堤坝防渗设计在水利工程中的应用

马晓丽，李德祥，钱志文

（1.青海省水利水电科技发展有限公司，青海西宁810001；2.青海省祁连县水利局，青海祁连810400）

堤坝防渗设计在水利工程中的应用

马晓丽1，李德祥2，钱志文2

（1.青海省水利水电科技发展有限公司，青海西宁810001；2.青海省祁连县水利局，青海祁连810400）

水库堤坝工程直接关系到人民生命财产的安全，应严格根据设计规范的要求做好堤坝设计，特别是堤坝的防渗设计。本文结合具体的水库堤坝设计工程实例，简要探讨堤坝结构形式的选择以及堤坝结构防渗设计，希望能对类似工程起到借鉴作用。

堤坝工程；防渗设计；水利工程

引 言

随着我国经济的发展，水利工程建设事业迅猛发展。水利工程作为我国基础设施建设的重要组成部分，它的工程安全和质量直接关系到人民的生命财产安全。堤坝工程是水利工程的重要组成部分，在堤坝的设计中应严格根据设计规范要求进行。对于堤坝工程而言，其防渗非常重要，因此在堤坝工程设计中应做好防渗设计。

1 工程概况

本堤坝主要由三个段落组成，分别为西侧堤坝、外侧堤坝以及东侧堤坝。堤坝的总长度为3512.34m。堤坝采用聚丙烯编织袋吹填坝型。在编织布袋内充填取自附近河流内的粉砂土，将其作为内外大小棱体，并在棱体之间吹填粉砂土。此外，在堤坝上修建一座取水泵站和排水涵闸，这两个结构物的设计是为了满足进水的需要。

2 堤坝的结构型式

在选择水库堤坝形式时，应按照因地制宜、就地取材等原则，同时应综合考虑工程所在区域的地质条件、水文条件、气候条件以及筑堤材料、施工条件、工程造价、工程景观等各方面的因素，通过技术经济比较，最终选择一个最佳的堤坝结构型式。

本工程沿线滩面的高差大小不一，一般在2～5m之间，最大达到7m。根据堤坝所在区域地质勘察报告，总体上本工程场地内的土层分布较为稳定。在工程所在区域附近的河流内有较好的砂源地，储量较为丰富，可以满足设计和施工的需要，因此用作聚丙烯编织布袋内的填土材料。

一般情况下，堤坝材料主要有土、土石、抛石和钢筋混凝土，其中前两种对地基土的要求最小，其次是抛石坝。因此本工程的堤坝形式可考虑土坝、土石坝和抛石坝三种形式，相对而言，抛石坝的堤身抗渗性较差，进行防渗处理往往需要投入较大的资金。本工程水库正常运行水位在4.5～5m之间，最高蓄水位可达到5.4m。本工程堤坝为3级建筑物，堤坝高程按5.4m设计，外侧堤坝所在滩面高程为3m，最低处为-5m，东侧堤坝地面高程为2～-4m之间，西侧则为0～3m之间。堤坝堤身的高度在3～10.5m之间。堤顶的宽度为7m。

在进行堤坝坝坡设计时，应重点考虑堤坝稳定的要求。根据稳定计算结果，并结合相关的施工要求，本工程堤坝内坡和外坡的坡比均为1∶3。在外坡需要设置平台，平台高程为1m，宽度为3m。在内坡上同样设置平台，分别在高程-1m和3m处，宽度与外坡平台一直。

为了堤坝工程的安全，在设计中还应充分考虑风浪、潮流等因素。一般混凝土层面厚度为0.7m。外坡采用灌砌块石进行护坡，厚度控制在0.4m，并且在其下设置一层袋装碎石和土工反滤布，厚度控制在0.2m，同时在堤前设置抛石护底，其宽度控制在20m，在其下设置袋装碎石和沙肋软体排，厚度控制在0.4m。内坡为0.4m的灌砌块石，同时在其下也设置袋装碎石和土工反滤布。堤坝形式设计完成之后，需要考虑堤坝的渗透问题，本工程堤坝堤身采用高压喷射防渗板墙。

3 堤坝结构防渗设计

本水库工程堤坝为粉砂土吹填的均质坝，坝体的渗透系数较大，一般为2×10-4cm/s左右。因此需要进行渗流稳定计算分析，解决堤坝的渗流稳定和渗透量问题。

3.1 渗流稳定分析计算

3.1.1 计算工况

在计算模型中所设置的水位边界包括:（1）外海潮位，主要考虑三种条件下的水位，分别为高程时的水位5.4m，多年平均高潮位3.92m，以及多年平均低潮水位-0.24m。（2）库内水位，主要考虑三种条件下的水位，分别为最高蓄水位5.4m，水库检修水位-3m以及水位1m。计算工况见表1。

表1 计算工况

3.1.2 计算方法

渗流计算方法采用平面渗流的有限元分析，渗流有限元的基本计算公式如下:

式中，［K］为渗水系数矩阵；﹛H﹜为总水头向量；［M］为单元储水量矩阵；﹛Q﹜为流量向量；t为时间。

3.1.3 计算参数

计算所采用的土层渗透系数见表2。

表2 土层的渗透系数

3.1.4 计算结果

对不同工况下堤坝的渗流稳定进行计算分析，将其结果列于表3中。

表3 不同工况下堤坝的渗流稳定计算结果

从表3中可以清楚地看到，下游坡面渗流出逸坡降均大于粉砂的允许水力比降0.4，堤坝无法满足渗流稳定要求，需要设置防渗墙。

3.2 堤坝堤身防渗墙设计

考虑到本工程所设计的堤坝采用聚丙烯编织布袋充填施工成堤，因此，本工程底板采用垂直防渗方式效果相对较好。根据本工程堤坝结构特点，本堤坝不适合采用垂直铺塑、振动沉模防渗板墙等防渗方法。高压喷射防渗墙使用设备简单、施工操作方便、施工效率高，耐久性强。高压喷射墙体的有效厚度为0.2m，渗透系数为1×10-6cm/s。防渗墙插入到粘土泥面下的深度应控制在2～4m之间。高压喷射钻孔孔距控制在1.5m。

当堤坝堤身设置高压喷射防渗板墙之后，再次对其进行渗流稳定分析，如表4所示为设置防渗墙之后堤坝的渗流稳定分析结果。

表4 设置防渗墙之后堤坝的渗流稳定分析结果

由表4得出，当堤坝设置高压喷射防渗板墙后，本工程堤坝渗流稳定均能满足设计和施工要求。

4 结语

堤坝设计关系到人民生命财产安全，在设计中应严格根据设计规范要求进行，其中重点是做好堤坝防渗设计。文章结合具体的堤坝设计工程实例，在本工程水库堤坝的设计方案中采用粉砂土吹填的均质坝，针对堤坝的渗流稳定和渗透流量情况，对堤坝设计断面进行渗流稳定计算分析。

［1］徐东.灌浆防渗加固处理技术的应用［J］.广东科技，2013（12）:119.

［2］蔡红娟.青山水库泄洪放空洞防渗加固技术［J］.中国水利，2010（08）:34-35.

［3］许重富.山美水库大坝防渗加固工程效果分析［J］.大坝与安全，2010（02）:64-67.

［4］洪胜军.罗岗堤围防渗加固措施探讨［J］.广东水利水电，2007（02）:55-58.

［5］苏颍君.新疆鄂托克赛尔水库大坝防渗体系设计与实施效果评价［J］.水利规划与设计，2009（06）: 26-29.

TV871

A

1672-2469（2015）10-0099-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.31

马晓丽（1981年—），女，工程师。