新疆阜康抽水蓄能電站攔沙壩壩基防滲方式研究

崔博濤 劉小偉 李雙喜

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學， 新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011； 3.新疆哈密抽水蓄能有限公司， 新疆 哈密 839000）

1 工程地質(zhì)概述

新疆阜康抽水蓄能電站下水庫攔沙壩為建在覆蓋層上的土工膜斜墻壩，河床覆蓋層深厚，為沖洪積漂石砂卵礫石層，厚度20m～60m，卵礫石呈次圓狀～次棱角狀，其中漂石、卵礫石含量約80%，粒徑大于20cm 漂石含量約 30%，多為 50cm～100cm，總體以粗顆粒為主，局部存在漂石集中分布和架空現(xiàn)象，無連續(xù)分布的砂層。河床漂石砂卵礫石較密實，承載力和抗變形能力高，清基碾壓后即可做為壩基。但漂石砂卵礫石透水性強，平均滲透系數(shù) 1.35×10-2cm/s，存在滲漏與滲透穩(wěn)定問題，應采取壩基防滲措施，做好防滲處理。漂石砂卵礫石層可能的滲透變形破壞形式為管涌型和過渡型,實際計算的最小臨界坡降為0.44，安全系數(shù)取2，允許坡降為0.22，據(jù)工程類比，建議允許坡降為0.2。

2 計算方法

2.1 計算模型

2.1.1 計算模型坐標系和范圍

根據(jù)滲流分析的一般原則確定計算模型的范圍和邊界。上、下游邊界：上游邊界截取攔沙壩壩軸線以上400m，下游邊界截取攔沙壩壩軸線以下300m；左、右岸邊界：左邊界截取至左壩肩以左150m，右邊界截取至右壩肩以右200m；頂高程取實際地形，底高程截至1665m。利用有限元方法進行數(shù)值模擬計算，本次計算采用“控制斷面超單元有限元網(wǎng)格自動剖分法”進行有限元網(wǎng)格剖分，生成有限元計算信息。三維有限元模型網(wǎng)格如圖2-1 所示，土工膜有限元網(wǎng)格如圖2-2 所示，防滲墻有限元網(wǎng)格如圖2-3 所示。

圖2-1 三維有限元網(wǎng)格圖

圖2-2 土工膜有限元網(wǎng)格圖

圖2-3 防滲墻有限元網(wǎng)格

2.1.2 邊界條件

在穩(wěn)定滲流期，滲流分析的邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界三種：

（1）已知水頭邊界包括壩址區(qū)上下游水位線以下的水庫庫岸和庫底、壩體上游坡和下游坡、河道，以及給定地下水位的截取邊界；

（2）出滲邊界為壩址區(qū)上下游水位線以上的左、右岸山坡面，以及壩體上、下游坡面和壩頂；

（3）不透水邊界包括模型上下游兩側(cè)和左右岸兩側(cè)截取邊界除給定地下水位以外的部分邊界以及模型底面。

2.2 計算參數(shù)和計算工況

2.2.1 計算參數(shù)

（1）壩基巖體滲透參數(shù)，如表2-1 所示。

表2-1 壩基巖體各分層滲透系數(shù)

（2）壩體各料區(qū)滲透參數(shù)，如表2-2 所示。

表2-2 壩體各料區(qū)滲透系數(shù)

2.2.2 計算工況

根據(jù)阜康抽水蓄能電站下水庫工程的實際情況，在防滲墻和土工膜鋪蓋兩種防滲方案下，均采取較危險工況下形成穩(wěn)定滲流情況進行計算，上游水位為校核洪水位為1812.5m，下游水位為下水庫死水位1743m。具體布置方案如表2-3 和表2-4 所示。

表2-3 防滲墻方案三維穩(wěn)定滲流敏感性分析

表2-4 土工膜鋪蓋方案三維穩(wěn)定滲流敏感性分析

2.3 計算結(jié)果分析

各工況下混凝土防滲防滲墻削減水頭百分率如表2-5 所示，兩種防滲方案下壩體和壩基各分區(qū)的最大滲透坡降如表2-6 和表2-7 所示。

表2-5 各工況下混凝土防滲墻削減水頭百分率

由表2-5 可知，在防滲墻深度分別減少10m（工況FSQ-1）、減少20m（工況FSQ-2）以及減少30m（工況FSQ-3）的工況下，削減的水頭分別為18.96m、14.03m、9.38m，分別占總水頭的27.28%、20.19%、13.50%，可見混凝土防滲墻的防滲效果還是比較明顯的。

表2-6 防滲墻方案各材料分區(qū)的最大滲透坡降

表2-7 土工膜鋪蓋方案各材料分區(qū)的最大滲透坡降

由表2-6 可知，在防滲墻深度分別減少10m（FSQ-1）、減少20m（工況FSQ-2）以及減少30m（工況FSQ-3）的工況下，混凝土防滲墻的滲透坡降越來越小，壩坡出逸處的滲透坡降越來越大，當防滲墻深度減少30m（即底高程1775m）時，壩坡出逸處的坡降為0.264，已經(jīng)大于允許滲透坡降0.2，此時壩坡發(fā)生滲透破壞。

由表2-7 可知，在壩前土工膜鋪蓋長度分別為120m（工況TGM-1）、70m（工況TGM-2）、20m（工況TGM-3），即土工膜鋪蓋長度依次減少50m 時，壩基河床覆蓋層以及壩坡出逸處的滲透比降逐漸增大，土工膜鋪蓋的滲透比降逐漸減小，在土工膜鋪設20m 長時，壩坡出逸處的坡降為0.356，大于允許滲透坡降0.2，不滿足滲透穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)論與建議

（1）防滲墻深度減少10m 以及減少20m 對總滲透流量影響不大；防滲墻深度減少30m 時，壩體浸潤面抬高，滲透流量有了明顯增大，防滲墻部分失效或者施工質(zhì)量差會導致流量大幅增加，因此控制混凝土防滲墻的施工質(zhì)量是必要的。

（2）由防滲體敏感性分析可知，采用垂直防滲墻（底高程1765m）或壩前土工膜水平鋪蓋（150m）均可滿足防滲要求。針對阜康下水庫攔沙壩上游兩岸沖溝發(fā)育，地形復雜，土工膜防滲結(jié)構(gòu)復雜；白楊河河道比降大，推移質(zhì)豐富，土工膜防滲系統(tǒng)在洪水沖刷作用下發(fā)生破壞的風險較大；并存在施工工序多、接縫多，施工連接質(zhì)量保證難度大，后期運行維護工作量大等問題，考慮安全運行、檢修維護等因素，推薦使用垂直防滲墻（底高程1765m）的防滲方案。