2.5 防渗排水系统设计

2.5.1 坝体防渗设计

2.5.1.1 碾压混凝土坝渗流控制

碾压混凝土抗渗性能及渗流主要受下列因数影响和控制：

（1）碾压混凝土的抗渗性主要取决于混凝土的胶凝材料用量、水胶比、压实度、层面结合质量和龄期等因素。

（2）碾压混凝土坝采用半塑性混凝土大仓面薄层连续碾压而成，施工中使用逐层摊铺和碾压的方法。如果层间碾压覆盖间隔时间过长、VC值损失大、骨料分离或集中、浆砂比较小、气候条件差等原因均会导致层间结合不好，而形成可能的渗流通道。

（3）我国碾压混凝土的发展已由干硬性混凝土逐渐发展为半塑性混凝土，且要求连续碾压上升，通过振动碾压使上层骨料嵌入到下层已碾压的混凝土中，改变了原碾压混凝土“千层饼”易形成层间渗漏通道的现象；但碾压混凝连续上升数层达到一定升程后，因温控等原因需要停歇，设置水平施工缝面，这种层（缝）面经冲毛和铺砂浆处理后，在理论上仍存在一定的水力隙宽，处理不好就会形成渗流通道。

根据碾压混凝土的渗流特性，碾压混凝土坝渗流控制设计的具体目标是降低坝体层面上的扬压力和减少渗透量。大坝防渗体的厚度或排水幕距坝上游面的距离要与混凝土分区协调，且足够的大，满足坝体上游面至排水幕区间防渗体混凝土的最大允许水力比降要求，防止发生水力劈裂渗透破坏。而要达到以上目标，按照“前堵后排”的基本原则，需要设计合理的大坝上游侧防渗体及其后面的排水幕结构，形成大坝防渗体系。同时从碾压混凝土的材料配合比、施工工艺、温控措施等方面做好材料优选和施工控制，确保碾压混凝土实现“层间结合质量良好”和“混凝土不出现危害性裂缝”的关键目标，方能有效解决碾压混凝土坝的渗控问题。

2.5.1.2 防渗结构

1.碾压混凝土重力坝防渗结构设计思路

碾压混凝土重力坝防渗结构的主要作用是降低层面扬压力和防止坝体渗漏或减小渗漏量。降低层面扬压力的主要途径是提高防渗结构的抗渗性，使作用水头尽可能消耗在防渗结构范围内，然后通过坝体排水管的作用，有效控制排水管之后的层面扬压力。防止坝体渗漏或减小渗漏量的途径是尽可能提高防渗结构的抗渗性。对碾压混凝土重力坝而言，有效地控制层面扬压力比控制渗漏量更为重要。

2.碾压混凝土重力坝防渗结构设计要求

根据碾压混凝土重力坝的特点，防渗排水结构应满足以下几个方面的要求：

（1）防渗结构应具有长期的安全可靠性，自身稳定、防渗效果好、适应变形能力强、不产生裂缝。

（2）防渗结构应有良好的耐久性，同时要求美观协调、对水质无污染。

（3）通过防渗结构和排水系统的联合控制，确保坝基和坝体扬压力控制在设计允许范围内。

（4）防渗结构应适合碾压混凝土快速施工的要求，减少施工干扰，同时要求厚度适中、经济。

（5）防渗结构应满足温控防裂要求，减少裂缝发生的概率。

3.防渗结构型式

根据防渗材料的不同，碾压混凝土坝防渗结构型式可分为三大类：常态混凝土防渗结构、柔性材料防渗结构及碾压混凝土自身防渗结构。

常态混凝土防渗结构利用常态混凝土作为防渗体。根据施工方法和构造的不同，分为“金包银”结构、常态混凝土薄层防渗结构、现浇钢筋混凝土面板及预制混凝土面板防渗结构等。

柔性材料防渗结构主要依靠柔性材料防渗，主要包括PVC薄膜防渗、沥青混合料防渗和坝面喷涂高分子材料等。

碾压混凝土自身防渗结构以碾压混凝土本身作为防渗体。一般采用富胶凝二级配碾压混凝土作为主要防渗体，低坝或作用水头较低时，也可直接采用三级配碾压混凝土作为防渗。随着变态混凝土技术的发展，目前碾压混凝土自身防渗结构基本采用碾压混凝土与表层变态混凝土相组合的防渗型式。

不同防渗型式主要结构特点：

（1）厚常态混凝土防渗（俗称“金包银”）。它是一种较早采用的防渗结构型式，在碾压混凝土上游坝体迎水面浇筑厚度为1.5～3m的常态混凝土作为防渗层，常态混凝土与碾压混凝土同步上升并设置横缝，缝内设置止水。这种结构的防渗效果较好，可靠性高，但常态混凝土所占比例很大，施工工艺复杂，施工干扰大，影响施工进度，难以发挥碾压混凝土的优点，温度裂缝难以控制。

（2）薄常态混凝土防渗。在坝上游面浇筑厚度为0.3～1.0m的常态混凝土防渗层，其后一定宽度的碾压混凝土层面需铺设砂浆垫层处理，防渗层可设横缝（也可不设），缝内一般设一道止水。与“金包银”结构相比，这种结构的常态混凝土所占比例小，施工干扰小，温控措施简单，造价低，能较好发挥碾压混凝土的优势，缺点是薄层抗裂性能差，防渗效果不能保证。

（3）现浇钢筋混凝土面板防渗。即在上游坝面现浇钢筋混凝土面板，面板采用锚筋与坝体连接，面板设置横缝，横缝内设止水。其特点是在薄层防渗体中分缝并设置钢筋限制裂缝发展，防渗面板可提前或后于坝体施工，且可采用滑模快速施工，提前施工时，面板可作为碾压混凝土的模板。缺点是面板钢筋用量较大，止水措施严格，坝体和面板之间变形和受力复杂。一般选择在低温季节施工，面板混凝土可采用补偿收缩性混凝土。

（4）内贴PVC薄膜防渗。将薄膜预先贴在预制板内，现场安装焊接成整体，作为坝面模板使用。

（5）外贴PVC薄膜防渗。坝面预埋固定件，坝面形成后安装薄膜。

（6）沥青混凝土防渗。坝面外先安装预制板，在坝面与预制板间之间的空腔浇筑沥青混凝土。

（7）坝面高分子涂料。即在上游坝面涂刷或喷涂高分子材料，一般作为辅助防渗措施使用。

（8）碾压混凝土自身防渗。是目前应用最广的一种防渗结构型式，其特点是根据碾压混凝土抗渗性能随胶凝材料用量增加而提高的特点，增加坝体上游附近碾压混凝土中胶凝材料的含量，改善其配比，依靠碾压混凝土自身防渗。其优点是结构简单，防渗体和坝体内部混凝土可快速同步碾压上升，施工干扰少，能充分发挥碾压混凝土快速施工的优势，且解决了异种混凝土之间结合不佳的问题；缺点是碾压混凝土层面渗漏的问题仍然存在，如不采取任何辅助措施可能导致渗漏。为解决碾压层面存在的问题，除严格控制施工工艺外，现在的做法是在碾压混凝土上游设置0.5～1.2m厚的变态混凝土，即在上游面附近的碾压混凝土中加入一定水泥浆，并采用振捣方式将其密实，以进一步提高上游面附近坝体的抗渗性。

4.二级配碾压混凝土与变态混凝土组合防渗结构设计要点

我国早期的碾压混凝土坝，厚常态混凝土防渗应用较多，应用坝高也相对较大，其他型式的防渗结构早期主要用于一些中低碾压混凝土坝。而碾压混凝土筑坝实践证明，采用厚常态混凝土防渗产生的施工干扰限制了大坝的上升速度，“七五”攻关结合普定碾压混凝土坝的兴建，研究了富胶凝二级配碾压混凝土防渗并在普定大坝建设中成功应用，这种利用碾压混凝土自身防渗的措施，充分适应了碾压混凝土的施工特点，使碾压混凝土的快速施工优势得到充分发挥，从而成为我国碾压混凝土坝防渗结构的潮流得到迅速推广。

（1）二级配碾压混凝土构成防渗结构的主体，布置在坝体上游侧，其宽度以下游侧不超过坝体廊道上游侧墙前约1m为界，以便廊道混凝土施工，并确保坝体排水孔位于渗透性较大的三级配碾压混凝土内。二级配碾压混凝土厚度根据作用水头确定，一般取水头的1/10～1/15，且不小于3m。

（2）构成防渗结构主体的二级配碾压混凝土每个层面上要求铺水泥浆处理以提高二级配碾压混凝土层面抗渗性。

（3）二级配碾压混凝土的上游侧设置变态混凝土防渗层，变态混凝土的厚度一般为0.5～1.2m，变态混凝土的厚度一方面取决于结构的需要，另一方面取决于施工要求。如上游面模板的拉模钢筋长度决定了变态混凝土厚度，因此，应尽量控制拉模钢筋在坝体内的延伸范围。

（4）根据实际工程具体情况，变态混凝土内可设置限裂钢筋网，以限制坝面裂缝开展。

（5）变态混凝土与二级配碾压混凝土防渗结构应设横缝，横缝间距一般与坝体分缝间距一致，缝内设置相应的止水。

5.三级配碾压混凝土与变态混凝土组合防渗结构的发展

随着碾压混凝土筑坝技术的不断成熟，通过采用二级配碾压混凝土与变态混凝土组合防渗结构，虽已达到简化施工和加快施工速度的效果，但因碾压仓面上有两种不同级配的碾压混凝土，对碾压混凝土的生产、运输到摊铺、碾压等仍存在诸多不便。尤其是在坝体上部和水头不高的中低坝，由于坝体宽度较小、碾压仓面不大，进行两种混凝土的摊铺、碾压，施工干扰仍较大，抑制了碾压混凝土快速施工的优势。因此，近年来已有一些中低坝工程（或高坝上部），直接采用了三级配碾压混凝土与变态混凝土组合的防渗结构。结合国内已建的三级配碾压混凝土钻孔取芯试验检测数据来看，三级配碾压混凝土自身能够满足防渗要求，关键是要解决好层间结合问题。实践表明，通过配合比设计优化、层间结合处理及碾压施工工艺等的严格控制，解决层间渗漏问题，直接采用三级配碾压混凝土与变态混凝土组合防渗是能够满足要求的。

贵阳院设计的已建碾压混凝土工程防渗结构见表2.5.1。从表中可看出，除早期建设的天生桥二级水电站大坝采用厚常态混凝土防渗（即“金包银”）以外，后面建设的工程全部采用碾压混凝土自身防渗。其中，一些工程全部采用二级配碾压混凝土防渗，也有一些工程（较低的坝或高坝上部）采用了三级配碾压混凝土直接防渗。多年的工程蓄水运行表明，碾压混凝土坝运行正常。通过贵阳院的工程实践表明，只要保证施工质量，采用碾压混凝土与变态混凝土组合的防渗结构完全能够满足防渗要求。

2.5.2 大坝排水设计

混凝土重力坝的排水系统是降低扬压力的有效措施和保证大坝安全与稳定的重要因素，排水系统包括坝基排水系统及坝体排水系统两个部分。

1.坝基排水系统

根据工程实际情况及需要，坝基可分别设置上游主排水系统、下游排水系统和坝基抽排系统。各排水系统均由排水孔幕组成。坝不高时可只在坝基防渗帷幕后设上游排水系统，高坝可设置上、下游排水系统，高坝及下游水位较深时宜设上、下游排水及坝基抽排系统。

坝基抽排系统一般布置在河床坝基部位，根据坝基宽度，在上、下游排水系统（廊道）范围内设置纵向和横向排水廊道，顺水流方向廊道间距一般为30～40m，垂直水流方向廊道间距一般根据坝段长度确定，一般为20～30m。坝基上游主排水孔深度一般取帷幕深的0.4～0.6倍，且不小于10m。当坝基内存在裂隙承压水层或透水区时，除加强防渗措施外，排水孔宜穿过此部位。下游及内部辅助排水孔孔深要求进入基岩6～12m。坝基排水孔由钻孔形成，主排水孔间距2～3m，辅助排水孔间距3～5m，孔径100～200mm。

光照水电站碾压混凝土坝高达200.5m，坝基排水系统设计采用了上、下游排水及坝基抽排系统，其布置如图2.5.1和图2.5.2所示。

图2.5.1 光照坝基抽排系统剖面布置图

图2.5.2 光照坝基抽排系统平面布置图

2.坝体排水系统

由于碾压混凝土成层和渗流的特点，碾压混凝土重力坝应设置坝体排水系统，将从上游坝面渗进来的水及时排走，以降低坝体内层面上的扬压力及保证碾压混凝土的耐久性。

碾压混凝土坝的坝体排水系统（排水幕）一般布置在大坝二级配防渗层混凝土的下游侧，由竖向排水孔组成，部分高坝还设有水平向排水管，竖向和水平向排水管相互连通，排水管的渗水引至坝体廊道后排出到坝外。

经过工程实践与总结，竖向排水孔常采用钻孔、埋设透水管或拔管等方法形成。采用预埋中空塑料盲管的成孔工艺时，由于排水孔幕间距较小，预埋盲管易影响振动碾在仓面的运行。钻孔形成排水孔因不易堵塞、排水通道较可靠，孔径可比其他成孔方式小一些，钻孔孔径可视不同坝高取76～110mm，其他成孔方式孔径一般取150～200mm。

贵阳院设计的部分碾压混凝土工程坝体排水布置情况见表2.5.2。

3.坝内（抽）排水布置

坝基排水、坝体渗水以及两岸灌浆廊道地下渗水等经排水系统收集后进入坝内廊道的排水沟。其中，最高尾水位以上坝体排水系统收集的渗水通过廊道自流排出坝体，最高尾水位以下坝体排水系统收集的渗水汇入坝基较低高程处的集水井，经由水泵抽排至下游河道。

坝内（抽）排水系统由集水井、排水泵房、排水管等组成。集水井的大小（容积）应根据坝址区水文地质条件、坝体材料及坝基岩体的渗透系数、排水系统布置等，通过渗流分析估算渗水流量，最后结合汇入集水井的范围、抽水泵功率及启停水位设置等因素综合确定。

碾压混凝土重力坝应对排水系统的汇水和排水进行精心规划和量测，以便运行过程中对集中渗漏部位进行判断，一般可按排出方向分为自流排出区和抽排区两个大区，每个大区又可分为左岸区、右岸区和中部区等。