瀑布溝大壩下游量水堰防滲方案可行性分析

裴廣超，冉從勇

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

我國(guó)水力資源豐富，水電在中國(guó)電力發(fā)展戰(zhàn)略中承擔(dān)著相當(dāng)重要的任務(wù)，由于土石壩對(duì)地基條件具有良好的適應(yīng)性，我國(guó)土石壩數(shù)量眾多，滲流問(wèn)題引起的大壩病害與險(xiǎn)情嚴(yán)重危及土石壩的運(yùn)行安全［1-2］。特別是在深厚覆蓋層上建筑高壩的工程，由于覆蓋層深厚、實(shí)施難度等因素，很多工程在修建過(guò)程中并未設(shè)置量水堰。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)大壩運(yùn)行安全提出了更高的要求，增設(shè)大壩下游量水堰以動(dòng)態(tài)觀測(cè)大壩滲控安全勢(shì)在必行。量水堰設(shè)計(jì)需要結(jié)合布置位置、頂高程選擇、基礎(chǔ)防滲方案、下游洪水位及對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響等因素綜合考慮。不同量水堰設(shè)置高程（也就是量水堰以下防滲方案的上下游水頭差）對(duì)相應(yīng)的量水堰下部壩基覆蓋層防滲布置及標(biāo)準(zhǔn)影響較大，同時(shí)下游量水堰的修建往往會(huì)抬高壩體下游水位，對(duì)下游壩坡穩(wěn)定性不利，需在設(shè)置高程上做對(duì)比分析。本文通過(guò)瀑布溝水電站量水堰防滲方案分析，及下游水位抬高對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響，論證量水堰布置可行性及合理性。

1 工程概況

瀑布溝水電站位于四川省漢源縣和甘洛縣境內(nèi)，是大渡河中游控制性水庫(kù)工程。工程具有發(fā)電、梯級(jí)補(bǔ)償、防洪、攔沙等綜合效益。樞紐工程由攔河大壩、泄洪與放空建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及尼日河引水入庫(kù)系統(tǒng)組成。2012年11月工程通過(guò)峻工安全鑒定，2013年1月通過(guò)樞紐工程專項(xiàng)驗(yàn)收。

2020年12月29 日，瀑布溝大壩安全首次定期檢查發(fā)現(xiàn)，心墻壩軸線個(gè)別位置滲壓水位偏高，雖然高滲壓點(diǎn)下游區(qū)域的滲透坡降小于心墻料滲透允許值，但長(zhǎng)期高滲透壓力運(yùn)行存在滲透穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，且壩下游未設(shè)置量水堰，綜合瀑布溝大壩重要性、大壩心墻監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題及安全監(jiān)測(cè)新要求，有必要在大壩下游設(shè)置有防滲要求的量水堰。

2 量水堰防滲方案初擬

2.1 量水堰防滲平面位置擬定

根據(jù)工程壩區(qū)施工階段地質(zhì)條件及現(xiàn)狀地形條件，結(jié)合工程布置及壩腳堆渣等情況進(jìn)行量水堰防滲體系的布置，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

一般情況下，工程大壩下游量水堰布置需結(jié)合下游圍堰防滲體進(jìn)行設(shè)計(jì)，瀑布溝下游圍堰情況特殊，具體為：瀑布溝下游圍堰防滲墻采用懸掛式，壩基覆蓋層深厚，透水性強(qiáng)，施工期下游滲水量較大；在大壩建設(shè)過(guò)程中，因5·12汶川地震提高大壩設(shè)防基巖峰值加速度，大壩下游壓重延長(zhǎng)并抬高，因此下游圍堰埋在壓重體內(nèi)，其防滲墻頂埋深較深；施工過(guò)程中，為提高下游壩坡深層抗滑穩(wěn)定，破壞了圍堰防滲墻，且破壞高程低于壩腳下游水位?；谏鲜鲆蛩兀竟こ塘克叻罎B方案不推薦結(jié)合下游圍堰防滲墻設(shè)計(jì)，擬在下游棄渣平臺(tái)處布置量水堰的防滲體系。

2.2 量水堰防滲布置條件

量水堰位于大渡河與尼日河交匯口上游，直線距離瀑布溝水電站大壩軸線約522 m，該處兩岸山體完整，巖性為澄江期花崗巖，區(qū)內(nèi)巖體多呈弱風(fēng)化～微風(fēng)化，其中兩岸山體風(fēng)化卸荷深度較大，一般為80～100 m，河床底部深度較小，一般約在20～30 m之間。該河段谷床相對(duì)較窄，呈“V”型谷，兩岸基巖裸露，自然邊坡坡度40°～50°。河床覆蓋層最大勘探厚度66.55 m，自下而上由②卵礫石層（Q14-1）、③含漂卵石層（）和④漂（塊）卵石層（Q24）三大層組成，覆蓋層及巖體物理力學(xué)性指標(biāo)見(jiàn)表1～2。

表1 量水堰工程巖體物理力學(xué)性指標(biāo)建議值

表2 量水堰覆蓋層物理力學(xué)性指標(biāo)建議

水文地質(zhì)試驗(yàn)成果表明，河床覆蓋層滲透系數(shù)一般為60～90 m/d，局部架空結(jié)構(gòu)部位可達(dá)140～540 m/d。故河床覆蓋層具強(qiáng)透水性，局部架空結(jié)構(gòu)具極強(qiáng)透水性。

大壩下游水位主要受瀑布溝電站溢洪道泄洪、尼日河匯入的影響，下游尾水出流及泄洪洞泄洪對(duì)大壩下游壩腳的水位影響較小。大壩下游壩腳水位變化較為復(fù)雜，大壩下游、尼日河匯口下游沙洲斷面處不同頻率入庫(kù)洪水下的洪水位成果見(jiàn)表3。

表3 量水堰下游沙洲斷面洪水位計(jì)算方案及水位估算成果

2.3 量水堰防滲頂高程初判

本工程量水堰位于大壩下游壩腳，為大壩建筑物的一部分。考慮大壩下游水位抬高對(duì)下游壩坡抗滑穩(wěn)定不利，故防滲高程不宜過(guò)高；受運(yùn)行期大壩下游水位波動(dòng)大的影響，為保證量水堰大部分時(shí)間能監(jiān)測(cè)到大壩的滲漏量變化，下游洪水標(biāo)準(zhǔn)不宜過(guò)低。根據(jù)瀑布溝近10年溢洪道泄洪情況，2020年共計(jì)運(yùn)行34 d，集中于7—9月，2019年共計(jì)運(yùn)行23 d，集中于7月、9月，2018年共計(jì)運(yùn)行35 d，主要集中于7月。從幾年運(yùn)行情況看，溢洪道平均泄量在1 100～1 200 m3/s。經(jīng)瀑布溝水庫(kù)調(diào)蓄后，2～20年一遇洪水情況下，溢洪道泄洪1 400～3 540 m3/s，下游水位差異大。尼日河50年一遇洪水流量為1 090 m3/s。結(jié)合溢洪道運(yùn)行情況，以及尼日河洪水情況，并考慮瀑布溝滲流量較小，量水堰上下游水位差不宜過(guò)大，大壩運(yùn)行需要盡量降低下游水位，因此量水堰洪水標(biāo)準(zhǔn)按大壩下游斷面2年一遇洪水考慮，故防滲頂高程應(yīng)大于677.29 m（量水堰過(guò)流斷面底高程）。

2.4 防滲方案初擬

瀑布溝量水堰防滲系統(tǒng)由混凝土防滲墻、基巖灌漿帷幕組成。由于枯水期大壩水位較低，基本在672 m左右。目前瀑布溝滲流量較小，要監(jiān)測(cè)大壩小滲流量需考慮封閉防滲斷面，壩基覆蓋層防滲采用全封閉式混凝土防滲墻。結(jié)合瀑布溝兩岸帷幕灌前壓水試驗(yàn)情況，認(rèn)為量水堰兩岸及壩基基巖透水性較強(qiáng)，均為可灌基巖，建議對(duì)大于20 Lu以上區(qū)域灌漿。下游圍堰防滲墻及初擬防滲墻剖面位置見(jiàn)圖1。

圖1 下游圍堰防滲墻及初擬防滲墻剖面位置示意

3 量水堰防滲方案滲流計(jì)算

假定在量水堰修建后不影響大壩總體滲流場(chǎng)的前提下，對(duì)量水堰防滲體系進(jìn)行滲流計(jì)算分析，對(duì)比分析量水堰滲流總量與大壩滲流總量間關(guān)系，從而確定量水堰防滲頂高程最大值，并結(jié)合下游兩年一遇洪水位，明確量水堰防滲頂高程區(qū)間。經(jīng)綜合考慮，盡量減小下游水位抬高對(duì)下游壩坡穩(wěn)定產(chǎn)生的影響，得到量水堰防滲頂推薦高程。

3.1 瀑布溝大壩滲流計(jì)算成果

由于河床覆蓋層滲透性強(qiáng)，瀑布溝大壩采用全封閉防滲墻處理，壩基及兩岸壩肩巖體需進(jìn)行防滲帷幕灌漿處理（透水率不大于3 Lu控制）以減少滲漏量和確保抗?jié)B穩(wěn)定性。正常蓄水位穩(wěn)定滲流期通過(guò)壩體心墻、壩基覆蓋層中防滲帷幕以及基巖的滲漏量見(jiàn)表4。壩軸線全長(zhǎng)540.50 m，則大壩滲漏總量（三維滲流計(jì)算值）為11 771 m3/d。

表4 堆石壩各部位滲漏量計(jì)算成果 單位：m3/（d·m）

3.2 量水堰防滲方案滲流計(jì)算

由2.2節(jié)分析可知，防滲頂高程宜大于677.29 m，根據(jù)大壩滲流計(jì)算成果，瀑布溝滲流量較小，要監(jiān)測(cè)大壩小滲流量需考慮封閉防滲斷面，壩基覆蓋層防滲采用全封閉式混凝土防滲墻，對(duì)基巖大于20 Lu以上區(qū)域灌漿。為對(duì)比不同水位對(duì)滲漏量影響，分別取上游水位677.50 m、678.00 m、679.50 m，下游水位672.00 m進(jìn)行滲流計(jì)算分析。材料參數(shù)取值見(jiàn)表5。

表5 滲流計(jì)算參數(shù)取值

量水堰上游水位677.50 m、678.00m、679.5 m，相應(yīng)下游水位672.00 m。計(jì)算成果對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 滲流計(jì)算成果對(duì)比

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)量水堰上游水位為677.5 m、678.00 m時(shí)，滲漏總量分別約為3 626.1 m3/d，10 251.0 m3/d，小于大壩滲漏總量11 771 m3/d，則量水堰可以監(jiān)測(cè)出部分滲漏量。當(dāng)量水堰上游水位為679.5 m時(shí)，滲漏總量約為14 118.8 m3/d，大于大壩滲漏總量11 771 m3/d，則量水堰可能存在無(wú)法監(jiān)測(cè)滲漏量的情況，量水堰防滲頂高程宜在677.5～678.00 m之間。同時(shí)結(jié)合下游水位抬高對(duì)壩體穩(wěn)定的影響，量水堰防滲頂高程宜取低值，故初步擬定量水堰頂高程為677.50 m。

4 量水堰對(duì)大壩壩坡穩(wěn)定的影響分析

大壩下游壩腳設(shè)置量水堰后，大壩下游壩體內(nèi)部水位抬高，這對(duì)大壩下游抗滑穩(wěn)定不利，因此根據(jù)量水堰設(shè)置高程，對(duì)大壩下游抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核。壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算采用水科院陳祖煜的“土石壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序STAB2008”［3］，該程序計(jì)算方法滿足NB/T 10872—2021《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］有關(guān)規(guī)定。

量水堰防滲墻頂高程為677.5 m，相應(yīng)大壩下游水位由原670.00 m提高到677.50 m，為了分析下游水位抬高后對(duì)瀑布溝礫石土心墻堆石壩下游壩坡穩(wěn)定的影響，根據(jù)前期成果［5］，對(duì)大壩正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇8度地震工況下的下游壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

選取河床中部典型剖面作為計(jì)算剖面。計(jì)算參數(shù)為大壩技施階段相關(guān)參數(shù)，各材料計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表7。

表7 各種計(jì)算工況對(duì)應(yīng)心墻壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

滑裂面位置先用窮舉法，再用最優(yōu)化法進(jìn)行搜索。計(jì)算地震工況時(shí)，垂直地震力分別計(jì)算向上和向下兩個(gè)方向，計(jì)算成果取安全系數(shù)較小的方向（向上）。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8和圖2（下游水位677.50 m）。

圖2 正常蓄水位遇設(shè)計(jì)地震（0.225 g）上下游壩坡危險(xiǎn)滑弧示意

表8 心墻壩穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)（下游壩坡）

下游水位抬高后，用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算圓弧形滑面，下游壩坡穩(wěn)定都能滿足設(shè)計(jì)要求，且安全系數(shù)較規(guī)范規(guī)定值有較大的富裕。用摩根斯頓-普賴斯法計(jì)算沿砂層滑動(dòng)的折線滑動(dòng)面，各工況大壩下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均小于用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算圓弧形滑面的安全系數(shù)，但均能滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)量水堰防滲頂高程為677.50 m時(shí)，大壩下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)能滿足規(guī)范要求，且有一定富裕度，量水堰頂高程設(shè)置是合理的。

5 結(jié) 論

瀑布溝大壩下游量水堰設(shè)計(jì)綜合考慮了布置位置、頂高程選擇、基礎(chǔ)防滲方案、下游洪水位及對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響等因素，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)瀑布溝電站樞紐布置特點(diǎn)、多年溢洪道運(yùn)行情況、下游設(shè)計(jì)洪水成果，確定大壩下游量水堰防滲頂高程應(yīng)大于677.29 m。

（2）壩基覆蓋層防滲采用全封閉式混凝土防滲墻，兩岸及壩基基巖采用帷幕灌漿防滲，基巖灌漿范圍在大于20 Lu以上區(qū)域時(shí)，結(jié)合大壩三維滲流計(jì)算成果、不同水位下滲流計(jì)算成果，當(dāng)量水堰上游水位為677.50 m、678.00 m時(shí)，量水堰可以監(jiān)測(cè)出部分滲漏量；當(dāng)量水堰上游水位為679.5 m時(shí)，量水堰可能存在無(wú)法監(jiān)測(cè)滲漏量的情況，則量水堰防滲頂高程宜在677.5～678.00 m之間；同時(shí)結(jié)合下游水位抬高對(duì)壩體穩(wěn)定的影響，初步擬定量水堰頂高程為677.50 m。

（3）當(dāng)下游水位由原技施階段的670.00m抬高到677.50 m時(shí)，大壩下游水位的抬高對(duì)下游壩坡穩(wěn)定不利，但仍滿足規(guī)范要求。

綜上，瀑布溝大壩下游量水堰設(shè)計(jì)方案能夠滿足動(dòng)態(tài)觀測(cè)大壩滲流量，且能夠滿足大壩下游壩坡穩(wěn)定安全要求，由此，瀑布溝大壩下游量水堰設(shè)計(jì)方案是可行的。