夾巖水利樞紐工程上游高土石圍堰設(shè)計(jì)

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002）

1 工程概況

1.1 基本概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）位于烏江支流六沖河七星關(guān)區(qū)與納雍縣界河段，壩址距離畢節(jié)市約50 km，距離七星關(guān)區(qū)田壩鎮(zhèn)約2 km。該工程以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。工程屬Ⅰ等大（一）型工程，水庫正常蓄水位1 323.0 m，壩頂高程1 328.0 m，總庫容13.23億m3，電站總裝機(jī)容量90 MW。樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、壩后發(fā)電系統(tǒng)和伏流泄洪洞等組成［1］。

該工程施工導(dǎo)流采用河床一次攔斷，上、下游圍堰擋水，左岸導(dǎo)流洞泄流的方式。采用10 a一遇全年洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量1 570 m3/s［1］。

1.2 水文氣象條件

該流域暴雨多出現(xiàn)在5～9月，尤以6，7月為最多，大多數(shù)暴雨是中小量級的暴雨。流域內(nèi)地形復(fù)雜，全流域性的大暴雨較少，量級大的暴雨呈駝峰型分布。暴雨在地區(qū)上的分布與年降水的分布基本一致，西北部為低值區(qū)，東南部為高值區(qū)，一次暴雨持續(xù)時(shí)間一般為1～2 d。流域地處高原山區(qū)，地形起伏大，地勢較高的高原面與地勢較低的河谷氣候有明顯差異，晝夜溫差大，常形成夜雨。

六沖河流域的洪水具有以下特性：大多集中發(fā)生在5～8月，由暴雨形成，較大的洪水過程漲水歷時(shí)一般約為24 h，退水歷時(shí)3～5 d或更久，一次洪水的洪量主要集中在前3 d，洪水陡漲緩落，水位變幅較大。洪水過程多為單峰型，洪水峰高，但量不大。

1.3 地形地質(zhì)條件［1］

壩址位于峽谷出口下游800 m以下河段，河流流向S43°E，其上游有左岸潘家?guī)r腳沖溝，右岸有法拉沖沖溝，下游有右岸的陳家大溝。河谷為一典型“V”型谷，河床高程1 205～1 209 m，河床寬60～75 m。壩址巖層傾向上游，屬橫向河谷。壩址出露地層為下三迭統(tǒng)下統(tǒng)飛仙關(guān)組及永定鎮(zhèn)組第一段底部。峽谷出口至潘家?guī)r腳沖溝之間兩岸斜坡分布崩塌堆積層；潘家?guī)r腳沖溝下游兩斜坡零星分布第四系殘坡積層；河床及漫灘分布有第四系沖洪積層［1］。

圍堰基礎(chǔ)主要由礫（卵）石、細(xì)粉砂和淤泥組成，呈現(xiàn)松散-稍密狀態(tài)，顆粒級配差，差異性大，透水性好。下伏基巖為T1f2-3-3薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖，層間夾薄層-磷片狀砂質(zhì)泥巖，為中硬巖夾較軟巖類，強(qiáng)風(fēng)化下限為基巖面以下9 m；巖層傾上游，傾角21°～29°，為橫向河谷。

2 圍堰設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

夾巖工程施工導(dǎo)流采用河床一次攔斷，上、下游圍堰擋水，左岸導(dǎo)流洞泄流的方式。上游圍堰最大高度達(dá)44.5 m，堰前庫容為9 489萬m3，圍堰級別選定為4級，擋水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇全年洪水，相應(yīng)洪峰流量1 570 m3/s。

2.2 平面布置

根據(jù)導(dǎo)流隧洞及大壩平面布置，結(jié)合左岸潘家?guī)r腳堆積體治理方案，上游圍堰布置于壩軸線上游660 m處，堰頂長149.5 m。

2.3 上游圍堰堰頂高程確定

設(shè)計(jì)時(shí)考慮由圍堰形成的庫容對洪水的削峰作用后，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算上游水位為1 252.4 m，圍堰堰頂高程Hd：

Hd=h+R+δ

式中，h為設(shè)計(jì)洪水位；R為波浪爬高；δ為安全超高。

根據(jù)水文資料計(jì)算，圍堰設(shè)計(jì)洪水位為1252.4m，4級不過水土石圍堰安全超高為0.5 m，波浪爬高R為0.889 m。

根據(jù)計(jì)算，上游圍堰堰頂高程不低于1253.789m。因此，堰頂高程取值1 254.000 m。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上游圍堰為碾壓式土工膜心墻堆石圍堰，最大堰高44.5 m，采用復(fù)合土工膜心墻與灌漿防滲。上游圍堰頂寬10.0 m，長149.5 m。截流水位以上部位：迎水面坡度為1∶2.0，背水面坡度為1∶1.75。截流水位以下部位：迎水面和背水面坡度均為1∶1.5。堰體防滲土工膜采用350g/0.8 mm HDPE/350 g的復(fù)合土工膜心墻防滲，最大防滲高度29.5 m，土工膜心墻上下游各設(shè)1.5 m厚風(fēng)化料進(jìn)行保護(hù)。圍堰上游采用塊石進(jìn)行護(hù)坡、防沖。圍堰典型結(jié)構(gòu)見圖1。

經(jīng)計(jì)算相應(yīng)截流戧體前水位為1 222.75 m，確定截流堤頂高程為1 224.0 m，并作為灌漿施工平臺高程，堤頂寬15 m，最大填筑高度為15.0 m。

2.5 基礎(chǔ)防滲處理

砂礫石堰基采用高壓旋噴灌漿，雙排灌漿，間距1.0 m梅花形布置，深入基巖1 m。

崩塌堆積體堰基采用控制灌漿，雙排灌漿，孔徑8 cm，間距1.5 m梅花形布置，深入基巖1 m。

左岸潘家?guī)r腳堆積體堰肩采用帷幕灌漿，單排灌漿，孔徑8 cm，間距1.5 m，沿防滲體軸線布置，深入基巖1 m。

2.6 填筑料要求

上游圍堰堰體水上部分由土石混合料、過渡料和護(hù)坡塊石等組成。堰體水下部分填料由土石混合料、反濾料和護(hù)坡塊石料等組成。堰體各種填料的技術(shù)要求及來源見表1。

圖1 圍堰典型結(jié)構(gòu)（單位：m）

表1 堰體各種填料的技術(shù)要求及來源

3 滲流及穩(wěn)定分析

3.1 滲流分析

（1）理正軟件計(jì)算。圍堰上游邊界為迎水面，對于設(shè)計(jì)洪水位，假設(shè)水頭值穩(wěn)定且有充足的水量補(bǔ)給，因此設(shè)計(jì)洪水位以下的迎水面邊界取為定水頭邊界，下游穩(wěn)定水位為基坑開挖高程，下游邊界也為定水頭邊界。

滲流計(jì)算得到采用土工膜+控制灌漿堰體的浸潤線圖，見圖2。從圖中可見，防滲體后自由面較為平緩，溢出點(diǎn)基本接近下游地面線，表明采用該防滲方案效果明顯。壓力水頭等值線見圖3。

圖2 總水頭等值線

圖3 壓力水頭等值線（單位：m）

計(jì)算可知，滲流量為2.83 m3/d，滲透比降具體如下：上游堰體0.01；下游堰體0.04；防滲體頂部6.43；防滲體中部14；防滲體底部17.91。

（2）有限元計(jì)算復(fù)核。①模型建立。圍堰建基面高程為1 209 m，堰頂高程1 254 m，10 a一遇全年洪水水位1 252.4 m，堰前最大水頭43.4 m。計(jì)算分析基坑抽水完成（圍堰上游最高水位、下游無水）工況下圍堰滲流應(yīng)力，其計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型見圖4。②計(jì)算結(jié)果及分析。圍堰穩(wěn)定滲流應(yīng)力分析具體成果見圖5～7。

圖4 圍堰計(jì)算網(wǎng)格模型

圖5 總水頭壓力等值線分布

圖6 滲透壓力等值線分布

圖7 滲流溢出點(diǎn)位置

圍堰基坑抽水完成后，上下游水位差達(dá)到43.4 m。從圖6可看出圍堰上游底部總水頭壓力最大，最大水頭為43.4 m。從圖7可看出圍堰防滲體防滲效果明顯，穿過防滲體滲透壓力明顯下降。通過滲流流程分析，圍堰滲流溢出點(diǎn)位置在下游面底部，溢出點(diǎn)單寬滲流量約為1.262 m3/d。

3.2 穩(wěn)定分析

（1）理正計(jì)算分析。采用SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的簡化畢肖普法計(jì)算，滑裂面形狀計(jì)算為圓弧滑動(dòng)法。堰坡安全系數(shù)如表2所示。

表2 圍堰邊坡安全系數(shù)計(jì)算匯總

根據(jù)SL645-2013《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，采用簡化畢肖普法計(jì)算圍堰邊坡安全系數(shù)≥1.3，本圍堰邊坡計(jì)算穩(wěn)定。

（2）有限元計(jì)算復(fù)核。①計(jì)算荷載及參數(shù)，計(jì)算分析基坑抽水完成（圍堰上游最高水位、下游無水）工況下圍堰堰坡穩(wěn)定，圍堰上下游水位差43.4 m。②計(jì)算結(jié)果，從上可知，上游圍堰邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.23，根據(jù)SL 303-2017《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，3級土石圍堰邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2，4～5級土石圍堰邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)不小于1.05，該圍堰邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 滲流及變形監(jiān)測［2］

4.1 滲流監(jiān)測布置

上游圍堰安全監(jiān)測內(nèi)容有表面變形監(jiān)測和滲流滲壓監(jiān)測，目前投入正常觀測的監(jiān)測設(shè)施見表3。

表3 監(jiān)測設(shè)施統(tǒng)計(jì)

4.2 表面變形監(jiān)測

截至2018年11月13日，上游圍堰累計(jì)水平合位移9.6～75.3 mm，月變化量-2.5～9.8 mm；累計(jì)沉降8.0～104.3 mm，月變化量-2.8～4.0 mm。圍堰表面變形測點(diǎn)的水平位移和沉降主要發(fā)生在工程區(qū)汛期第一次強(qiáng)降雨期間，目前測值變化過程線平穩(wěn)，變形基本趨于收斂。

各測點(diǎn)累計(jì)水平合位移量、累計(jì)沉降量變化過程線見圖8～9。

圖8 圍堰水平位移云圖

圖9 圍堰豎向位移云圖

4.3 滲流滲壓監(jiān)測

截至2018年11月7日，圍堰軸線方向滲壓計(jì)P1、P7～P10水位高程在1 211.65～1 217.73 m，水位月變化量在-0.49～-0.05 m；上下游方向滲壓計(jì)P1～P6水位高程在1 209.76～1 214.43 m之間，水位月變化量在-0.2～0.01 m之間。目前各支滲壓計(jì)實(shí)測滲透水位月變化量均較小，未見異常。

圍堰滲壓計(jì)實(shí)測滲透水位與堰前水位存在一定的正相關(guān)性，同時(shí)受降雨入滲和山體地下水影響，滲透水位總體上變幅不大，圍堰防滲體系基本正常。變化過程線及分布見圖10～11。圍堰（上下游方向）及（軸線方向）滲透水位分布分別見圖12～13。

圖10 累計(jì)水平合位移變化過程線

圖11 累計(jì)沉降變化過程線

圖12 圍堰（上下游方向）滲透水位分布

圖13 圍堰（軸線方向）滲透水位分布

4.4 監(jiān)測結(jié)果

（1）表面變形。截至2018年11月13日，上游圍堰及累計(jì)水平合位移9.6～75.3 mm，月變化量-2.5～9.8 mm；累計(jì)沉降 8.0～104.3 mm，月變化量-2.8～4.0 mm。測值變化過程線平穩(wěn)，變形基本趨于收斂。

（2）滲流滲壓。截至2018年11月7日，圍堰軸線方向滲壓計(jì)P1、P7～P10水位高程在1 211.65～1 217.73 m，水位月變化量在-0.49～-0.05 m；上下游方向滲壓計(jì)P1～P6水位高程在1209.76～1214.43m之間，水位月變化量在-0.2～0.01 m之間。各支滲壓計(jì)實(shí)測滲透水位月變化量均較小，未見異常。

（3）上游圍堰水平位移及沉降主要發(fā)生在2018年汛期第一次強(qiáng)降雨期間，之后趨于穩(wěn)定；圍堰滲壓計(jì)實(shí)測滲透水位與堰前水位存在一定的正相關(guān)性，同時(shí)受降雨入滲和山體地下水影響，但滲透水位總體上變幅不大，圍堰防滲體系基本正常。

綜上，圍堰經(jīng)受住了2018年度汛的考驗(yàn)，當(dāng)前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

結(jié)合圍堰變形及滲流監(jiān)測成果表明，圍堰上下游邊坡穩(wěn)定、基坑滲流量小。對高土石圍堰工設(shè)計(jì)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）高噴灌漿在砂礫石地層及堆積體的成功運(yùn)用，減少了截流后防滲透的施工時(shí)間，為枯水期大壩填筑及圍堰填筑贏得了寶貴時(shí)間。

（2）六沖河流域的洪水陡漲緩落，水位變幅較大，具有典型的山區(qū)性河流特性。工程采用全年洪水導(dǎo)流方案，且首次在貴州喀斯特山區(qū)運(yùn)用高圍堰、大庫容的土石圍堰，可為類似工程提供借鑒。

（3）引入有限元計(jì)算方法，對圍堰的滲流及穩(wěn)定復(fù)核，確保圍堰結(jié)構(gòu)安全。

（4）圍堰埋設(shè)表面變形監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測計(jì)，實(shí)時(shí)掌握圍堰汛期運(yùn)行狀態(tài)，為項(xiàng)目安全防洪度汛及項(xiàng)目業(yè)主應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)警提供依據(jù)。