛的主要是槽孔型防渗墙，因防渗墙深埋于覆盖层内，大坝一旦建成，防渗墙性态变化存在很多变数，目前结构设计关心的问题突出在几个方面：
（1）墙体材料
刚性混凝土防渗墙主要用于防渗和强度要求较高的工程，新疆已建的100m级高坝均采用此类型防渗墙。塑性混凝土防渗墙在国内大多应用于除险加固工程，墙深超过60m的国内外也较少。业界普遍认为墙体弹性模量过低，会导致墙体材料强度降低，进而使墙体的压应力发生很大变化。防渗墙深埋于相对密度较高的覆盖层内，两侧约束很大，主要目的就是防渗和避免渗透破坏，施工质量可控的墙体连续、不分叉，片面追求高强度会带来投资的显著增加。但伊朗卡尔黑工程的实践表明此问题还需要进一步深入研究。
（2）墙体结构形式
墙体就单独成槽工艺来讲，是一块超长的混凝土板，早期计算均简化成弹性地基梁，目前多采用有限单元法分析。作为混凝土结构需要考虑以下因素：
①强度等级：混凝土的强度、抗渗性和耐久性主要与胶凝材料用量和水胶比相关。防渗墙混凝土强度指标选择一般可根据工程经验类比确定，需考虑工程地质条件、墙体高度与厚度、与上部防渗体的连接形式、墙体的应力应变等因素。对较均质低弹模材料、层间模量相差不大，选择C10～C15；地层沉积层复杂、物料分布不均，水力梯度较大（中、高坝）时选用C20～C30较为合适。河谷较开阔时，墙体混凝土可选择单一强度等级，河谷覆盖层呈窄深状时，两岸墙体混凝土可适当增加强度等级，中部可适当降低强度等级。多数工程经验表明大坝防渗墙采用刚性墙是合适的。由表1也可以看出，新疆已建在建防渗墙深度超过100m的都选择了C30混凝土，只有察汗乌苏（防渗墙深46m、C35混凝土）比较特殊。
四超深防渗墙施工关键技术
超深防渗墙施工的特点和难点是随着深度的增加施工控制越来越困难。大河沿防渗墙工程最深孔段186m，在系统研究下坂地、狮子坪、旁多防渗墙建造的基础上，施工时制定了一系列保证造孔、挖掘成槽、清孔、混凝土浇筑、墙段连接等措施，通过先导试验段摸索出成套技术，一举解决了186m防渗墙技术难题，创造了多项第一，实现了200m级防渗墙施工的又一突破。施工关键环节、难点及对策见表2。
五超深防渗墙变形监测技术
为了评估大河沿水库深厚覆盖层混凝土防渗墙的工作性态，根据防渗墙的工作环境，布置了若干监测断面对渗压、墙底压力、应力应变、挠度等进行监测，在施工期取得了较完整的监测资料。
（1）防渗墙前后渗压水位监测成果大河沿水库深厚覆盖层建基面以下3.5～102.6m范围内的渗透系数在8.7×10-2cm/s～1.2×10-3cm/s之间，基础102.6m以下的渗透系数在1.9×10-2cm/s～1.7×10-3cm/s之间，属于中等至强透水层。以典型监测断面0+270.0m断面为例，从防渗墙上、下游侧与深厚覆盖层接触面处布设的渗压计的监测数据（见图1）可知，防渗墙施工完成时，同一地层防渗墙上下游侧的渗压水位相差不大，仅相差1.8~4.4m。原因在于防渗墙施工完成时大坝尚未填筑蓄水，渗压水位仅受围堰挡水水头的影响。
图1截流前典型监测断面防渗墙上、下游两侧渗压水位分布图
（2）防渗墙混凝土应力应变监测成果
图20+270m断面防渗墙混凝土竖直方向应变分布图
图30+270m断面防渗墙混凝土左右岸方向应变分布图
（3）防渗墙挠度变形分析
图4大河沿典型防渗墙相对变形图
六结论
新疆大河沿水库186m超深防渗墙建设成功解决了深厚覆盖层勘探及试验、坝基渗漏及渗流控制、坝基覆盖层参数选择、坝基防渗墙受力状态、防渗墙成墙工艺措施等技术难题，创造了全封闭防渗墙技术之最，大河沿水库186m超深防渗墙建设实践，证明经精心设计、科学施工、系统观测的超深防渗墙能做到质量优良和性态稳定，其设计、施工和监测技术可为类似工程提供宝贵经验。
（2）超深防渗墙建设深入研究了造孔平台与加固、造孔孔斜控制、墙段连接方法及施工工艺、槽孔清孔和混凝土浇筑技术，研发了200m级超深防渗墙造孔成槽施工成套装备，提出了造孔成槽施工技术方法，优化了施工技术与工艺，形成了系统的施工技术体系，解决了深覆盖层成槽难、清孔难、浇筑易堵管的问题。
（3）通过埋设无应力计、土压力计、渗压计和测斜仪，能够对防渗墙的应力应变、墙底压力、渗压水位和挠度等进行有效监测，结合质量检测结果和监测数据分析，能够对防渗墙的工作性态进行评估。
