水利樞紐工程上游圍堰滲流及穩(wěn)定分析

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摘要:大石峽水利樞紐工程上游圍堰堰高54m，覆蓋層厚約25m，采用基礎(chǔ)高壓旋噴墻+復(fù)合土工膜心墻的防滲形式;圍堰土工膜最大擋水水頭接近40m，覆蓋層采用雙排旋噴墻，最大墻深30m。通過滲流及抗滑穩(wěn)定分析表明，上游圍堰滲流量較小，邊坡出逸坡降遠(yuǎn)小于填筑砂礫料的允許滲透坡降，上、下游坡在設(shè)計(jì)水位和水位驟降工況下均滿足規(guī)范要求且有一定的裕度;說明上游圍堰防滲形式、上下游坡比及填筑料壓實(shí)指標(biāo)均是合適的，為后續(xù)大壩基坑開挖和填筑工作面正常施工提供了有利條件。圖6幅，表2個(gè)。

關(guān)鍵詞:上游圍堰;滲流分析;抗滑穩(wěn)定;大石峽水利樞紐

1工程概況

大石峽水利樞紐工程位于新疆塔里木河流域阿克蘇河源流之一的庫瑪拉克河上，壩址位于阿克蘇地區(qū)溫宿縣與烏什縣交界的大石峽峽谷出山口處，距下游已建小石峽水電站11km，距阿克蘇市約100km。該工程是《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》和《新疆阿克蘇河支流庫瑪拉克河河段水電規(guī)劃報(bào)告》確定的具有灌溉、防洪和發(fā)電任務(wù)的控制性樞紐工程，已列入國務(wù)院批準(zhǔn)近期實(shí)施的172項(xiàng)重大水利工程建設(shè)項(xiàng)目。工程壩址控制流域面積1.27萬km2，多年平均徑流量48.7億m3，水庫總庫容11.7億m3，攔河壩最大壩高247m。電站裝機(jī)容量為750MW，多年平均年發(fā)電量18.93億kW•h，工程為Ⅰ等大(1)型工程，大壩為1級(jí)建筑物［1］。

2建設(shè)條件

2.1氣象及水文條件

庫瑪拉克河流域地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，周圍又有高山阻隔，流域內(nèi)呈典型的大陸性氣候，壩址區(qū)多年平均氣溫11.5℃，1月份平均氣溫－6.7℃，7月份平均氣溫24.9℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫－22.0℃，多年平均降水量129.5mm，多年平均蒸發(fā)量1706.9mm，多年平均最大風(fēng)速19m/s。壩址處多年平均流量154.3m3/s。庫瑪拉克河洪水主要為融冰雪型洪水、冰川阻塞湖潰決型洪水和融冰雪降水混合型洪水，6～9月為汛期，當(dāng)冰川阻塞湖潰決型洪水與融冰雪洪水和融冰雪降水混合型洪水疊加后，形成庫瑪拉克河的最大洪水，對(duì)工程危害較大。受下游小石峽水電站2012年下閘蓄水高水運(yùn)行影響，壩址區(qū)淤積嚴(yán)重，河床普遍抬高6～9m。

2.2地形地質(zhì)條件

上游圍堰軸線位于河床高趾墩上游約190m，河面寬37.1m，水深約4.7m，河床淤積沖積砂卵礫石層厚度23m左右，由少量漂石及砂卵礫石層組成;顆粒組成以粗粒為主，呈中密狀態(tài)，局部大顆粒密集部位由架空現(xiàn)象，大于200mm漂石極少，20～200mm卵石平均62.9%，2～20mm礫石平均18.1%，小于2mm細(xì)粒平均19%。兩岸出露基巖巖性主要為微晶灰?guī)r，左岸岸坡較平整，坡角35°～65°，1492～1520m高程發(fā)育寬約50m的Ⅱ級(jí)階地，階地上部分布厚約20m的崩坡積塊碎石層。右岸1520m高程以下為坡角70°左右的基巖陡坎，1500～1510m高程為Ⅱ級(jí)階地，少量覆蓋層分布;1530m高程以上為70°左右的基巖陡坎(見圖1)。

3圍堰設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

上游圍堰為土石圍堰，堰高54m，擋水時(shí)間3a。根據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定［2］，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇洪水重現(xiàn)期，相應(yīng)流量2266m3/s，導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)。

3.2圍堰防滲

河床覆蓋層主要為少量漂石及砂卵礫石，從防滲平臺(tái)計(jì)算覆蓋層厚度約30m左右，考慮高壓旋噴的適應(yīng)性［3_4］，所以覆蓋層基礎(chǔ)采用高壓旋噴墻。另外，由于兩岸強(qiáng)風(fēng)化巖體透水性較強(qiáng)，基巖采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理，帷幕深度伸入巖體相對(duì)不透水層(透水率＜5Lu)。由于壩址區(qū)土料缺乏，而壩址區(qū)天然砂礫料和灰?guī)r堆石料儲(chǔ)量豐富，所以圍堰采用堆石圍堰。考慮到圍堰堰體擋水高度約40m，土工膜防滲技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和推廣應(yīng)用［5_7］，其鋪設(shè)、焊接等施工技術(shù)日趨成熟;且土工膜具有滲透系數(shù)小、適應(yīng)堆石體的變形條件好、施工相對(duì)簡單方便和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，在類似高圍堰工程成功應(yīng)用實(shí)例較多;故大石峽圍堰采用土工膜心墻作為上游圍堰的防滲體。

3.3圍堰堰體結(jié)構(gòu)

上游圍堰堰頂高程取1539.0m，圍堰最大高度54.0m，頂寬為10m。上游坡比為1∶1.65，下游坡比為1∶1.3，頂部長度197m，最大底寬約195m，下游坡腳距離大壩上游開挖線約40m，上游坡腳距離導(dǎo)流洞進(jìn)口約40m。圍堰防滲采用高壓旋噴灌漿+土工膜心墻的形式。高壓旋噴灌漿施工平臺(tái)高程1495.00m，旋噴墻深約30m。1495.00m高程以上采用復(fù)合土工膜心墻進(jìn)行防滲，土工膜高度約44m，土工膜上下游側(cè)采用砂礫石墊層進(jìn)行保護(hù)，厚0.7m，墊層下游設(shè)置過渡區(qū)，厚2.4m。圍堰兩岸采用帷幕灌漿防滲，灌漿孔間距為3m，孔深7m。截流戧堤位于圍堰下游側(cè)。圍堰在上下游側(cè)各設(shè)置兩級(jí)2m寬馬道，圍堰填筑料主要采用導(dǎo)流洞洞渣料和河灘天然砂礫料(見圖2)。

4圍堰滲流及穩(wěn)定分析

4.1計(jì)算方法

上游圍堰壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算、滲流計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的Autobank分析軟件，該軟件采用有限元技術(shù)，可對(duì)土石壩穩(wěn)定、滲流、應(yīng)力變形進(jìn)行分析計(jì)算［7_10］。

4.2計(jì)算參數(shù)

圍堰填筑材料主要為取自上游棄渣場(chǎng)的導(dǎo)流洞洞渣料、壩址下游右岸河灘砂礫料，以及部分左岸聯(lián)合進(jìn)水口開挖高坡滾落石渣

4.3滲流計(jì)算

滲流計(jì)算主要計(jì)算在設(shè)計(jì)洪水位下可能形成的穩(wěn)定滲流情況下的堰體滲流特性，包括浸潤線、水力梯度和滲流量等(見圖3、圖4)。據(jù)圖3和圖4計(jì)算成果看出，在設(shè)計(jì)洪水位1533.46m穩(wěn)定滲流下，上游圍堰堰體最大單寬滲流量為8.61m3/d•m。按堰長190m計(jì)算，堰體及堰基總滲流量約為68.2m3/h，滲流量未包含兩岸堰肩繞堰滲流量。下游堰腳出逸坡降為0.01，遠(yuǎn)小于覆蓋層砂礫料允許滲透坡降值0.10～0.20，因此不存在發(fā)生滲透破壞的可能。

4.4穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)Autobank滲流計(jì)算成果，將其滲流成果與邊坡穩(wěn)定分析耦合，進(jìn)行圍堰堰體的抗滑穩(wěn)定分析。根據(jù)規(guī)范［2］第2.4.15條“圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載組合應(yīng)只考慮設(shè)計(jì)工況，但不考慮地震荷載。”的規(guī)定，對(duì)圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位工況下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算。同時(shí)，考慮到大石峽洪水具有陡漲陡落的特點(diǎn)，增加水位驟降的計(jì)算工況，評(píng)價(jià)圍堰的整體穩(wěn)定性(見圖5、圖6、表2)。根據(jù)表2及圖5和圖6可知，在設(shè)計(jì)水位工況和水位驟降工況，上游圍堰上下游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，建在覆蓋層上復(fù)合土工膜心墻堆石壩圍堰邊坡是安全的，設(shè)計(jì)采用的上下游坡比是合適的。

5圍堰施工

大石峽水利樞紐工程于2019年11月23日成功截流，上下游圍堰隨即開始填筑，上游圍堰填筑量約47萬m3，土工膜防滲面積約6300m2，高壓旋噴灌漿面積約3000m2，堰體上游的堆石取自上游棄渣場(chǎng)，下游取自壩址下游河灘砂礫料。至2020年5月，上游圍堰堰體填筑至擋水高程1534.5m，已初步具備汛期擋水的基本條件。

6結(jié)語

(1)大石峽水利樞紐工程上游圍堰形式為復(fù)合土工膜心墻堆石壩，基礎(chǔ)防滲采用高壓旋噴墻，經(jīng)過平面滲流分析，上游圍堰最大單寬流量8.61m3/d，堰體及堰基總滲流量約為68.2m3/h;下游堰腳出逸坡降為0.01，遠(yuǎn)小于覆蓋層砂礫料允許滲透坡降值0.10～0.20;說明目前基礎(chǔ)采用高壓旋噴墻、堰體采用復(fù)合土工膜心墻的防滲形式是合適的。(2)上游圍堰上游邊坡1∶1.65、下游邊坡1∶1.3并設(shè)置寬8m的4層下基坑道路，綜合坡比1∶1.95。經(jīng)設(shè)計(jì)水位和水位驟降工況穩(wěn)定分析，圍堰上下游邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，且具有一定的安全裕度;說明目前采用的圍堰邊坡坡比和壓實(shí)指標(biāo)是基本合理的。

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作者：葛方勇 單位：新疆塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理局