1.2　我国深厚覆盖层上的心墙堆石坝和砾石土防渗体的发展

1.2.1　深厚覆盖层上心墙堆石坝的主要特点

建在深厚覆盖层上的心墙堆石坝与建在基岩上的同类坝型相比，主要有以下4个特点。

（1）充分利用了河床覆盖层作为大坝基础材料，坝体方量相对较小，有利于节省投资和加快施工进度。

（2）没有深基坑施工问题，围堰基础防渗相对比较简单。经过技术经济论证后，围堰防渗墙可采用悬挂式结构。

（3）大坝基础处理相对要复杂得多。大坝基础防渗一般采用混凝土防渗墙下接帷幕灌浆的形式，有的高坝还要对部分范围的河床覆盖层进行固结灌浆处理，以提高承载力；有的高坝基础需要布置两道混凝土防渗墙，以适应水力梯度的变化要求；还有的高坝除了对覆盖层进行基础防渗处理外，还要对液化层进行处理。

（4）大坝变形远比基岩上的心墙堆石坝复杂。这种坝型不仅要处理好坝体与覆盖层的变形协调问题，还要处理好基础防渗墙与坝体的变形协调问题。

1.2.2　我国深厚覆盖层上心墙堆石坝的发展历程

近40年来，我国深厚覆盖层上的心墙堆石坝在我国共经历了4个发展历程。

（1）20世纪70年代末建成的甘肃白龙江碧口黏土心墙堆石坝（坝高101.8m）是当时国内最高的土石坝。大坝设计吸收了国外的先进经验，坝基防渗墙直接插入心墙内部与坝体连接。为适应防渗墙的变形，防渗墙顶部设置了高塑性黏土回填区。

（2）20世纪末建成的四川南桠河冶勒沥青混凝土心墙堆石坝（坝高124.5m），不仅使我国在基础处理方面迈入世界先进水平，而且在沥青混凝土施工方面积累了一套成熟经验。同时期建成的黄河小浪底黏土斜墙堆石坝（最大高度156m）与心墙坝结构基本类似，但其基础防渗墙下部没有布置帷幕灌浆，防渗墙顶部也没有设置灌浆和观测廊道。目前，小浪底大坝河床坝段的渗流量约为1.5万m3/d，大坝运行正常。小浪底大坝建设留给坝工界的启示有：①防渗墙顶部是否设置大坝基础廊道，各有利弊。②黏性土的压缩变形较大，掺砾能显著改善心墙的变形。

（3）在“十一五”期间，四川省先后建成的宝兴河硗碛砾石土心墙堆石坝（坝高125.5m）、大渡河瀑布沟砾石土心墙堆石坝（坝高186m）和岷江狮子坪砾石土心墙堆石坝（坝高136m），它们都有5个共同特点：①心墙都采用了变形指标较好的砾石土（硗碛用的是细粒土）。②防渗墙顶部都设置了灌浆和监测廊道。③建设速度都比较快。其中，瀑布沟心墙堆石坝从开始填筑到蓄水只用了3年时间。④大坝基础廊道与岸坡接触处的环向结构缝都出现了变形过大导致少量止水结构被撕裂的问题。⑤大坝建设成就得到了国内外坝工界的广泛认可，其中，瀑布沟大坝被世界大坝委员会授予国际里程碑工程。

（4）目前正在建设的大渡河长河坝砾石土心墙堆石坝（坝体高度240m，坝基覆盖层最大深度54m），在结构布置方面与瀑布沟大坝基本类似，但变形控制难度又上了一个大台阶。

以上发展历程说明，在心墙堆石坝建设领域，我国不仅在基岩上心墙堆石坝建设方面（如已经建成的澜沧江糯扎渡心墙堆石坝高度261.5m，正在建设的双江口心墙堆石坝高度314m等）位居世界第一，而且在深厚覆盖层上的心墙堆石坝建设方面也位居世界领先水平，是名副其实的心墙堆石坝建设强国。

1.2.3　国内部分深覆盖层上心墙堆石坝的布置及运行的基本情况

1.2.3.1　20世纪70年代末建成的当时国内最高土石坝——碧口大坝

位于甘肃省南部白龙江流域的碧口土石坝按二级建筑物设计，设防地震烈度7.5度。大坝主要工程量为：土石方填筑396.6万m3，混凝土防渗墙0.35万m2。碧口大坝于1969年开工，1975年底开始蓄水，1977年底初步竣工。

坝址基岩为绢云母石英千枚岩与变质凝灰岩的间互层，河床覆盖层厚度34m。大坝最大高度101.8m，顶宽8m，防渗心墙原两侧边坡均为1∶0.2，下用高42.5m、宽1.3m的宽混凝土防渗墙截断冲积层。在坝体填筑至高程657.00m时，鉴于施工质量欠佳，遂在坝轴线下游12m处下挖10m，增设68.5m，宽0.8m的深混凝土防渗墙补强，并将上部心墙下游边坡扩为1∶0.4。大坝横剖面图见图1.2。

心墙防渗土料为含少量角砾的重粉质壤土与粉质黏土，填筑控制干密度1.70～1.71t/m3，含水量16%～19%，压实度为0.97，渗透系数小于2×10－7cm/s。填筑铺土层厚20～25cm，16t双联羊足碾压20遍。砂砾石为卵石或砾石类土，大于5mm粗粒占75%～85%，填筑控制相对密度0.75，最低干密度2.21t/m3。填筑层厚80cm，充分洒水后用2.5t夯板，后改用13.5t振动碾压实。如其小于0.1mm粒径含量为10%～30%，即属含泥砂砾石料。卵漂石是粒径大于20mm的筛余料，填筑控制相对密度0.90，相应干容重1.79～1.92t/m3，振动碾压实。当地基岩为绢英千枚岩与变质凝灰岩间互层，岩块成型差，强度低，易软化，尤以千枚岩为甚，且易风化、泥化。石渣是指建筑物在此基岩中开挖料，堆石是片理厚的凝灰岩层石场中开采料，在坝面填筑压实后应统属碾压堆石。石渣填筑层厚80cm，早期用2.2t夯板，落距3～3.5m，夯2～3次，后改用13.5t振动碾压实，对夯击层表面严重破碎有所改善，现场实测平均干密度2.23t/m3，相应孔隙率20.4%，小于5mm粒径含量为26.5%。堆石填筑层厚1～1.5m，振动碾压4～6遍，实测平均干密度2.27t/m3，相应孔隙率16.6%，小于5mm粒径含量为15.6%。两者都在铺填层上加水后再压实。

1976年汛期松潘、平武地震曾波及坝区，烈度约6度左右，大坝施工后期无异常现象。大坝运行6年后，坝体变形趋于稳定，坝顶最大沉降338mm。2008年汶川特大地震对碧口坝址的影响约为8度，造成的坝顶沉降为243mm，坝体上游水平位移159mm。经原设计单位复核，目前大坝运行状况良好。

1.2.3.2　21世纪初建成的黄河小浪底斜心墙堆石坝

小浪底斜墙堆石坝位于河南省洛阳市以北40km处的黄河干流上，大坝按一级建筑物设计，抗震设防烈度为8度。大坝主要工程量为：土石方填筑5073万m3，混凝土防渗墙1.7万m2。小浪底岸坡坝段于1994年开工，主河床于1997年11月截流，整个大坝工程于2000年底竣工。

坝址区基岩为砂岩、黏土岩与页岩的间互层。河床砂砾石冲积层一般深度30～40m，最大深度达80m。斜心墙土石坝的最大坝高154m，顶宽15m，长1317m。坝基处理考虑充分利用天然泥沙淤积，以垂直防渗为主，水平防渗为辅。在心墙下设宽1.2m的混凝土防渗墙截断冲积层。在心墙上游坝底设6m厚的砾石土水平铺盖，延伸至与上游围堰，与围堰地基黏土防渗墙相连接，形成可以利用库区泥沙淤积的辅助防渗体系。两岸坡心墙下用水泥作固结灌浆与帷幕灌浆，河床混凝土防渗墙下基岩不作灌浆。在斜墙围堰地基处理上，右岸侧利用原天然壤土覆盖层，坝基覆盖土开挖弃料堆积与汛期天然泥沙淤积作水平防渗；左岸侧由于坝前导流引渠的限制，用塑性混凝土防渗墙与高压喷浆的防渗墙作垂直防渗。考虑到坝址河床基岩面的地形，黏土质粉土防渗体作成斜心墙；心墙上游坡在顶部35m为1∶0.5，下部为1∶1.2；下游坡在顶部30m为倾下游的1∶0.4，下部为倾上游的1∶0.5；在岸坡段心墙下部逐渐变陡，至近坝两端呈与顶部相同的边坡。心墙上、下游侧分设两层和三层天然砂砾石加人工砂或开挖砂岩的宽级配反滤过渡层。坝壳基本上是用钙硅质胶结砂岩填筑的碾压堆石，下游边坡为1∶1.75，上游边坡为1∶2.60，上游围堰边坡为1∶3.5。小浪底大坝体型见图1.3。

根据监测资料，小浪底大坝心墙施工期的最大变形量为3.69m（其中，覆盖层0.7m）。在建成后的3年内，坝顶平均沉降0.95m。大坝防浪墙受变形的影响，进行了二次施工。2002—2006年，在汛期调水调沙运行中，大坝出现了较大的变形。坝顶出现了沉降纵缝，下游坝坡出现了小范围的塌陷。目前，小浪底大坝运行情况良好。

1.2.3.3　南桠河冶勒沥青混凝土心墙堆石坝

冶勒大坝位于四川省石棉县境内的南桠河上游。大坝按一级建筑物设计，相应水库总库容2.98亿m3，调节库容2.76亿m3，具有多年调节能力。大坝抗震设防烈度为9度。大坝主要工程量为：土石方填筑550万m3，沥青混凝土防渗墙3.4万m2。冶勒大坝于2000年开工，2005年底竣工。

坝址左岸为石英闪长岩，山体雄厚，其上覆盖着崩、坡积层及上更新统的块碎石土夹硬质土层，厚35～60m；河床及右岸由中、上更新统卵砾石层、粉质壤土及块碎石土夹硬质土层等五大岩组组成，总厚度超过420m，具不同程度的泥钙质胶结及超固结压密特征，河床下部基岩面埋深约55～160m。大坝的主要持力层为第三岩组卵砾石层与粉质壤土互层，该层厚15～24m；河床部分为第二岩组块碎石土夹硬质土层，厚约31～46m，硬质土层厚度约占该岩组总厚度的20%～40%，此层为坝基深部相对隔水层。

整个大坝几乎全坐落于覆盖层上，拦河大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高124.5m，坝顶高程2654.50m，坝顶宽度14m，坝轴线长411m。右岸坝肩平台采用钢筋混凝土心墙堆石坝，轴线长约300m，最大填筑高度15m。沥青混凝土心墙堆石坝填料分区由沥青混凝土防渗心墙、上下游过渡层、坝壳主副堆石料等部分组成，上游坝坡1ϒ2.0（中间设一级4m宽马道）、下游坝坡1ϒ1.8（中间设三级4m宽马道），右岸台地钢筋混凝土心墙堆石坝由钢筋混凝土心墙及堆石料组成。由于坝基下相对隔水层的承压水头较大，故在坝趾下游设有减压排水孔和215m长的盖重区，盖重顶面高程为2560.00m，平均厚度为22m；坝址上游利用天然河湾，将导流围堰与坝体上游堆石体结合，有利于坝坡稳定。基础采用“一道混凝土防渗墙＋水泥灌浆帷幕”进行防渗处理。

因冶勒大坝处于高地震烈度区（设防烈度为9度），地基第二岩组又存在较高的承压水头，为了改善心墙和下游坝体的应力状况，增加下游坝坡的稳定性，初步设计时将沥青混凝土心墙设计成折线型，高程2620.00m以上心墙采用1ϒ0.3的坡度向下游倾斜，以下为直心墙。心墙顶部厚度为0.6m，向下墙体厚度逐渐增加，墙体底部最大厚度达2.0m。

大坝的堆石料（Ⅰ）区石料由弱风化—微风化或新鲜石英闪长岩组成，要求石质坚硬，不易软化破碎，石料饱和抗压强度≥40MPa。最大粒径不大于800mm，小于10mm的颗粒含量控制在10%～25%范围，小于5mm的颗粒含量小于15%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%，压实后堆石的孔隙率n≤24%。

大坝的堆石料（Ⅱ）区石料由弱风化—微风化或新鲜石英闪长岩组成，要求石质坚硬，不易软化破碎，石料饱和抗压强度不小于45MPa。Ⅱa堆石颗粒级配要求连续，最大粒径小于800mm，小于10mm的颗粒含量控制在10%～20%范围，小于5mm的颗粒含量小于10%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%，压实后堆石的孔隙率n≤22%；Ⅱb堆石颗粒级配要求连续，最大粒径小于800mm，小于10mm的颗粒含量控制在10%～20%范围，小于5mm的颗粒含量小于15%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%，压实后堆石的孔隙率n≤22%。

大坝的堆石料（Ⅲ）区石料由弱风化—微风化石英闪长岩组成，要求石质坚硬，不易软化破碎，石料饱和抗压强度不小于30MPa。堆石颗粒级配要求连续，最大粒径小于800mm，小于10mm的颗粒含量不大于35%，小于5mm的颗粒含量不大于25%，小于0.075mm的颗粒含量不大于8%，压实度不小于0.95%。

大坝心墙上、下游过渡层Ⅰ区石料（厚度1.3～1.6m），由弱风化—微风化或新鲜的石英闪长岩加工制成或采用天然砂砾料。过渡料颗粒级配要求连续，最大粒径不大于60mm，小于5mm的颗粒含量不小于20%且不大于40%，小于0.075mm的颗粒含量不大于10%，与沥青混凝土心墙同步摊铺和碾压，压实后的孔隙率n≤20%。

大坝心墙上、下游过渡层Ⅱ区石料（厚度2～4m），由弱风化—微风化或新鲜的石英闪长岩加工制成或采用天然砂砾料。过渡料最大粒径不大于150mm，小于5mm的颗粒含量不小于10%且不大于20%，小于0.075mm的颗粒含量不大于3%～5%；压实后的孔隙率n≤22%。

在冶勒大坝施工期，下游堆石区的最大垂直变位为1.41m。蓄水后五年运行期，上述变位达到1.65m。目前，大坝变位已趋于收敛。

1.2.3.4　宝兴河硗碛砾石土心墙堆石坝

硗碛大坝位于四川省宝兴县境内的东河上游。大坝按1级建筑物设计，坝前正常蓄水位2140.00m，死水位2060.00m，相应水库总库容亿2.12m3，调节库容亿1.87m3，具有年调节能力。大坝抗震设防烈度为8度。大坝主要工程量为：土石方填筑674万m3，混凝土防渗墙0.65万m2。硗碛大坝于2003年开工，2007年底竣工。

硗碛砾石土直心墙堆石坝顶高程为2143.00m，最大坝高125.50m，坝轴线长约439.80m，坝顶宽10m，最大底宽448.80m，上游坝坡为1ϒ2，在高程2090.00m处设5m宽马道，高程2044.00m以下与上游围堰相结合；下游坝坡为1ϒ1.8，在高程2085.00m处设5m宽马道。坝脚与下游围堰相结合，在下游坝脚左岸采用弃渣回填至2035.00m高程，坝址右岸预留缺口与河道相连，作为排放坝体渗流的通道。心墙顶高程2142.00m，顶宽4.0m，底高程2017.50m，底宽65.0m。心墙上、下游坡度均为1ϒ0.25，底部设检修和监测廊道与坝基混凝土防渗墙相连接。心墙上、下游两侧依次设反滤层（厚度分别为3.0m和4.0m）、过渡料区和堆石料区。为了增强大坝顶部结构在地震情况下的稳定性，在大坝顶部高程2115.00～2139.00m范围过渡料和堆石料区域设置土工格栅，垂直间距2.0m，最大水平宽度30.0m。为了减小心墙左岸坡接触部位的冲刷，在心墙岸坡部位采用钢筋混凝土板保护，混凝土板厚度0.6～1.0m，并在心墙与混凝土板之间铺一层高塑性黏土，高程2100.00m以上高塑性黏土水平厚度为1.5m，高程2100.00m以下高塑性黏土水平厚度为2.0m。同时，心墙与两岸连接部位适当加宽心墙的厚度，上、下游各加宽1m。

坝体基础为深厚覆盖层，河床覆盖层一般厚57～65m，最大厚度69.6m，为河流冲积含漂卵砾石层。大坝地基防渗采用防渗墙与帷幕联合防渗处理方式。混凝土垂直防渗墙厚1.2m，防渗墙底嵌入强风化基岩内2.0m，嵌入弱风化基岩内1.0m，最大深度达70.5m。墙顶采用灌浆廊道与心墙连接，廊道净尺寸为3m×4m（宽×高），廊道上、下游两侧及顶部设高塑性黏土区，黏土区宽11.0m，高12.5m。防渗墙底部和两岸基岩采用灌浆帷幕防渗。在防渗墙下游心墙、过渡区、堆石区底部与河床接触部位设置1.0m厚的反滤层。

根据监测资料，硗碛大坝心墙施工期的最大变形量为1.51m。在建成后的3年内，坝顶平均沉降0.6m。大坝防浪墙于蓄水后第2年施工。

1.2.3.5　岷江狮子坪砾石土心墙堆石坝

狮子坪大坝位于四川省理县境内的杂谷脑河上游。大坝按1级建筑物设计，正常蓄水位2540.00m，死水位2460.00m，总库容亿1.327m3，调节库容亿1.189m3，具有年调节能力。大坝抗震设防烈度为8度。大坝主要工程量为：土石方填筑580.79万m3，混凝土防渗墙0.92万m2。狮子坪大坝于2006年开工，2010年底初步竣工。

坝基河床覆盖层深厚，最厚处达100.8m，主要由第①层含砂漂（块）卵砾石、第③⁃1层含砂漂（块）卵砾石、第③⁃2层块碎砾石土及第⑤层含漂卵砾石组成，其厚度分别为14～18m、39～58m、0～39m、3～7m。

狮子坪砾石土心墙堆石坝，坝顶高程为2544.00m，坝顶宽度为12m，坝顶总长310.14m，最大坝高136m。坝顶设沥青碎石路面。上游坝坡为1ϒ2.0，在高程2475.00m处设5.00m宽马道，上游围堰与坝体之间结合部位填平作为上游坡脚压戗体。下游考虑“之”字形公路综合坡比为1ϒ2.12，“之”字形公路宽9.1m，坡面坡度为1ϒ1.6。在下游坡脚后设80m长的弃渣压重，其顶高程为2430.00m。

心墙顶高程为2542.00m，顶宽4.00m，心墙上、下游坡均为1ϒ0.25，最大断面心墙底高程为2408.00m，底宽71.00m。

坝基覆盖层防渗采用一道厚1.20m的混凝土防渗墙全封闭方案，防渗墙底嵌入基岩不小于1.0m，防渗墙最大深度101.8m，墙顶高程2406.85m，防渗墙顶部设有灌浆、观测廊道，廊道净空尺寸为3.50m×4.00m，底板顶面高程为2410.50m，侧墙、顶拱厚度1.0m，底板厚度3.65m。廊道上、下游两侧底部各设20.00m长的复合土工膜，并在廊道外侧周边铺设塑性指数较小的黏土区，黏土区宽11.00m，高12.50m。为了防止坝基覆盖层中土体产生管涌，在下游过渡层和堆石坝壳的底部设厚度为1.0m的水平反滤层与心墙下游侧反滤层相接。由于两岸岩体卸荷强烈、透水性较强，除加强两岸岩体的防渗处理外，两岸连接部位适当加宽心墙厚度，心墙与两岸岸坡连接部位铺填一层3.0m厚的塑性指数较小的黏土区。

为了减少心墙部位两岸岸坡的开挖，并尽量使心墙与岸坡连接部位平顺，两岸岩坡开挖基本上平行岸坡地表线，并在左岸局部地形凹陷处挖除表层的覆盖层，用回填混凝土替代。为了防止两岸绕坝渗流对岸坡处心墙的冲蚀，在岩石边坡的表面浇筑一层60cm厚的混凝土盖板，盖板宽度覆盖心墙，并对盖板以下的基岩进行浅层固结灌浆处理，固结灌浆孔间、排距2m，孔深8m。两岸在高程2544.00m、2475.00m、2410.50m处各设3条灌浆平洞（尺寸3.5m×4.0m）进行帷幕灌浆防渗处理。由于两岸岩体渗透性较强，所以两岸帷幕灌浆均采用2排，排距1.50m，孔距2.50m。防渗帷幕深度达弱透水岩层（Lu≤3.0）。

根据监测资料，狮子坪大坝心墙施工期的最大变形量为1.31m。在2009年蓄水后的两年内，坝顶平均沉降0.668m。