黃河黃豐水電站右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩設(shè)計

甄 燕,王 凡,呂 琦,張 博

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

黃河黃豐水電站右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩設(shè)計

甄 燕,王 凡,呂 琦,張 博

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

黃豐水電站工程右岸土石壩采用混凝土防滲墻與復(fù)合土工膜聯(lián)合防滲結(jié)構(gòu)。簡要介紹土石壩上游壩坡防滲體系設(shè)計、壩體整體的滲流計算、穩(wěn)定計算以及復(fù)合土工膜與上下保護層料之間的抗滑穩(wěn)定性分析。經(jīng)計算，壩體整體滲流量相對多年平均流量較小，可忽略不計；上游壩坡采用加糙復(fù)合土工膜或設(shè)置防滑槽形式鋪設(shè)，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

復(fù)合土工膜；防滲體系；穩(wěn)定計算；抗滑措施

1 工程概況

黃豐水電站位于青海省循化縣境內(nèi)的黃河干流上，是黃河上游龍羊峽-劉家峽河段中的第10個梯級。電站位于青海省循化縣街子鎮(zhèn)，上游距蘇只水電站9 km，水庫末端與蘇只水電站尾水銜接；下游距循化縣城5 km，距下游在建的積石峽水電站35 km。壩址距西寧市公路里程159 km。壩址右岸有西(寧)-臨(夏)公路通過，交通條件便利。

黃豐水電站樞紐工程主體由左岸電站廠房、開關(guān)站、泄洪閘、右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩等建筑物組成。工程主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧下游少量灌溉、供水等綜合利用效益。電站等別為Ⅲ等中型工程，主要建筑物級別為3級。水庫正常蓄水位1 880.5 m，庫容5 900萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站總裝機容量225 MW，多年平均發(fā)電量8.853億kWh， 5臺貫流式機組，額定水頭16.00 m。

右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩工程以及上游圍堰工程，位于泄洪閘右側(cè)，與泄洪閘右擋墻相接，與混凝土防滲墻聯(lián)合防滲，壩頂長334.80 m。壩體與泄洪閘右邊墻接頭采用擋墻和1道混凝土刺墻連接，擋墻頂部高程為1 883.50 m，側(cè)坡為1∶0.55。

2 壩體剖面設(shè)計

右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩壩段河床覆蓋層厚度4.9～6.0 m，基底巖石為含粉砂質(zhì)泥巖，基巖頂板高程1 854.00～1 858.00 m。土石壩壩基工程地質(zhì)條件較好。河床砂卵礫石層天然密度為2.0～2.1 t/m3，滲透系數(shù)30～50 m/d，壓縮模量30～40 MPa，允許承載力0.5～0.6 MPa，下伏強風(fēng)化巖石滲透系數(shù)10～15 m/d。河床覆蓋層滲透系數(shù)30～50 m/d；Ⅱ級階地砂卵礫石層滲透系數(shù)為20～30 m/d，允許滲透坡降Ip=0.15。

右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩上游壩坡1∶2.2，下游壩坡1∶1.8，壩頂高程1 883.50 m，壩頂寬度8 m，壩基最大寬度123.80 m(包括上游圍堰基礎(chǔ))，最大壩高23.5 m，壩頂上游側(cè)設(shè)防浪墻。壩體上游壩坡布置1道復(fù)合土工膜防滲，并與上游圍堰中的混凝土防滲墻相接。在壩軸線壩上0-028.00 m處布置1道60 cm厚的混凝土防滲墻，防滲墻設(shè)計頂高程為1 870.00 m，防滲墻底部高程為入巖1 m(已深入微透水的弱風(fēng)化巖體中，可滿足工程設(shè)計和防滲要求)，1 870.00 m以上高程由與防滲墻聯(lián)接的復(fù)合土工膜防滲，復(fù)合土工膜頂高程為1 883.00 m。壩體的上下游護坡均采用0.6 m×0.6 m、厚度為0.15 m的混凝土預(yù)制塊護坡。為了降低壩體的填筑量，壩主體均考慮與上游圍堰相結(jié)合。壩體的上游設(shè)置高1.2 m、寬0.2 m的防浪墻，壩頂路面鋪筑0.5 m厚的碎石，路面為結(jié)石路面。為了排除雨水，壩頂面向下游斜2%，壩頂靠下游側(cè)設(shè)1道縱向排水溝，斷面尺寸為20 cm×30 cm。壩下游每隔80 m設(shè)置1條豎向排水溝，斷面尺寸為30 cm×40 cm。壩體剖面見圖1。

圖1 復(fù)合土工膜防滲砂礫石壩壩體剖面圖 單位：高程，m；其它，mm

3 防滲體系的設(shè)計

3.1 復(fù)合土工膜規(guī)格選取及連接方式

當(dāng)前市場上復(fù)合土工膜種類繁多，根據(jù)國內(nèi)外水利工程的應(yīng)用情況來看，土工膜材料主要是聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)2種，從國內(nèi)工程看，大多采用聚乙烯(PE)膜，且防滲效果比較顯著。因此，本工程采用有相對成熟設(shè)計、施工經(jīng)驗的聚乙烯(PE)膜。復(fù)合土工膜厚度的選擇與工程的基礎(chǔ)條件、工作水頭、工作環(huán)境及所選擇的土工膜性能等有直接關(guān)系，本工程根據(jù)前蘇聯(lián)水工科學(xué)研究院推薦的計算公式計算，綜合分析防滲層采用規(guī)格為600 g/0.6 mm/600 g的針刺短線滌綸兩布一膜，滲透系數(shù)≤3.5×10-11cm/s，幅寬均為6 m。

復(fù)合土工膜及土工反濾布焊(接)縫質(zhì)量是土工膜防滲體系的生命線，必須保證100%合格。因此本工程復(fù)合土工膜的連接分2個程序進行，即上、下層無紡織布的縫接，中層HDPE膜的雙縫焊接。無紡織布的縫接用手提縫紉機、尼龍線進行雙道縫接，搭接寬度10 cm；HDPE膜采用焊接工藝連接，焊接工具采用自動調(diào)溫(調(diào)速) XC型土工膜焊接機，并對焊接質(zhì)量采用目測、真空檢測、充氣檢測法進行檢測。

3.2 復(fù)合土工膜防滲體結(jié)構(gòu)層設(shè)計

復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)自上而下依次由混凝土預(yù)制塊護坡、土工反濾布、上保護層、上細砂粒墊層、復(fù)合土工膜、下細砂粒墊層、下保護層組成，詳見圖1。混凝土護板根據(jù)《土石壩的設(shè)計與計算》中半經(jīng)驗公式、波波夫公式、混凝土護板厚度估算公式分別進行計算。經(jīng)綜合分析確定混凝土護板有效厚度不小于15 cm，本工程采用15 cm厚混凝土護板。土工反濾布采用的厚度為0.5 mm，單位面積質(zhì)量為200 g/m2。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及施工的可操作性，上下保護層料采用厚1.5 m含泥量小于3%、不均勻系數(shù)大于1.5、粒徑在2 mm～20 cm級配連續(xù)良好的料。上、下墊層料采用厚度為1 m巖石加工后的中細砂、粒徑在0.075～0.5 mm級配連續(xù)良好的料。

3.3 復(fù)合土工膜周邊建筑物的連接

復(fù)合土工膜與周邊剛性建筑物的連接，也是壩體設(shè)計及施工的重要環(huán)節(jié)。本工程采用機械防滲連接為主，化學(xué)防滲連接為輔的方式。即周邊建筑物基面處理→涂刷底膠→SR材料找平→土工膜夾入上下兩層橡膠止水條中→止水條采用PE膠、KS膠粘接→表面用扁鋼配螺栓固定→SR材料封邊，組成一個封閉防滲體。復(fù)合土工膜預(yù)留100 cm的褶皺量以適應(yīng)壩體的沉陷變形。

4 壩體的滲流計算

壩體采用河海大學(xué)編制的AntoBank6.1程序進行二維滲流計算,并利用經(jīng)驗公式驗算土工膜的滲流量，且考慮因土工膜施工缺陷引起的滲漏量。

4.1 AntoBank6.1程序二維滲流計算

AntoBank6.1程序可以進行穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流計算。計算采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格剖分單元為9 233個，節(jié)點數(shù)4 810個，河床最大剖面有限元網(wǎng)格剖分見圖2。

圖2 壩體滲流計算網(wǎng)格剖分示意圖 單位：m

計算工況：正常蓄水位、設(shè)計洪水、校核洪水、死水位工況以及庫水位驟降工況，壩體河床最大剖面的單寬滲漏量計算結(jié)果見表1。

表1 壩體在各個工況下單寬滲流量、總滲流量以及坡降匯總表

通過計算，由表1知，壩體在5個工況單寬滲流量、總滲流量相對壩址多年平均流量均較小，可忽略不計。

4.2 經(jīng)驗公式計算滲漏量

土工膜屬于非孔隙介質(zhì)，目前，對于土工膜的水力梯度作用下的滲透機理的認識還不完全清楚。為了與孔隙介質(zhì)比較和計算明確，目前絕大多數(shù)學(xué)者沿用達西定律描述在水力梯度作用下液體通過土工膜的滲透規(guī)律。

其計算公式為：

(1)

式中：Qg為土工膜的滲漏量，m3/s；Kg為土工膜的滲透系數(shù)，m/s；i為水力梯度；ΔH為土工膜上、下的水頭差，m；A為土工膜的滲透面積，m2；Tg為土工膜的厚度，m，本工程采用膜厚度為0.6 mm。計算結(jié)果表2。

表2 土工膜滲透引起防滲層的滲漏量計算表

4.3 施工缺陷引起的滲漏量

因土工膜在搬運過程中的損壞、施工機械和工具的刺破、施工焊接時局部焊接不實引起具有一定長度的窄縫、基礎(chǔ)不均勻沉降使土工膜沉降、水壓將土工膜局部刺穿等原因造成的缺陷，且不容易發(fā)現(xiàn)，就會引起的滲漏。根據(jù)《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》，Grioud根據(jù)國外幾個工程實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出，施工缺陷約4 000 m2出現(xiàn)1個。接縫不實形成的缺陷，尺寸的等效孔徑一般為1～3 mm；對于特殊部位(比如：與右擋墻的連接處)可達5 mm；其它一些偶然因素產(chǎn)生的土工膜缺陷的等效直徑為10 mm；

(1) 對土工膜與下層土接觸良好的情況，計算公式如下，計算結(jié)果見表3。

q1=0.21ia0.1Hw0.9ks0.74

(2)

R1=0.26a0.05Hw0.45ks-0.13

(3)

表3 對土工膜與下層土接觸良好情況下的滲漏量表

(2) 對土工膜與下層土接觸不良的情況，計算公式如下，計算結(jié)果見表4。

q2=1.15ia0.1Hw0.9ks0.74

(4)

R2=0.61a0.05Hw0.45ks-0.13

(5)

式中：q為復(fù)合土工膜的單孔缺陷滲漏量，m3/s；i為平均水力梯度；i=1+Hw/[2Hsln(R/r1)]；R為土工膜下面土體滲透區(qū)域的半徑，m；a為缺陷孔的面積,m2；Hw為土工膜上下水頭差，m；ks為土工膜下面土層滲透系數(shù)，1.0×10-4cm/s。計算時，缺陷孔的最大有效直徑取10 mm。

表4 對土工膜與下層土接觸不良情況下的滲漏量表

通過采用河海大學(xué)編制的AntoBank6.1程序進行二維滲流計算、經(jīng)驗公式計算以及考慮土工膜施工缺陷引起的滲漏量的計算， 由表2～4可知，壩體的滲漏量均遠遠小于相對壩址多年平均流量。綜合分析，認為壩體材料及壩基覆蓋層均滿足滲透穩(wěn)定要求。

5 壩坡穩(wěn)定計算

5.1 壩坡整體穩(wěn)定計算

壩坡穩(wěn)定計算采用河海大學(xué)的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)》HH-SLOPE R1.2程序。該分析系統(tǒng)可以進行多種計算方法的壩坡穩(wěn)定計算，本工程采用簡化畢肖普法及瑞典圓弧法分別計算。計算時壩體斷面內(nèi)浸潤線采用滲流計算成果，簡化的計算斷面見圖3，計算結(jié)果見表5。

圖3 壩坡穩(wěn)定計算簡圖 單位：m

表5 土石壩上游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

通過計算可知，上游壩坡穩(wěn)定計算均滿足規(guī)范要求。從計算滑動面看出均為淺表層滑動。為了保證壩坡的整體安全，本工程利用經(jīng)驗公式復(fù)核計算復(fù)合土工膜與上、下墊層等之間的抗滑穩(wěn)定計算。

5.2 土工膜與上、下保護層的穩(wěn)定計算

根據(jù)《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(第二版)》，混凝土預(yù)制塊護坡與保護層透水性良好，水庫水位降落時，浸潤面與庫水位同步下降，則護坡與保護層處于潮濕狀態(tài)，其容重為濕容重，復(fù)合土工膜與保護層接觸面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用公式(6)計算。

混凝土預(yù)制塊護坡與保護層透水性不好，水庫水位降落時，浸潤線不下降，則護坡與保護層處于飽和狀態(tài)，其容重為飽和容重，故滑動力以飽和容重計算。但孔隙水與土工膜間沒有摩擦力，對抗滑不起作用，故抗滑力以濕重計算。復(fù)合土工膜與保護層接觸面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用公式(7)計算。

計算公式：

(6)

(7)

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；γw為保護層料濕容重,21.5 g/cm3；γm為保護層料飽和容重,25.3 g/cm3；α為坡角度,27°。

根據(jù)《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(第二版)》得知：復(fù)合土工膜(HDPE)厚度(<0.58 mm)的摩擦系數(shù)0.53；土工織物與10 mm粗砂、礫石間的摩擦系數(shù)為0.532～0.625，而且隨粗砂、礫石粒徑的增大，摩擦系數(shù)有增大趨勢。根據(jù)地質(zhì)資料，砂卵礫石水下部分穩(wěn)定邊坡為1∶1.75，則f=0.577。因此本計算取f=0.530、0.577、0.600、0.625分別進行計算。計算結(jié)果見表6。

表6 土工膜與保護層料間的抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表

根據(jù)規(guī)范要求，土工膜與保護層間的抗滑穩(wěn)定計算，在正常工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.3；非正常工況下≥1.1；從以上計算結(jié)果表明，采用普通的復(fù)合土工膜或者常規(guī)的鋪設(shè)方式，不能滿足規(guī)范要求，應(yīng)增加抗滑防滑措施。

5.3 增加復(fù)合土工膜抗滑穩(wěn)定的措施

為了滿足復(fù)合土工膜與上下保護層料的穩(wěn)定要求，本工程主要從采用增大復(fù)合土工膜表面摩擦系數(shù)、折線型鋪設(shè)土工膜防滲及在壩體上游壩面設(shè)置抗滑齒槽的形式來滿足穩(wěn)定要求。

比較分析：增加復(fù)合土工膜粗糙度使其摩擦系數(shù)增加到0.7，雖能滿足規(guī)范要求，但本工程復(fù)合土工膜使用量相對較小，單獨生產(chǎn)此規(guī)格的復(fù)合土工膜不太現(xiàn)實，且不經(jīng)濟。采用臺階形、鋸齒形、或折皺形鋪設(shè)土工膜，使其不能形成連續(xù)滑動面，以提高其穩(wěn)定性，無疑提高了施工難度。因此綜合考慮工程造價及工程措施，確定采用在上游壩坡增設(shè)防滑槽的形式解決上游壩坡復(fù)合土工膜與上下保護層料間的滑動問題，經(jīng)計算滿足規(guī)范要求。防滑槽的形式見圖4。

圖4 上游壩坡防滑槽形式圖 單位：m

6 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

黃豐水電站工程右岸復(fù)合土工膜砂礫石壩壩體滲流計算、穩(wěn)定計算均滿足規(guī)范要求，為了更好地跟蹤監(jiān)測壩體的滲流及運行情況，在混凝土防滲墻后的壩基礎(chǔ)面設(shè)置滲壓計，橫河向每隔50 m設(shè)置1個。此外，在砂礫石壩和混凝土擋墻交界線、壩右0+135.00 m以及壩右0+185.00 m薄弱部位設(shè)置3個典型監(jiān)測斷面，每個斷面基礎(chǔ)部位設(shè)置3～5支滲壓計，以便大壩運行期進行滲壓監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析，保證復(fù)合土工膜砂礫石壩的正常運行。

7 結(jié) 語

(1) 復(fù)合土工膜具有防滲性能好、施工工藝簡單、可縮短工期、降低勞動強度、減少工程投資等優(yōu)點，是一種近期被廣泛認可并應(yīng)用的新型防滲材料。結(jié)合本工程的特點，工程采用具有安全、經(jīng)濟、環(huán)保等多種優(yōu)點的高密度復(fù)合土工膜。

(2) 壩體防滲體系的安全與否直接影響著整個樞紐工程整體的安全，因此本工程從復(fù)合土工膜自身的連接及復(fù)合土工膜與周邊剛性建筑物的連接，做了詳細的設(shè)計，保證了壩體防滲體系的封閉性。防滲體結(jié)構(gòu)層的設(shè)計和施工技術(shù)，也降低了施工過程中以及工程正常運行時外界因素對復(fù)合土工膜的損壞程度。

(3) 通過AntoBank6.1程序、HH-SLOPE R1.2程序?qū)误w的滲流及穩(wěn)定性計算表明：壩體的各個工況下運行安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。為了能實時觀測壩體的穩(wěn)定性及滲流情況，在壩體內(nèi)做了監(jiān)測系統(tǒng)，保證壩體的安全，工程的正常運行。

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Design of Sand Gravel Dam with Composite Geomembrane on Right Bank, Huangfeng Hydropower Project

ZHEN Yan, WANG Fan, LYU Qi, ZHANG Bo

(POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

The combined impervious structure of concrete cutoff wall and composite geomembrane is applied in the earthrock fill dam on right bank of Huangfeng Hydropower Project. In the paper, design of the impervious system of the upstream dam slope of the earthrock fill dam, the integrated seepage and stability calculations of the dam body, and analysis on the stability against sliding between the composite geomembrane and both up and down protection layer materials are described. Through calculation, the integrated seepage of the dam body, compared with the average carryover discharge, is lower. It can be ignored. The roughened geomembrance is applied at the upstream dam slope or the geomembrane is laid with trough against sliding. Specification on stability is satisfied.

composite geomembrane; impervious system; stability calculation; measures against sliding

1006—2610(2015)02—0048—05

2014-07-14

甄燕(1985- )，女，內(nèi)蒙寧城縣人，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作.

TV223.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.012