深厚覆盖层坝基防渗结构优化设计

引言

深厚覆盖层坝基广泛分布于水利工程建设区域，其地质条件复杂，透水性强，给坝基防渗带来极大挑战。若防渗处理不当，易引发坝基渗漏、管涌等问题，严重威胁大坝安全。目前，现有防渗结构在应对深厚覆盖层时，存在防渗效果不佳、工程造价高、施工难度大等问题。因此，开展深厚覆盖层坝基防渗结构优化设计研究，对于保障水利工程安全运行、降低工程成本具有重要的理论意义与实际应用价值。

一、深厚覆盖层坝基的地质特性及防渗难点

（一）地质特性

深厚覆盖层通常由第四纪松散堆积物组成，其成分复杂，包含砂土、砾石、卵石等，颗粒级配不均。不同区域的深厚覆盖层在厚度、分布范围和物质组成上存在较大差异，有的厚度可达百米以上。这些覆盖层的孔隙率较大，透水性强，且力学性质较差，压缩性高，稳定性不足。在水压力作用下，容易发生渗透变形，给坝基防渗带来不利影响。例如，某水利工程坝基的深厚覆盖层厚度达 80 米，主要由砂土和砾石组成，其中砂土含量较高，透水性极强。在勘察过程中发现，该覆盖层存在多个透水夹层，进一步增加了防渗的难度。

（二）防渗难点

由于深厚覆盖层的地质特性，其防渗面临诸多难点。首先，覆盖层厚度大，传统的防渗结构难以贯穿整个覆盖层，无法有效阻挡地下水的渗透。其次，覆盖层的透水性强且不均匀，渗透路径复杂，使得防渗效果难以保证。再者，覆盖层的力学性质较差，在施工过程中容易发生坍塌、变形等问题，影响防渗结构的施工质量和稳定性。此外，深厚覆盖层中可能存在承压水，增加了防渗结构所承受的水压力，对结构的强度和耐久性提出了更高要求。

二、现有防渗结构形式及存在的问题

（一）防渗墙

防渗墙是目前深厚覆盖层坝基中常用的防渗结构之一，通过在坝基中浇筑混凝土或其他防渗材料形成连续的墙体，阻挡地下水渗透。根据墙体材料的不同，可分为混凝土防渗墙、沥青混凝土防渗墙等。混凝土防渗墙具有强度高、防渗性能好等优点，但施工难度较大，尤其是在深厚覆盖层中，成槽过程中易出现塌孔、漏浆等问题。同时，混凝土防渗墙的工程造价较高，且墙体接缝处容易出现渗漏隐患。

（二）帷幕灌浆

帷幕灌浆是通过在坝基中钻孔，向孔内灌注水泥浆或其他浆液，形成防渗帷幕，以减少坝基渗漏。该方法适用于各种地质条件，尤其是在岩石地基和较浅的覆盖层中应用广泛。然而，在深厚覆盖层中，帷幕灌浆存在一些局限性。由于覆盖层的透水性强、孔隙率大，浆液容易流失，需要大量的浆液才能形成有效的防渗帷幕，增加了工程造价。同时，帷幕灌浆的效果受地质条件影响较大，在复杂的深厚覆盖层中，难以保证灌浆的均匀性和连续性，防渗效果不稳定。

（三）防渗铺盖

防渗铺盖是在坝前铺设一定厚度的防渗材料，如黏土、土工膜等，以延长渗径，减少坝基渗漏。该方法施工简单、造价较低，适用于透水性较弱的覆盖层。但在深厚覆盖层中，由于覆盖层厚度大，防渗铺盖的长度需要足够长才能起到有效的防渗作用，这在实际工程中往往受到地形条件的限制。此外，防渗铺盖容易受到水流冲刷和变形的影响，导致防渗性能下降。

三、深厚覆盖层坝基防渗结构优化设计方法及方案

（一）优化设计方法

数值模拟法是深厚覆盖层坝基防渗结构优化设计的重要手段。工作人员可选用 ANSYS、ABAQUS 等主流有限元软件，依据工程实际地质资料和设计参数，构建精准的防渗结构数值模型。该模型能有效模拟在正常蓄水、洪水期等不同工况下，防渗结构周围的渗流场和应力场分布情况。通过细致分析结构的防渗效果，如渗流量大小、渗透压力分布等，以及受力状态，如结构的应力集中区域、变形情况等，为优化设计提供数据支撑。随后，通过改变防渗墙的厚度、深度、材料性能等结构参数，进行多方案的对比分析，最终筛选出在保证防渗效果和结构安全的前提下，成本最低、施工最便捷的最优设计方案。

模型试验法是优化设计中不可或缺的环节。在制作与实际工程相似的物理模型时，需根据相似原理确定合理的相似比，确保模型能真实反映实际工程的力学特性和渗流规律。模型制作所采用的材料也需与实际工程材料的物理力学性能相似。通过使用渗流量测量仪、压力传感器等仪器设备，测量模型中的渗流量、渗透压力等参数。这些数据不仅可以验证数值模拟结果的准确性，还能深入研究防渗结构的实际工作性能和破坏机理。模型试验能直观地展现防渗结构在不同荷载和工况下的防渗效果，为优化设计提供可靠的试验依据。

（二）优化设计方案

复合防渗结构是应对深厚覆盖层坝基复杂地质条件的有效方案。防渗墙凭借其能深入相对不透水层的特性，可直接截断主要的渗流通道，起到第一道坚固的防渗屏障作用。而帷幕灌浆则在防渗墙顶部形成延伸的防渗帷幕，能够进一步封堵细微的裂隙和孔隙，有效减少绕渗现象。两者相结合，协同发挥作用，不仅大大提高了坝基的整体防渗效果，还能适应不同深度和范围的防渗需求，在众多深厚覆盖层坝基防渗处理工程中得到了广泛应用。新型防渗材料的应用为坝基防渗工程带来了新的发展机遇。高性能土工合成材料具有良好的抗拉强度和抗渗性，在某水库坝基防渗工程中，采用该材料铺设防渗层，有效减少了渗流量，且施工简便、工期短。改性沥青具有较好的柔韧性和耐候性，适用于温度变化较大地区的坝基防渗。在防渗墙中掺入适量的纳米材料，可显著提高墙体的抗渗性和强度。

（三）优化设计的应用与验证

将上述优化设计方法和方案应用于实际工程中，需通过现场监测来验证其合理性和有效性。以某水利枢纽工程为例，该工程坝基为深厚覆盖层，采用了复合防渗结构，并结合新型防渗材料和优化后的结构参数进行设计。在工程运行期间，通过安装渗流量监测仪、坝体沉降观测点等设备，对坝基的渗流量、坝体沉降等参数进行实时监测。监测数据显示，渗流量稳定在设计允许范围内，坝体沉降逐渐趋于稳定，且各项指标均符合设计要求，表明该优化设计方案在实际应用中取得了良好的防渗效果和结构稳定性。

结束语

本文针对深厚覆盖层坝基防渗结构优化设计进行了系统研究，分析了深厚覆盖层的地质特性及防渗难点，探讨了现有防渗结构形式存在的问题，并提出了基于数值模拟和模型试验的优化设计方法及具体方案。研究表明，采用复合防渗结构并结合新型防渗材料，同时优化结构参数，可以显著提高深厚覆盖层坝基的防渗效果，降低工程成本。然而，本次研究仍存在一定局限性，如未考虑长期运行对防渗结构性能的影响等。未来可进一步开展长期性能研究，为深厚覆盖层坝基防渗结构的设计和维护提供更全面的技术支持。

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