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

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

我國水力資源豐富，水電在中國電力發(fā)展戰(zhàn)略中承擔著相當重要的任務，由于土石壩對地基條件具有良好的適應性，我國土石壩數(shù)量眾多，滲流問題引起的大壩病害與險情嚴重危及土石壩的運行安全［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、實施難度等因素，很多工程在修建過程中并未設置量水堰。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對大壩運行安全提出了更高的要求，增設大壩下游量水堰以動態(tài)觀測大壩滲控安全勢在必行。量水堰設計需要結合布置位置、頂高程選擇、基礎防滲方案、下游洪水位及對壩坡穩(wěn)定的影響等因素綜合考慮。不同量水堰設置高程（也就是量水堰以下防滲方案的上下游水頭差）對相應的量水堰下部壩基覆蓋層防滲布置及標準影響較大，同時下游量水堰的修建往往會抬高壩體下游水位，對下游壩坡穩(wěn)定性不利，需在設置高程上做對比分析。本文通過瀑布溝水電站量水堰防滲方案分析，及下游水位抬高對壩坡穩(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，是大渡河中游控制性水庫工程。工程具有發(fā)電、梯級補償、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)及尼日河引水入庫系統(tǒng)組成。2012年11月工程通過峻工安全鑒定，2013年1月通過樞紐工程專項驗收。

2020年12月29 日，瀑布溝大壩安全首次定期檢查發(fā)現(xiàn)，心墻壩軸線個別位置滲壓水位偏高，雖然高滲壓點下游區(qū)域的滲透坡降小于心墻料滲透允許值，但長期高滲透壓力運行存在滲透穩(wěn)定風險，且壩下游未設置量水堰，綜合瀑布溝大壩重要性、大壩心墻監(jiān)測存在的問題及安全監(jiān)測新要求，有必要在大壩下游設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)施工階段地質條件及現(xiàn)狀地形條件，結合工程布置及壩腳堆渣等情況進行量水堰防滲體系的布置，以達到安全、經(jīng)濟的目的。

一般情況下，工程大壩下游量水堰布置需結合下游圍堰防滲體進行設計，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，施工期下游滲水量較大；在大壩建設過程中，因5·12汶川地震提高大壩設防基巖峰值加速度，大壩下游壓重延長并抬高，因此下游圍堰埋在壓重體內，其防滲墻頂埋深較深；施工過程中，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。基于上述因素，本工程量水堰防滲方案不推薦結合下游圍堰防滲墻設計，擬在下游棄渣平臺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)內巖體多呈弱風化～微風化，其中兩岸山體風化卸荷深度較大，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性指標見表1～2。

表1 量水堰工程巖體物理力學性指標建議值

表2 量水堰覆蓋層物理力學性指標建議

水文地質試驗成果表明，河床覆蓋層滲透系數(shù)一般為60～90 m/d，局部架空結構部位可達140～540 m/d。故河床覆蓋層具強透水性，局部架空結構具極強透水性。

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雜，大壩下游、尼日河匯口下游沙洲斷面處不同頻率入庫洪水下的洪水位成果見表3。

表3 量水堰下游沙洲斷面洪水位計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下游壩坡抗滑穩(wěn)定不利，故防滲高程不宜過高；受運行期大壩下游水位波動大的影響，為保證量水堰大部分時間能監(jiān)測到大壩的滲漏量變化，下游洪水標準不宜過低。根據(jù)瀑布溝近10年溢洪道泄洪情況，2020年共計運行34 d，集中于7—9月，2019年共計運行23 d，集中于7月、9月，2018年共計運行35 d，主要集中于7月。從幾年運行情況看，溢洪道平均泄量在1 100～1 200 m3/s。經(jīng)瀑布溝水庫調蓄后，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。結合溢洪道運行情況，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大，大壩運行需要盡量降低下游水位，因此量水堰洪水標準按大壩下游斷面2年一遇洪水考慮，故防滲頂高程應大于677.29 m（量水堰過流斷面底高程）。

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。結合瀑布溝兩岸帷幕灌前壓水試驗情況，認為量水堰兩岸及壩基基巖透水性較強，均為可灌基巖，建議對大于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算

假定在量水堰修建后不影響大壩總體滲流場的前提下，對量水堰防滲體系進行滲流計算分析，對比分析量水堰滲流總量與大壩滲流總量間關系，從而確定量水堰防滲頂高程最大值，并結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 瀑布溝大壩滲流計算成果

由于河床覆蓋層滲透性強，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)定滲流期通過壩體心墻、壩基覆蓋層中防滲帷幕以及基巖的滲漏量見表4。壩軸線全長540.50 m，則大壩滲漏總量（三維滲流計算值）為11 771 m3/d。

表4 堆石壩各部位滲漏量計算成果 單位：m3/（d·m）

3.2 量水堰防滲方案滲流計算

由2.2節(jié)分析可知，防滲頂高程宜大于677.29 m，根據(jù)大壩滲流計算成果，瀑布溝滲流量較小，要監(jiān)測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，對基巖大于20 Lu以上區(qū)域灌漿。為對比不同水位對滲漏量影響，分別取上游水位677.50 m、678.00 m、679.50 m，下游水位672.00 m進行滲流計算分析。材料參數(shù)取值見表5。

表5 滲流計算參數(shù)取值

量水堰上游水位677.50 m、678.00m、679.5 m，相應下游水位672.00 m。計算成果對比見表6。

表6 滲流計算成果對比

經(jīng)計算，當量水堰上游水位為677.5 m、678.00 m時，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)測出部分滲漏量。當量水堰上游水位為679.5 m時，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法監(jiān)測滲漏量的情況，量水堰防滲頂高程宜在677.5～678.00 m之間。同時結合下游水位抬高對壩體穩(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 量水堰對大壩壩坡穩(wěn)定的影響分析

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

量水堰防滲墻頂高程為677.5 m，相應大壩下游水位由原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)定性進行計算分析。

選取河床中部典型剖面作為計算剖面。計算參數(shù)為大壩技施階段相關參數(shù)，各材料計算指標見表7。

表7 各種計算工況對應心墻壩穩(wěn)定計算參數(shù)

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

壩坡穩(wěn)定計算結果見表8和圖2（下游水位677.50 m）。

圖2 正常蓄水位遇設計地震（0.225 g）上下游壩坡危險滑弧示意

表8 心墻壩穩(wěn)定計算安全系數(shù)（下游壩坡）

下游水位抬高后，用簡化畢肖普法計算圓弧形滑面，下游壩坡穩(wěn)定都能滿足設計要求，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-普賴斯法計算沿砂層滑動的折線滑動面，各工況大壩下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均小于用簡化畢肖普法計算圓弧形滑面的安全系數(shù)，但均能滿足設計要求。

當量水堰防滲頂高程為677.50 m時，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，量水堰頂高程設置是合理的。

5 結 論

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

（1）根據(jù)瀑布溝電站樞紐布置特點、多年溢洪道運行情況、下游設計洪水成果，確定大壩下游量水堰防滲頂高程應大于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，結合大壩三維滲流計算成果、不同水位下滲流計算成果，當量水堰上游水位為677.50 m、678.00 m時，量水堰可以監(jiān)測出部分滲漏量；當量水堰上游水位為679.5 m時，量水堰可能存在無法監(jiān)測滲漏量的情況，則量水堰防滲頂高程宜在677.5～678.00 m之間；同時結合下游水位抬高對壩體穩(wěn)定的影響，初步擬定量水堰頂高程為677.50 m。

（3）當下游水位由原技施階段的670.00m抬高到677.50 m時，大壩下游水位的抬高對下游壩坡穩(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計方案能夠滿足動態(tài)觀測大壩滲流量，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計方案是可行的。