砂卵石地基上一座溢流重力壩的壩基滲透穩(wěn)定反算分析

黎運(yùn)棻

（水利部山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

某徑流式引水電站的引水樞紐壩址以上控制流域面積9060 km2,多年平均徑流量14.9億m3,壩址以下河道蜿蜒曲折，流長(zhǎng)16km至水電站站址處河床落差60 m，其間由引水樞紐開鑿一條長(zhǎng)1230 m壓力隧道至電站，可獲得此水頭，水力資源條件十分優(yōu)越。該項(xiàng)工程從1988年建成運(yùn)行以來(lái)，已安全運(yùn)行25年，本文概略說(shuō)明引水樞紐工程布置，重點(diǎn)對(duì)壩基抗?jié)B穩(wěn)定進(jìn)行反算分析。

1 引水樞紐總體布置

引水樞紐位于河流干流上，由攔河溢流壩、沖沙泄水閘、進(jìn)水閘以及左右岸連接部分組成。

攔河溢流壩。壩長(zhǎng)154m,壩高12m,壩底高程345.00 m，壩頂高程357.00 m,設(shè)計(jì)溢洪流量5150 m3/s。

沖沙泄水閘。三孔沖沙泄水閘緊接溢流壩左壩端,與溢流壩呈一字形布置，每孔凈寬4m。閘檻高程347.50 m,閘孔高5.0 m,上部為胸墻擋水，閘頂高程366.50 m。設(shè)有工作鋼閘門和3孔共用檢修閘門，最大泄洪流量586m3/s。

進(jìn)水閘。雙孔進(jìn)水閘與沖沙閘呈28°內(nèi)折軸線相連，每孔凈寬4.80 m。閘檻高程349.50 m,高于沖沙閘底檻2.00 m，閘孔高5.0 m,上部為胸墻擋水，閘頂高程366.50m。設(shè)有工作鋼閘門、檢修鋼閘門和攔污柵。閘前設(shè)有導(dǎo)向沖沙閘的弧形導(dǎo)沙坎。閘后由方涵漸變至圓形，與早期開鑿成形的壓力引水隧洞相接，隧洞內(nèi)徑5.2m，長(zhǎng)1230 m,設(shè)計(jì)引水流量36m3/s。水電站裝機(jī)容量17.5MW。

左右岸連接部分。左岸連接部分為漿砌石重力壩，壩頂長(zhǎng)20 m，壩頂高程366.50 m。右岸連接部分為土石壩，壩頂長(zhǎng)49m，壩頂高程366.50 m,并以空箱式岸墩與溢流壩相連。

2 壩基地層條件

壩址處河床標(biāo)高348.50 m,表層有2～2.7m厚含黏砂卵石層，下界面約為345.0 m。界面以下為近代河床沖洪積層，巖性以砂卵石為主，層間夾有含泥的砂卵（礫）石層，綜合滲透系數(shù)50 m/d。

約在325m高程分布一層具有一定連續(xù)性的黏性土含少量卵（礫）石層，該層具有一定隔水作用,層面以上砂卵石層膠結(jié)性較差，干容重約1.7～1.8t/m3,顆粒級(jí)配不良，缺少中間粒徑，不均勻系數(shù)在35～714，壩基滲流穩(wěn)定問(wèn)題較為突出。層面以下砂卵石層膠結(jié)性較強(qiáng)，下界巖面為寒武系中統(tǒng)鮞狀灰?guī)r,巖面標(biāo)高315.0 m,可視為相對(duì)不透水層。

3 攔河溢流壩布置

攔河溢流壩位于主河床上,橫剖面如圖1所示,是保證水電站正常引水位和溢洪的建筑物，為非均質(zhì)材料軟基上溢流式重力壩，即壩體底層和上游壩面為混凝土結(jié)構(gòu)，溢流面為漿砌料石，壩體內(nèi)部為漿砌塊石結(jié)構(gòu)。溢流堰面按“wes”非真空實(shí)用斷面設(shè)計(jì)，下游以一段半徑為10 m的圓弧與護(hù)坦相接。

壩底高程345.00 m，設(shè)計(jì)壩頂高程即正常擋水位為357.00 m，壩高12m,壩長(zhǎng)154m。壩上游設(shè)計(jì)洪水位361.96m,過(guò)壩流量5150 m3/s,平均單寬流量33.44m3/s.m；校核洪水位363.73m,過(guò)壩流量7630 m3/s,平均單寬流量49.55m3/（s.m）。由于壩上游彎道水流影響，過(guò)壩單寬流量分布不均，左壩段最大過(guò)壩單寬流量可達(dá)43m2/（s.m）（設(shè)計(jì)）～58m3/（s.m）（校核）。

過(guò)壩水流為低水頭、低佛氏系數(shù)、大單寬流量的底流式水躍，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，壩下游采用低尾坎雙面“T”形墩消能，在墩首形成多方向水流對(duì)撞，增大消能效果，以縮短下游護(hù)坦長(zhǎng)度。

溢流壩底寬25m。壩上游采用黏土夾土工膜鋪蓋，鋪蓋長(zhǎng)150 m，厚0.80 m,鋪蓋首端截墻深2.80 m,鋪蓋末端加厚至2.80 m與壩基底層相連。壩下游鋼筋混凝土護(hù)坦段長(zhǎng)40 m;其中上段長(zhǎng)23.00 m,厚2.00 m,設(shè)有低尾坎雙面“T”形消能墩;下段長(zhǎng)17.00 m，厚1.00 m,設(shè)有排水孔，孔下設(shè)有反濾3層，厚1.00 m。海漫段長(zhǎng)40.00 m，其中水平段長(zhǎng)10.00 m；下段長(zhǎng)30.00 m，縱坡0.02，為石籠結(jié)構(gòu)，籠底鋪設(shè)反濾料，出口設(shè)有防沖槽。

為了有利于壩體抗滑穩(wěn)定和壩基應(yīng)力要求，將表層較松軟的黏土含礫層清除，壩基坐落在345.00 m砂卵石層上，包括局部壩段345.00 m以下殘留泥礫石挖出后換填石渣,采用摩擦系數(shù)f=0.50。設(shè)計(jì)中分別進(jìn)行了正常引水位、正常引水位加地震、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位情況的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，壩基最大應(yīng)力205kN/m2，上下游壩基最大應(yīng)力差2.63倍。

圖1 砂卵石地基上某重力溢流壩剖示圖

4 壩基抗?jié)B穩(wěn)定分析

鑒于壩基砂卵石顆粒級(jí)配不良，不均勻系數(shù)在35～714，設(shè)計(jì)過(guò)程中曾收集了已建類似工程資料，并對(duì)防滲方案進(jìn)行了比較。

如下馬嶺壩，混凝土溢流壩段長(zhǎng)80 m,高23m，底寬43m,壩基砂卵石層最大深度38m,采用垂直防滲方案，用3排帷幕灌漿孔形成11m厚帷幕，截?cái)嗔松奥咽瘜訚B流，屬于在砂卵石覆蓋層中采用灌漿帷幕的較少工程實(shí)例。

又如下葦?shù)閴?，壩基砂卵石層最大深?9m,混凝土溢流壩長(zhǎng)220 m,高8.8m，采用混凝土防滲墻截?cái)嗌奥咽采w層滲流，這類防滲的工程實(shí)例較多。

本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，曾進(jìn)行了水平鋪蓋防滲、垂直防滲（包括混凝土防滲墻、灌漿帷幕、高壓噴射防滲墻），以及水平鋪蓋與懸卦式防滲墻相結(jié)合等方案比較，曾推薦采用混凝土防滲墻方案。由于工期和投資等所限，改用150 m長(zhǎng)水平鋪蓋施工建成，該工程建成25年以來(lái)，運(yùn)行良好，現(xiàn)對(duì)其抗?jié)B穩(wěn)定進(jìn)行反算分析如下：

4.1 允許滲流坡降值分析

根據(jù)SL265-2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（以下稱設(shè)計(jì)規(guī)范），對(duì)砂卵石地基出口段抗?jié)B穩(wěn)定性，應(yīng)首先判別可能發(fā)生的破壞形式是流土或是管涌：當(dāng)4pf（1-n）＞1.0時(shí)，為流土破壞；當(dāng)4pf（1-n）＜1.0時(shí)，為管涌破壞。設(shè)計(jì)規(guī)范中給定壩基出口段防止管涌破壞的允許滲流坡降值按下式計(jì)算：

式中：[J]——防止管涌破壞的允許滲流坡降值；

df——閘壩基土的粗細(xì)顆粒分界粒徑，mm；

pf——小于df的土粒百分?jǐn)?shù)含量，%；

n——閘壩基土孔隙率（本工程取n=0.3566）；

d5、d15、d85—— 閘壩基土顆粒級(jí)配曲線上小于含量5%、15%、85%的粒徑，mm；

K——防止管涌破壞的安全系數(shù)，可取1.5～2.0（本工程取1.5）。

筆者以可能被滲流沖動(dòng)的粒徑為0.2mm代替式（1）中的d5，得到改進(jìn)計(jì)算式

據(jù)地質(zhì)勘察獲得壩基325m高程以上不同深度、基本等距的8層土粒級(jí)配，可認(rèn)為基本上綜合反映了砂卵石壩基的土粒級(jí)配，可分層計(jì)算確定各層允許滲流坡降值，由綜合平均確定壩基出口段允許滲流坡降值。

筆者根據(jù)各層土粒級(jí)配，首先分層判別可能發(fā)生的破壞形式是流土或是管涌。屬于流土形式的允許滲流坡降值按粉細(xì)砂取值0.30，該值亦同步相當(dāng)安全系數(shù)為1.5。屬于管涌形式的由設(shè)計(jì)規(guī)范給定的式（1）和本文的改進(jìn)式（3），分別計(jì)算防止管涌破壞的允許滲流坡降值。由于各層試樣基本等距，出口段透水層的滲流流線呈彎曲向上，各層間滲流條件相互影響，可取多層綜合平均值進(jìn)行壩基透水層滲流穩(wěn)定計(jì)算，從而得到出口段允許滲流坡降綜合均值，見(jiàn)表1。

表1 壩基出口段防止管涌及流土破壞的允許滲流坡降值計(jì)算成果表

表1是對(duì)壩基325m高程分布一層具有一定連續(xù)性的黏性土含少量卵（礫）石層，層面以上的分層土粒級(jí)配計(jì)算所得，考慮到這一層連續(xù)性還不完整，不宜視為相對(duì)不透水層。325m至315m間的砂卵石層雖缺土粒級(jí)配，因其膠結(jié)性較強(qiáng)，表1中的粒徑及其判別形式可以包括壩基砂卵石層抗?jié)B性能，且偏于安全，故以壩基深度315.0 m鮞狀灰?guī)r為相對(duì)不透水層，允許滲流坡降取表1綜合均值進(jìn)行分析。

在表1中，由式（1）得到防止管涌的允許坡降值，與防止流土的允許坡降值的綜合均值[J]=0.089。若取安全系數(shù)為1.0，相應(yīng)臨界值為0.134。若考慮出口反濾排水作用，出口段允許滲流坡降加大30%，[J]=0.116。

由式（3）得到防止管涌的允許坡降值，與防止流土的允許坡降值的綜合均值[J]=0.158。若取安全系數(shù)為1.0，相應(yīng)臨界值為0.237。若考慮出口反濾排水作用,出口段允許滲流坡降加大30%，[J]=0.205。

4.2 滲流坡降值計(jì)算

用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算壩基滲流坡降，分析計(jì)算如下：

如圖1所示，壩基垂直投影長(zhǎng)度S0=2.80 m,從鋪蓋首端至滲流出口的壩基水平投影長(zhǎng)度L0=198m,由L0/S0>5,壩基計(jì)算深度Te=0.5L0=99m，因Te值大于相對(duì)不透水層315.0 m以上壩基深度,應(yīng)按壩基實(shí)際深度計(jì)算。

其中，忽略鋪蓋與壩基連接處加厚的影響，以及忽略鋪蓋進(jìn)口截墻水平方向厚度的影響，從而：

其中，同前所述，S=2.00 m，T=32m。

（4）壩基和護(hù)坦前段的水平段阻力系數(shù)：計(jì)算式與水平鋪蓋段阻力系數(shù)計(jì)算式相同，（忽略壩基倒凹體形影響）計(jì)算得ξx2=1.60。

其中，S1=S2=0.00；T=345.00-315.00=30.00m；Lx=48.00m。

（5）出口段阻力系數(shù)：計(jì)算式與進(jìn)口段相同，計(jì)算得出口段阻力系數(shù)ξ02=0.467。

其中，S=2.00 m；T=30.00 m。

（6）首次計(jì)算的分段水頭損失值可按下式計(jì)算：

式中：hi——首次計(jì)算分段水頭損失值,m;

ξi——分段阻力系數(shù)（本工程以 ξ01、ξx1、ξy、ξx2、ξ02表示）；

n——分段數(shù)(本工程為5段);

△H——上下游計(jì)算水頭差,m。

按上游正常水位357.00 m，下游近似按無(wú)水考慮，由式（4）得到首次計(jì)算分段水頭損失值，見(jiàn)表2。

表2 首次計(jì)算分段水頭損失值/m

（7）進(jìn)、出口段阻力修正系數(shù)計(jì)算式:

式中：β——進(jìn)、出口阻力修正系數(shù)，當(dāng)β≥1.0，取β=1.0；

T——進(jìn)、出口外側(cè)地基透水層深度（包括鋪蓋或反濾排水層），m;

T'——進(jìn)、出口內(nèi)側(cè)地基透水層深度，m;

S'——底板埋深與板樁入土深度之和，m。

由圖1可見(jiàn)，進(jìn)口段T=32.80 m，T'=32.00 m，S=2.80 m，將以上各值代入式（5）得

進(jìn)口段修正系數(shù)β=0.693；

修正后進(jìn)口段水頭損失減小值△h=0.645-0.447=0.198m。

出口段T=32.80 m，T'=30.00 m，S=2.00 m,將以上各值代入式（5）得

出口段修正系數(shù)β=0.554；

修正后出口段水頭損失減小值△h=0.649-0.360=0.289m。

將修正后的進(jìn)、出口段水頭減少值△h向相臨段分配修正，當(dāng)△h值小于相臨段首次計(jì)算水頭損失值時(shí)，則將△h值與相臨段首次計(jì)算水頭損失值相加，即完成分配修正；當(dāng)△h值大于相臨段首次計(jì)算水頭損失值時(shí)，則修正后相臨段水頭損失為2倍首次計(jì)算水頭損失值，余量值再向另側(cè)相臨段分配，直到分配完為止。本工程一次分配即完成，詳見(jiàn)表3。

表3 修正后分段水頭損失值及滲流坡降值

4.3 對(duì)壩基滲流穩(wěn)定反算分析的評(píng)估

（1）表3中，出口段滲流坡降為0.18，與電擬試驗(yàn)值較接近，計(jì)算成果可信。

（2）出口段滲流坡降值均大于式（1）所得的允許值、加大值及其臨界值，由工程安全運(yùn)行25年實(shí)踐，表明式（1）不符合本工程壩基條件。

（3）出口段滲流坡降值為0.18，略大于式（3）所得不計(jì)反濾排水作用的允許值0.158，但均小于式（3）所得計(jì)入反濾排水的加大值0.205及其無(wú)反濾排水的臨界值0.237。

（4）由表3可見(jiàn)，各段滲流坡降值均在允許值內(nèi)，故壩基滲流穩(wěn)定安全，與工程運(yùn)行狀況相符。

5 結(jié)論

（1）改進(jìn)式（3）可用于計(jì)算本工程砂卵石壩基出口段防止管涌破壞的允許滲流坡降值，式（1）不適用于本工程地基條件。

（2）對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)砂卵石地基出口段的允許滲流坡降值，可由分層粒徑計(jì)算各層允許滲流坡降值，并取加權(quán)平均值；當(dāng)分層厚度相等或相近時(shí)，可取綜合平均值。

（3）本工程宜在滲流出口增設(shè)一道深2～3m截滲墻，可進(jìn)一步減小出口段滲流坡降值。

（4）本工程采用鋪蓋長(zhǎng)150 m,相當(dāng)15倍上下游水頭差,5倍覆蓋層深度，是較經(jīng)濟(jì)的方案。