本發(fā)明屬于建筑工程領域，尤其涉及水利工程的一種適用深厚覆蓋層土石壩的新的防滲體系及結構。

背景技術：

上世紀90年代以來，我國經(jīng)濟與社會發(fā)展對能源的需求日益增長，其中以水電為主體的可再生的清潔能量為我國經(jīng)濟社會綠色發(fā)展提供了天然的優(yōu)良條件。一時間，世界水電開發(fā)看中國，中國的水電開發(fā)看西南，以四川為代表的西南省份抓住國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的有利時機，在長江流域上游金沙江、雅礱江、嘉陵江和云南瀾滄江、貴州烏江、西藏雅魯藏布江等大江大河的水電開發(fā)方興未艾。這些江河兩岸陡峻、河流深切湍急，蘊藏著十分豐富的水能資源，一批以高壩大庫為標志的大型、巨型水電站紛紛建成投產(chǎn)，成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和“西電東送”的骨干電力生產(chǎn)源。從目前統(tǒng)計資料分析，西南地區(qū)大部分河流上的高壩大庫以土石壩居多，而且壩址所在河床都普遍存在深厚覆蓋層，且結構層次復雜，在此類地基上修建100m級及以上的高土石壩，其滲流控制及防滲結構安全是一個帶有全局性的、關鍵性的、系統(tǒng)性的技術難題，高土石壩設計與施工的關鍵難度就在于能否形成一道安全、有效的防滲帷幕，保證水庫在長期運行的安全可靠，否則，由于防滲體系出問題而導致大壩失事，將給下游造成災難性的破壞和巨量損失。當前對100m及以上級高土石壩(包括礫質類粘土 心墻堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩等)，國內一些單位經(jīng)過的科研攻關和工程實際應用，已取了長足進展。目前這方面研究應用水平最高的當屬中國電建集團成都勘測設計研究院、昆明勘測設計研究院、長江委設計勘測公司等，這些設計研究機構經(jīng)過十余年的研究與應用，取得了一系列研究成果，已在瀑布溝(高186m)、磽磧(高126m)、獅子坪(高136m)、毛爾蓋(高147m)、長河壩(高240m)、冶勒(高125m)、糯扎渡(高261.5m)、水布埡(高233.2m)等數(shù)十座高土石壩工程中得到應用和推廣，取得了明顯的科技進步和良好的經(jīng)濟效益。通過分析上述土石壩滲流控制與防滲結構安全設計的各類型式，總體一個特點是它們全部采用垂直向(單排或雙排)的防滲結構體系，垂直向防滲結構體系一般為壩體防滲體(礫質土防滲料或瀝青混凝土心墻)+壩基覆蓋層混凝土防滲墻(覆蓋層上部，一般可單排或雙排布置，雙排布置時又分主帷幕和副帷幕)+壩基深層帷幕灌漿，三段防滲體也有不同的結構連接型式(如廊道)形成一個整體防滲體系。當前高土石壩防滲關鍵技設計都是按照這種“三位一體”組合防滲結構模式進行的。耗資巨大，施工難度也很大，后期處理也十分不便和困難。

與本發(fā)明有關的現(xiàn)有技術

(1)創(chuàng)建了深厚覆蓋層200m級高心墻堆石壩“心墻防滲體+廊道+混凝土防滲墻+灌漿帷幕”的組合防滲設計成套技術，解決了深厚覆蓋層建高心墻堆石壩滲流控制及防滲結構安全等關鍵技術問題。該創(chuàng)新屬于水利工程、水工建筑物學科。該項成果已經(jīng)成功應用于瀑布 溝高土心墻堆石壩、冶勒高瀝青混凝土心墻堆石壩等工程。旁證材料為：

①《科學技術成果鑒定證書》；

②《深厚覆蓋層上高心墻堆石壩防滲系統(tǒng)關鍵技術研究與應用》項目研究報告；

③專著，《瀑布溝水電站第二卷土建工程》(授權號ISBN 978-7-5084-6979-9)；

④專利，“水利水電工程土石壩深基礎防滲止水結構”(專利號：ZL 2007 1 0203303.3)；

⑤專利，“一種土質心墻結構”(專利號：ZL 2014 2 0719396.0)；

⑥專利，“蓋板壩基三角區(qū)帷幕結構”(專利號：ZL 2012 2 0688778.2)；

⑦論文，《瀑布溝水電站礫石土心墻堆石壩設計》.水力發(fā)電，2010，No.6；

⑧論文，《高心墻堆石壩壩基防滲墻與心墻連接方案研究》.長江科學院院報，2010，No.9；

(2)創(chuàng)新提出了防滲墻垂直分段聯(lián)合防滲結構型式，防滲墻分上、下兩層施工，中間通過廊道連接，解決了深厚覆蓋層超深防滲墻無法一次成墻的技術難題。該創(chuàng)新屬于水利工程、水工建筑物學科。該項成果國內外均無工程先例，已經(jīng)成功應用于覆蓋層深達420m的冶勒工程。旁證材料為：

①《科學技術成果鑒定證書》；

②《深厚覆蓋層上高心墻堆石壩防滲系統(tǒng)關鍵技術研究與應用》項目研究報告；

③專著，《冶勒水電站 工程施工技術》(授權號 ISBN 978-7-5083-6915-0)

④專利，“用于水利水電工程上的防滲止水結構”(專利號：ZL 2006 1 0021297.5)

⑤專利，“大壩防滲結構”(專利號：ZL 2006 2 0034777.0)

⑥專利，“一種壩基廊道連接結構”(專利號：ZL 2014 2 0750462.0)

⑦論文，《冶勒水電站壩基防滲處理設計》.水力發(fā)電，2004，No.11；

⑧論文，《冶勒水電站樞紐布置設計》.四川水力發(fā)電，2003，No.4；

(3)首次提出了壩基大間距、雙防滲墻聯(lián)合防滲結構，防滲墻與土心墻分別采用廊道和插入式連接，主墻頂部與廊道采用剛性連接結構，解決了200m級高土心墻堆石壩在高水頭下深厚覆蓋層防滲設計與施工技術難題。該創(chuàng)新屬于水利工程、水工建筑物學科。該項成果已在瀑布溝工程成功應用，并推廣應用于長河壩工程，使深厚覆蓋層上建高土心墻堆石壩的壩高提高至250m級。旁證材料為：

①《科學技術成果鑒定證書》；

②《深厚覆蓋層上高心墻堆石壩防滲系統(tǒng)關鍵技術研究與應用》項目研究報告；

③專利，“超高土石壩防滲墻滲透檢測結構”(專利號ZL 2014 2 0441479.8)

④專利，“心墻壩岸坡搭接式壩基廊道結構”(專利號：ZL 2012 2 0388743.7)

⑤專利，“高心墻堆石壩壩基防滲結構”(專利號：ZL 2014 2 0752310.4)

⑥論文，《長河壩壩基廊道應力變形特性研究》.巖土工程學報，2011，No.11；

⑦論文，《不同本構模型對計算防滲墻應力的影響》.重慶大學學報，2013，No.10；

⑧論文，《長河壩心墻堆石壩地基防滲墻應力變形分析》.Journal of Water Resources & Water Engineering，2008，No.3；

⑨論文，《冶勒水電站大壩心墻與防滲墻連接混凝土基座設計》.水電站設計，2013，No.2；

對應上述三點現(xiàn)有技術，其主要缺點如下：

(1)深厚覆蓋層高心墻堆石壩“心墻防滲體+廊道+混凝土防滲墻+灌漿帷幕”的“三位一體”組合防滲技術與傳統(tǒng)土石壩防滲處理技術一脈相承，本質上仍然是豎直向的單一防滲帷幕結構，僅在深度和材料上有所變革。“土石壩有多高，覆蓋層內的防滲體系就應有多深”這種傳統(tǒng)思維模式不得不依靠施工技術的革新而有所改善。但不可否認的是，一旦這種單向或單一的防滲結構遭受外力破壞(如地震等)則是無法修復的。因此，單一的“三位一體”式的組合防滲結構體系仍然存在較大的運行風險。

(2)由于“壩有多高，防滲體系就有多高”的傳統(tǒng)思維，如此產(chǎn)生了復雜的“三位一體”組合防滲技術，因而在防滲結構施工時，不得不分上下兩層進行，中間用廊道連接的結構設計，壩基防滲體系深度約占壩高的0.8-1.2倍，導致工程造價十分昂貴，如西藏傍多水庫壩高僅72.3m，但深厚覆蓋層防滲墻處理深度達158m，壩基防滲體系施工造價約占壩體施工填筑造價的1.6-1.9倍。四川冶勒水電站大壩高125m，其覆蓋層處理采用防滲墻和帷幕灌漿各深100m，其防滲處理規(guī)模巨大。

(3)依照豎向防滲的傳統(tǒng)思路，采用較有新意的雙排帷幕進行防滲處理，防滲墻與土心墻分別采用廊道和插入式連接，主墻頂部與廊道采用剛性連接結構，這種設計比較復雜，施工難度大且工期長，有的項目需跨2-3個汛期施工，防洪安全風險較大。一般來說地下結構的施工一靠良心二靠技術三靠資金，三者缺一不可，深厚覆蓋層超深防滲墻質量控制的難度較大，需要較高的專業(yè)技術水平和優(yōu)良的設備條件，這種覆蓋層防滲處理的施工技術十分復雜，難度太大，非一般施工企業(yè)所能為。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述深厚覆蓋層高土石壩單一的基于豎直防滲體系所存在結構設計復雜、施工難度巨大、投資昂貴、施工質量保證較難、運行期存在風險等主要的缺點，提出一種同樣適合于深厚覆蓋層高土石壩的空間正交防滲體系及其結構?？臻g正交防滲體系具有鮮明的針對性特點：結構設計不復雜、施工難度不大、投資較節(jié)省、施工質量 保證度高、運行風險小。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是：

一種適用深厚覆蓋層土石壩的新的防滲透體系及結構，在大壩壩基中同時設有豎直與水平方向的防滲結構，在豎直方向上的防滲墻及帷幕灌漿延伸至地層以下滿足防滲要求的深度為止；在壩基地面高程處的上游方向設有水平防滲層，豎直向和水平向防滲結構在壩軸線附近交匯，并在壩基下游沿地面高程設水平向排水層。

所述的防滲層水平方向長度為大壩底部與防滲墻之間的距離。

所述的豎直防滲層為一個或多個。

所述的防滲層采用灌漿帷幕防滲漏。

本發(fā)明的有益成果：本發(fā)明簡化并優(yōu)化了以往的防滲結構體系，形成土石壩壩體與壩基空間正交防滲體系，改變了“壩有多高，防滲體系就有多高”的傳統(tǒng)設計模式。本發(fā)明中增加了上游水平防滲結構L₁和下游水平排水體L₂，這在施工上是很容易做到的，垂直防滲結構h(或h₁，h₂)的施工難度已大大減小，而且可靠性也大為提高，施工質量能夠有效得以保證。由于本發(fā)明方案已經(jīng)有效回避了在深厚覆蓋層中進行難度與耗資巨大的防滲墻或帷幕灌漿施工，因而其經(jīng)濟可行性也是明顯的。另外，本發(fā)明技術方案還推動了行業(yè)科技進步，也促進了應用研究。

附圖說明

圖1為實施例一的結構示意圖；

圖2為實施例二的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例一

如圖1所示，一種適用深厚覆蓋層土石壩的新的防滲體系及結構，防滲結構與以往結構顯著不同之處在于增加了水平防滲結構L₁。采用多道垂直防滲結構h₁，h₂，在心墻下游側沿水平方向布置一層排水體L₂，一直通向下游排水棱體。如圖1所示的防滲體系各結構的關系如下：①h₁+h₂≤B；②垂直防滲體h₁，h₂根據(jù)不同情況存在三種關系h₁≤h₂，h₁＝h₂，h₁＞h₂；③L₁≥L₂且L₁+L₂≤L。

實施例二

如圖2所示，本實施例與實施例一的不同之處在于，也可只用一道垂直防滲結構h，圖2所示各結構關系為：①L₁≥L₂且L₁+L₂≤L；②h≤(0.5～1.0)B。

理論依據(jù)：針對深厚覆蓋層高壩壩基防滲結構設計應滿足滲流穩(wěn)定的要求，對壩基滲流分析分如下兩種情況。①當壩基滲流特性均勻、各向同性時(如單純的砂礫石覆蓋層)，滲透壓力水頭函數(shù)H滿足拉普拉斯方程

式中，x，y為滲流場的平面幾何坐標。

②當壩基滲透特性有明顯的兩向不同，即水平方向滲透系數(shù)k_x大于豎直向滲透系數(shù)k_y(諸如覆蓋層分層，由不同屬性的材料組成等)，這時宜將滲流場原水平坐標x替換成拉氏方程表達式為：

這種情況下的滲流場滲透系數(shù)為：

根據(jù)基于拉普拉斯方程繪制的滲流流網(wǎng)(如圖1、2所示)，必須進行滲流穩(wěn)定復核計算并據(jù)此設計水平與垂直防滲結構型式與尺寸。任一網(wǎng)格(設其平均寬Δs與平均長Δl相等)處的滲透坡降J、滲流流速v以及該網(wǎng)格所在流帶的流量Δq如下式求出：

滲流場總計m個流帶流量之和為壩基全斷面單寬滲流量q，

壩基下任一點的滲壓水頭可由下式求得：

無論是水平防滲還是垂直防滲結構都應使壩基覆蓋層內任一點的水力坡降小于其出逸坡降，如果不能滿足這一要求，防滲體系就應進行調整，直至滿足要求為止。

本發(fā)明方案即所謂空間正交防滲結構體系克服了以往在深厚覆蓋層上修建高土石壩所采用的單一的豎直向“三位一體”防滲結構體系，而在水平方向上也建立起壩基水平防滲結構，由此與垂直方向上的防滲結構(這是傳統(tǒng)的模式)形成相互補充和嚴密的空間正交防滲體系。目前，按照這一思路建造的土石壩尚未完成，有待于在工程實踐中進一步研究與應用。采用空間正交防滲體系在深厚覆蓋層上修建 高土石壩的一般程序是：

a)進行必要的壩基清理(現(xiàn)有技術規(guī)范均有明確要求)；

b)開展l₁上游水平防滲層和l₂下游水平排水層的施工，同時進行h防滲墻或防滲帷幕施工(單一垂直防滲體系時)或h₁與h₂防滲墻施工(雙排垂直防滲時)；

c)施工技術上應特別注意l₁與h(或h₁、h₂)(即水平防滲與垂直防滲)在其結合部位的防滲質量，否則將成為防滲體系的薄弱環(huán)節(jié)。

d)進行土石壩填筑，這部分施工技術比較常規(guī)，上下游堆石壩殼料，中間為防滲料，應保持良好的防滲整體性能。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本領域內普通的技術人員的簡單更改和替換都是本發(fā)明的保護范圍之內。