水利枢纽工程上游围堰渗流及稳定分析

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摘要:大石峡水利枢纽工程上游围堰堰高54m，覆盖层厚约25m，采用基础高压旋喷墙+复合土工膜心墙的防渗形式;围堰土工膜最大挡水水头接近40m，覆盖层采用双排旋喷墙，最大墙深30m。通过渗流及抗滑稳定分析表明，上游围堰渗流量较小，边坡出逸坡降远小于填筑砂砾料的允许渗透坡降，上、下游坡在设计水位和水位骤降工况下均满足规范要求且有一定的裕度;说明上游围堰防渗形式、上下游坡比及填筑料压实指标均是合适的，为后续大坝基坑开挖和填筑工作面正常施工提供了有利条件。图6幅，表2个。

关键词:上游围堰;渗流分析;抗滑稳定;大石峡水利枢纽

1工程概况

大石峡水利枢纽工程位于新疆塔里木河流域阿克苏河源流之一的库玛拉克河上，坝址位于阿克苏地区温宿县与乌什县交界的大石峡峡谷出山口处，距下游已建小石峡水电站11km，距阿克苏市约100km。该工程是《塔里木河流域近期综合治理规划》和《新疆阿克苏河支流库玛拉克河河段水电规划报告》确定的具有灌溉、防洪和发电任务的控制性枢纽工程，已列入国务院批准近期实施的172项重大水利工程建设项目。工程坝址控制流域面积1.27万km2，多年平均径流量48.7亿m3，水库总库容11.7亿m3，拦河坝最大坝高247m。电站装机容量为750MW，多年平均年发电量18.93亿kW•h，工程为Ⅰ等大(1)型工程，大坝为1级建筑物［1］。

2建设条件

2.1气象及水文条件

库玛拉克河流域地处欧亚大陆腹地，远离海洋，周围又有高山阻隔，流域内呈典型的大陆性气候，坝址区多年平均气温11.5℃，1月份平均气温－6.7℃，7月份平均气温24.9℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温－22.0℃，多年平均降水量129.5mm，多年平均蒸发量1706.9mm，多年平均最大风速19m/s。坝址处多年平均流量154.3m3/s。库玛拉克河洪水主要为融冰雪型洪水、冰川阻塞湖溃决型洪水和融冰雪降水混合型洪水，6～9月为汛期，当冰川阻塞湖溃决型洪水与融冰雪洪水和融冰雪降水混合型洪水叠加后，形成库玛拉克河的最大洪水，对工程危害较大。受下游小石峡水电站2012年下闸蓄水高水运行影响，坝址区淤积严重，河床普遍抬高6～9m。

2.2地形地质条件

上游围堰轴线位于河床高趾墩上游约190m，河面宽37.1m，水深约4.7m，河床淤积冲积砂卵砾石层厚度23m左右，由少量漂石及砂卵砾石层组成;颗粒组成以粗粒为主，呈中密状态，局部大颗粒密集部位由架空现象，大于200mm漂石极少，20～200mm卵石平均62.9%，2～20mm砾石平均18.1%，小于2mm细粒平均19%。两岸出露基岩岩性主要为微晶灰岩，左岸岸坡较平整，坡角35°～65°，1492～1520m高程发育宽约50m的Ⅱ级阶地，阶地上部分布厚约20m的崩坡积块碎石层。右岸1520m高程以下为坡角70°左右的基岩陡坎，1500～1510m高程为Ⅱ级阶地，少量覆盖层分布;1530m高程以上为70°左右的基岩陡坎(见图1)。

3围堰设计

3.1设计标准

上游围堰为土石围堰，堰高54m，挡水时间3a。根据规范相关规定［2］，导流标准采用20年一遇洪水重现期，相应流量2266m3/s，导流建筑物级别为4级。

3.2围堰防渗

河床覆盖层主要为少量漂石及砂卵砾石，从防渗平台计算覆盖层厚度约30m左右，考虑高压旋喷的适应性［3_4］，所以覆盖层基础采用高压旋喷墙。另外，由于两岸强风化岩体透水性较强，基岩采用帷幕灌浆进行防渗处理，帷幕深度伸入岩体相对不透水层(透水率＜5Lu)。由于坝址区土料缺乏，而坝址区天然砂砾料和灰岩堆石料储量丰富，所以围堰采用堆石围堰。考虑到围堰堰体挡水高度约40m，土工膜防渗技术经过多年的发展和推广应用［5_7］，其铺设、焊接等施工技术日趋成熟;且土工膜具有渗透系数小、适应堆石体的变形条件好、施工相对简单方便和经济性好的特点，在类似高围堰工程成功应用实例较多;故大石峡围堰采用土工膜心墙作为上游围堰的防渗体。

3.3围堰堰体结构

上游围堰堰顶高程取1539.0m，围堰最大高度54.0m，顶宽为10m。上游坡比为1∶1.65，下游坡比为1∶1.3，顶部长度197m，最大底宽约195m，下游坡脚距离大坝上游开挖线约40m，上游坡脚距离导流洞进口约40m。围堰防渗采用高压旋喷灌浆+土工膜心墙的形式。高压旋喷灌浆施工平台高程1495.00m，旋喷墙深约30m。1495.00m高程以上采用复合土工膜心墙进行防渗，土工膜高度约44m，土工膜上下游侧采用砂砾石垫层进行保护，厚0.7m，垫层下游设置过渡区，厚2.4m。围堰两岸采用帷幕灌浆防渗，灌浆孔间距为3m，孔深7m。截流戗堤位于围堰下游侧。围堰在上下游侧各设置两级2m宽马道，围堰填筑料主要采用导流洞洞渣料和河滩天然砂砾料(见图2)。

4围堰渗流及稳定分析

4.1计算方法

上游围堰坝坡抗滑稳定计算、渗流计算采用河海大学工程力学研究所研制的Autobank分析软件，该软件采用有限元技术，可对土石坝稳定、渗流、应力变形进行分析计算［7_10］。

4.2计算参数

围堰填筑材料主要为取自上游弃渣场的导流洞洞渣料、坝址下游右岸河滩砂砾料，以及部分左岸联合进水口开挖高坡滚落石渣

4.3渗流计算

渗流计算主要计算在设计洪水位下可能形成的稳定渗流情况下的堰体渗流特性，包括浸润线、水力梯度和渗流量等(见图3、图4)。据图3和图4计算成果看出，在设计洪水位1533.46m稳定渗流下，上游围堰堰体最大单宽渗流量为8.61m3/d•m。按堰长190m计算，堰体及堰基总渗流量约为68.2m3/h，渗流量未包含两岸堰肩绕堰渗流量。下游堰脚出逸坡降为0.01，远小于覆盖层砂砾料允许渗透坡降值0.10～0.20，因此不存在发生渗透破坏的可能。

4.4稳定计算

根据Autobank渗流计算成果，将其渗流成果与边坡稳定分析耦合，进行围堰堰体的抗滑稳定分析。根据规范［2］第2.4.15条“围堰结构设计荷载组合应只考虑设计工况，但不考虑地震荷载。”的规定，对围堰进行设计洪水位工况下的边坡稳定计算。同时，考虑到大石峡洪水具有陡涨陡落的特点，增加水位骤降的计算工况，评价围堰的整体稳定性(见图5、图6、表2)。根据表2及图5和图6可知，在设计水位工况和水位骤降工况，上游围堰上下游边坡稳定安全系数均满足规范要求，建在覆盖层上复合土工膜心墙堆石坝围堰边坡是安全的，设计采用的上下游坡比是合适的。

5围堰施工

大石峡水利枢纽工程于2019年11月23日成功截流，上下游围堰随即开始填筑，上游围堰填筑量约47万m3，土工膜防渗面积约6300m2，高压旋喷灌浆面积约3000m2，堰体上游的堆石取自上游弃渣场，下游取自坝址下游河滩砂砾料。至2020年5月，上游围堰堰体填筑至挡水高程1534.5m，已初步具备汛期挡水的基本条件。

6结语

(1)大石峡水利枢纽工程上游围堰形式为复合土工膜心墙堆石坝，基础防渗采用高压旋喷墙，经过平面渗流分析，上游围堰最大单宽流量8.61m3/d，堰体及堰基总渗流量约为68.2m3/h;下游堰脚出逸坡降为0.01，远小于覆盖层砂砾料允许渗透坡降值0.10～0.20;说明目前基础采用高压旋喷墙、堰体采用复合土工膜心墙的防渗形式是合适的。(2)上游围堰上游边坡1∶1.65、下游边坡1∶1.3并设置宽8m的4层下基坑道路，综合坡比1∶1.95。经设计水位和水位骤降工况稳定分析，围堰上下游边坡抗滑稳定安全系数均大于规范规定的允许安全系数，且具有一定的安全裕度;说明目前采用的围堰边坡坡比和压实指标是基本合理的。

参考文献:

［1］新疆大石峡水利枢纽工程主河床截流设计报告［R］．西安:中国电建集团西北勘测设计院有限公司，2019．

［2］SL303—2017，水利水电工程施工组织设计规范［S］．

［3］黄志，韩建东，钟贤五．高压喷射注浆技术在糯扎渡水电站导流洞出口围堰施工中的应用［J］．西北水电，2012(z2):76_78．

［4］王凤安，罗林，刘周岐．乌金峡水电站下游围堰防渗优化设计［J］．西北水电，2008(4):38_41．

［5］甄燕，王凡，吕琦，张博．黄河黄丰水电站右岸复合土工膜砂砾石坝设计［J］．西北水电，2015(2):48_52．

［6］杨俊峰，兰肃．乌东德水电站围堰土工膜质量控制［J］．西北水电，2018(2):62_65．

［7］李燕波．寒冷地区沥青混凝土心墙坝低温施工及跨年度施工技术研究［J］．西北水电，2017(1):40_42．

［8］杨玉川，周顺文，张永清，孔科，王小波．叶巴滩水电站上游围堰稳定与渗流分析［J］．四川水力发电，2019，38(1):52_53，58．

［9］梁现培，蔡建国，王永明，李军，任金明．白鹤滩水电站大坝上游高土石坝围堰设计［J］．水力发电，2018，44(1):46_49．

［10］文志颍，张飞．夹岩水利枢纽工程上游高土石围堰设计［J］．水利水电快报，2019，40(6):15_19．

［11］段军帮，杜永，孙斌，贺智安．黄河上游某水电站上游围堰设计［J］．西北水电，2016(4):50_53．

作者：葛方勇 单位：新疆塔里木河流域大石峡水利枢纽工程建设管理局