水利樞紐防滲和消能方案比選探討

溫興良

(浙江省泰順縣農村水利管理中心，浙江 泰順 325500)

水利樞紐工程建設涉及專業眾多。滲流[1-2]、消能[3-4]是兩個較為重要的研究內容。水利工程防滲工作對其效益的發揮甚至水工建筑物結構的安全均有重要的影響[5-6]。消能結構亦是水利樞紐工程的重要組成部分，合理選取消能方式有主要提高消能效果，利于樞紐工程的長期使用，同時也可降低工程投資。結合某水利樞紐工程，對基礎防滲和消能結構進行比選分析。

1 水利樞紐工程區地質概況

該水利工程主要由攔河引水樞紐(土石壩、泄洪建筑物、引水閘)、輸水建筑物(輸水渠道)、前池、等建筑物組成。水庫正常引水位1 550.0 m，校核洪水位1 551.30 m；相應庫容577萬 m3，最大壩高14.5 m。

攔河引水樞紐左岸為近直立陡坎。自然坡度60°～80°，1 564 m高程以下基巖裸露，巖性為粗礫巖夾砂巖及砂質泥巖。巖石強度較低，巖層產狀近水平。強風化層厚1～3 m。礫巖頂部覆蓋厚約10 m左右砂卵礫石層，微膠結。其上為厚20～40 m的洪積、風積低液限含礫粉土。河床主要由現代河床河漫灘組成，地形較平坦。覆蓋層上部主要為厚5～10 m的含漂石砂卵礫石，下部為厚2～100 m的沖積砂卵礫石。右岸主要由Ⅰ、Ⅱ級階地組成，階地面分布居民區及耕地。階地上部覆蓋洪積粉土層，厚度5～10 m。河床段覆蓋層為第四系沖積層，物探揭露最大深度約100 m左右，河床深槽靠近右岸。根據地質調查結果，河床上部為漂卵礫石層，結構密實，滲透系數為2.9×10-2cm/s。中部主要為沖積砂礫石層，大部分已出現膠結現象，但仍為強透水層，透系數為5.0×10-2cm/s。下浮基巖為礫巖，屬于弱透水層。針對本工程砂礫石覆蓋層的特點，本階段滲流控制措施選用土工膜水平鋪蓋、混凝土防滲墻垂直防滲兩種防滲方案進行比選。

2 防滲方案比選

2.1 土工膜水平鋪蓋防滲

不同鋪蓋長度防滲計算結果見表1。從計算結果看，采用水平鋪蓋防滲，壩基滲漏量和滲透比降都隨著鋪蓋長度的增加而減小，水平鋪蓋長度約為8倍水頭，即85 m時，引水樞紐基礎滲漏量為2.74 m3/s，下游出逸比降小于0.1，且略有余度。考慮攔河引水樞紐具有引水、泄洪、沖沙、排漂、排冰等綜合功能，水平鋪蓋防滲長度主河床段取85 m長，右岸防護堤壩段根據擋水水頭變化逐漸變短與右壩肩壩體土工膜連接，以保證基礎滲透穩定。水平防滲主要采用250 g/0.6mm規格的PE復合土工膜。從上至下為砂礫石蓋重、膜上保護層、土工膜、膜下保護層。其中砂礫石蓋重采用1 m厚砂礫石料，膜上、膜下保護層采用0.3 m厚砂礫料。

表1 不同水平鋪蓋長度二維滲流計算主要成果表

2.2 懸掛式混凝土防滲墻垂直防滲

不同垂直截滲深度防滲計算結果見表2。從表2的計算結果中可知，隨著截滲深度增大，壩基的滲漏量以及滲透比降均有不同程度的減小。當垂直截滲深度30 m時，壩基滲漏量減少為3.43 m3/s，此時，出逸比降為0.097<0.1，滲流計算結果已經滿足相關規范要求。懸掛式混凝土防滲墻河床段深度取30 m，右岸防護堤壩段根據擋水水頭變化逐漸變短至右壩肩，右壩肩處防滲墻深度為10 m，以保證基礎滲透穩定。針對工程條件，采用懸掛式槽孔混凝土防滲墻作為垂直防滲型式。防滲墻設計深度為30 m，墻厚0.8 m。考慮減少攔河引水樞紐各建筑物基礎揚壓力，以利于各建筑物抗滑穩定，混凝土防滲墻設置于各建筑物上游側。混凝土防滲墻與發電引水閘、泄洪沖沙閘底板、無閘溢流壩基礎及土工膜斜墻砂礫石壩基礎錨固基座之間設置水平連接板連接，以利于各建筑物的變形。連接板采用長3 m，寬5 m，厚0.5 m的C20、W6混凝土結構，連接板與防滲墻和各建筑物之間各設置1道銅片止水。因攔河引水樞紐各建筑物結構布置需要，各建筑物上游端呈平行錯開狀，防滲線需沿各建筑物前沿折線布置。

表2 不同垂直截滲深度二維滲流計算主要成果表

2.3 防滲型式比選

防滲方案比選見表3。從地形地質條件、施工條件、安全性、投資等4個方面綜合分析，攔河引水樞紐基礎防滲采用土工膜水平鋪蓋方案。

表3 防滲方案比選

3 消能方案比選

工程引水樞紐基礎位于深厚砂卵石覆蓋層，厚度約在15～100 m。其中，上部含有漂石。根據規劃需求，攔河樞紐上下游最大水頭差10.6 m。設計、校核洪水流量分別為4 555 m3/s、6 393 m3/s。設計標準采用50 a一遇。設計工況下消能工末端單寬流量23.07 m3/s，河道抗沖流速約1.4～3.4 m/s。針對引水樞紐低水頭、大流量、深厚覆蓋層的特點，及泄洪建筑物泄洪、沖沙的功能要求，泄洪建筑物(泄洪沖沙閘)消能措施選用底流消能或面流消能兩種消能型式進行比選。

3.1 底流式消能

泄洪沖沙閘消力池設計的影響因素有上下游水位差，過閘單寬流量，閘門開啟孔數、開啟高度等。根據引水樞紐運行工況，按照不同洪水頻率對應洪水流量設計消力池。擬定消能設計工況下，19孔閘門均采用控泄方式泄流。按照底流消能公式計算成果見表4。

表4 消力池水力學計算成果表

3.2 面流式消能

3.3 消能型式比選

消能型式比選見表5。綜合分析，本階段泄洪沖沙閘消能型式采用底流式消能—消力池方案。

表5 消能方案比選

4 結語

以某中型水利樞紐工程為研究對象，分析了其防滲方案和消能方案。選取水平、垂直兩種防滲方案進行比選分析，兩種方案均可適應工程所在地地形地貌特征，且均滿足安全要求，但水平土工膜鋪蓋防滲施工簡便、投資低，為推薦方案。選取底流式消能、面流式消能兩種消能方案進行分析，采用消力池具有施工簡單、投資低、效率高等優勢，為推薦方案。