瀑布溝大壩下游量水堰防滲方案可行性分析

裴廣超，冉從勇

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

我國水力資源豐富，水電在中國電力發展戰略中承擔著相當重要的任務，由于土石壩對地基條件具有良好的適應性，我國土石壩數量眾多，滲流問題引起的大壩病害與險情嚴重危及土石壩的運行安全［1-2］。特別是在深厚覆蓋層上建筑高壩的工程，由于覆蓋層深厚、實施難度等因素，很多工程在修建過程中并未設置量水堰。隨著國民經濟的不斷發展，對大壩運行安全提出了更高的要求，增設大壩下游量水堰以動態觀測大壩滲控安全勢在必行。量水堰設計需要結合布置位置、頂高程選擇、基礎防滲方案、下游洪水位及對壩坡穩定的影響等因素綜合考慮。不同量水堰設置高程（也就是量水堰以下防滲方案的上下游水頭差）對相應的量水堰下部壩基覆蓋層防滲布置及標準影響較大，同時下游量水堰的修建往往會抬高壩體下游水位，對下游壩坡穩定性不利，需在設置高程上做對比分析。本文通過瀑布溝水電站量水堰防滲方案分析，及下游水位抬高對壩坡穩定的影響，論證量水堰布置可行性及合理性。

1 工程概況

瀑布溝水電站位于四川省漢源縣和甘洛縣境內，是大渡河中游控制性水庫工程。工程具有發電、梯級補償、防洪、攔沙等綜合效益。樞紐工程由攔河大壩、泄洪與放空建筑物、引水發電系統及尼日河引水入庫系統組成。2012年11月工程通過峻工安全鑒定，2013年1月通過樞紐工程專項驗收。

2020年12月29 日，瀑布溝大壩安全首次定期檢查發現，心墻壩軸線個別位置滲壓水位偏高，雖然高滲壓點下游區域的滲透坡降小于心墻料滲透允許值，但長期高滲透壓力運行存在滲透穩定風險，且壩下游未設置量水堰，綜合瀑布溝大壩重要性、大壩心墻監測存在的問題及安全監測新要求，有必要在大壩下游設置有防滲要求的量水堰。

2 量水堰防滲方案初擬

2.1 量水堰防滲平面位置擬定

根據工程壩區施工階段地質條件及現狀地形條件，結合工程布置及壩腳堆渣等情況進行量水堰防滲體系的布置，以達到安全、經濟的目的。

一般情況下，工程大壩下游量水堰布置需結合下游圍堰防滲體進行設計，瀑布溝下游圍堰情況特殊，具體為：瀑布溝下游圍堰防滲墻采用懸掛式，壩基覆蓋層深厚，透水性強，施工期下游滲水量較大；在大壩建設過程中，因5·12汶川地震提高大壩設防基巖峰值加速度，大壩下游壓重延長并抬高，因此下游圍堰埋在壓重體內，其防滲墻頂埋深較深；施工過程中，為提高下游壩坡深層抗滑穩定，破壞了圍堰防滲墻，且破壞高程低于壩腳下游水位。基于上述因素，本工程量水堰防滲方案不推薦結合下游圍堰防滲墻設計，擬在下游棄渣平臺處布置量水堰的防滲體系。

2.2 量水堰防滲布置條件

量水堰位于大渡河與尼日河交匯口上游，直線距離瀑布溝水電站大壩軸線約522 m，該處兩岸山體完整，巖性為澄江期花崗巖，區內巖體多呈弱風化～微風化，其中兩岸山體風化卸荷深度較大，一般為80～100 m，河床底部深度較小，一般約在20～30 m之間。該河段谷床相對較窄，呈“V”型谷，兩岸基巖裸露，自然邊坡坡度40°～50°。河床覆蓋層最大勘探厚度66.55 m，自下而上由②卵礫石層（Q14-1）、③含漂卵石層（）和④漂（塊）卵石層（Q24）三大層組成，覆蓋層及巖體物理力學性指標見表1～2。

表1 量水堰工程巖體物理力學性指標建議值

表2 量水堰覆蓋層物理力學性指標建議

水文地質試驗成果表明，河床覆蓋層滲透系數一般為60～90 m/d，局部架空結構部位可達140～540 m/d。故河床覆蓋層具強透水性，局部架空結構具極強透水性。

大壩下游水位主要受瀑布溝電站溢洪道泄洪、尼日河匯入的影響，下游尾水出流及泄洪洞泄洪對大壩下游壩腳的水位影響較小。大壩下游壩腳水位變化較為復雜，大壩下游、尼日河匯口下游沙洲斷面處不同頻率入庫洪水下的洪水位成果見表3。

表3 量水堰下游沙洲斷面洪水位計算方案及水位估算成果

2.3 量水堰防滲頂高程初判

本工程量水堰位于大壩下游壩腳，為大壩建筑物的一部分。考慮大壩下游水位抬高對下游壩坡抗滑穩定不利，故防滲高程不宜過高；受運行期大壩下游水位波動大的影響，為保證量水堰大部分時間能監測到大壩的滲漏量變化，下游洪水標準不宜過低。根據瀑布溝近10年溢洪道泄洪情況，2020年共計運行34 d，集中于7—9月，2019年共計運行23 d，集中于7月、9月，2018年共計運行35 d，主要集中于7月。從幾年運行情況看，溢洪道平均泄量在1 100～1 200 m3/s。經瀑布溝水庫調蓄后，2～20年一遇洪水情況下，溢洪道泄洪1 400～3 540 m3/s，下游水位差異大。尼日河50年一遇洪水流量為1 090 m3/s。結合溢洪道運行情況，以及尼日河洪水情況，并考慮瀑布溝滲流量較小，量水堰上下游水位差不宜過大，大壩運行需要盡量降低下游水位，因此量水堰洪水標準按大壩下游斷面2年一遇洪水考慮，故防滲頂高程應大于677.29 m（量水堰過流斷面底高程）。

2.4 防滲方案初擬

瀑布溝量水堰防滲系統由混凝土防滲墻、基巖灌漿帷幕組成。由于枯水期大壩水位較低，基本在672 m左右。目前瀑布溝滲流量較小，要監測大壩小滲流量需考慮封閉防滲斷面，壩基覆蓋層防滲采用全封閉式混凝土防滲墻。結合瀑布溝兩岸帷幕灌前壓水試驗情況，認為量水堰兩岸及壩基基巖透水性較強，均為可灌基巖，建議對大于20 Lu以上區域灌漿。下游圍堰防滲墻及初擬防滲墻剖面位置見圖1。

圖1 下游圍堰防滲墻及初擬防滲墻剖面位置示意

3 量水堰防滲方案滲流計算

假定在量水堰修建后不影響大壩總體滲流場的前提下，對量水堰防滲體系進行滲流計算分析，對比分析量水堰滲流總量與大壩滲流總量間關系，從而確定量水堰防滲頂高程最大值，并結合下游兩年一遇洪水位，明確量水堰防滲頂高程區間。經綜合考慮，盡量減小下游水位抬高對下游壩坡穩定產生的影響，得到量水堰防滲頂推薦高程。

3.1 瀑布溝大壩滲流計算成果

由于河床覆蓋層滲透性強，瀑布溝大壩采用全封閉防滲墻處理，壩基及兩岸壩肩巖體需進行防滲帷幕灌漿處理（透水率不大于3 Lu控制）以減少滲漏量和確保抗滲穩定性。正常蓄水位穩定滲流期通過壩體心墻、壩基覆蓋層中防滲帷幕以及基巖的滲漏量見表4。壩軸線全長540.50 m，則大壩滲漏總量（三維滲流計算值）為11 771 m3/d。

表4 堆石壩各部位滲漏量計算成果 單位：m3/（d·m）

3.2 量水堰防滲方案滲流計算

由2.2節分析可知，防滲頂高程宜大于677.29 m，根據大壩滲流計算成果，瀑布溝滲流量較小，要監測大壩小滲流量需考慮封閉防滲斷面，壩基覆蓋層防滲采用全封閉式混凝土防滲墻，對基巖大于20 Lu以上區域灌漿。為對比不同水位對滲漏量影響，分別取上游水位677.50 m、678.00 m、679.50 m，下游水位672.00 m進行滲流計算分析。材料參數取值見表5。

表5 滲流計算參數取值

量水堰上游水位677.50 m、678.00m、679.5 m，相應下游水位672.00 m。計算成果對比見表6。

表6 滲流計算成果對比

經計算，當量水堰上游水位為677.5 m、678.00 m時，滲漏總量分別約為3 626.1 m3/d，10 251.0 m3/d，小于大壩滲漏總量11 771 m3/d，則量水堰可以監測出部分滲漏量。當量水堰上游水位為679.5 m時，滲漏總量約為14 118.8 m3/d，大于大壩滲漏總量11 771 m3/d，則量水堰可能存在無法監測滲漏量的情況，量水堰防滲頂高程宜在677.5～678.00 m之間。同時結合下游水位抬高對壩體穩定的影響，量水堰防滲頂高程宜取低值，故初步擬定量水堰頂高程為677.50 m。

4 量水堰對大壩壩坡穩定的影響分析

大壩下游壩腳設置量水堰后，大壩下游壩體內部水位抬高，這對大壩下游抗滑穩定不利，因此根據量水堰設置高程，對大壩下游抗滑穩定進行了復核。壩坡穩定復核計算采用水科院陳祖煜的“土石壩邊坡穩定計算程序STAB2008”［3］，該程序計算方法滿足NB/T 10872—2021《碾壓式土石壩設計規范》［4］有關規定。

量水堰防滲墻頂高程為677.5 m，相應大壩下游水位由原670.00 m提高到677.50 m，為了分析下游水位抬高后對瀑布溝礫石土心墻堆石壩下游壩坡穩定的影響，根據前期成果［5］，對大壩正常蓄水位穩定滲流期遇8度地震工況下的下游壩坡穩定性進行計算分析。

選取河床中部典型剖面作為計算剖面。計算參數為大壩技施階段相關參數，各材料計算指標見表7。

表7 各種計算工況對應心墻壩穩定計算參數

滑裂面位置先用窮舉法，再用最優化法進行搜索。計算地震工況時，垂直地震力分別計算向上和向下兩個方向，計算成果取安全系數較小的方向（向上）。

壩坡穩定計算結果見表8和圖2（下游水位677.50 m）。

圖2 正常蓄水位遇設計地震（0.225 g）上下游壩坡危險滑弧示意

表8 心墻壩穩定計算安全系數（下游壩坡）

下游水位抬高后，用簡化畢肖普法計算圓弧形滑面，下游壩坡穩定都能滿足設計要求，且安全系數較規范規定值有較大的富裕。用摩根斯頓-普賴斯法計算沿砂層滑動的折線滑動面，各工況大壩下游壩坡穩定安全系數均小于用簡化畢肖普法計算圓弧形滑面的安全系數，但均能滿足設計要求。

當量水堰防滲頂高程為677.50 m時，大壩下游壩坡穩定安全系數能滿足規范要求，且有一定富裕度，量水堰頂高程設置是合理的。

5 結 論

瀑布溝大壩下游量水堰設計綜合考慮了布置位置、頂高程選擇、基礎防滲方案、下游洪水位及對壩坡穩定的影響等因素，得到如下結論：

（1）根據瀑布溝電站樞紐布置特點、多年溢洪道運行情況、下游設計洪水成果，確定大壩下游量水堰防滲頂高程應大于677.29 m。

（2）壩基覆蓋層防滲采用全封閉式混凝土防滲墻，兩岸及壩基基巖采用帷幕灌漿防滲，基巖灌漿范圍在大于20 Lu以上區域時，結合大壩三維滲流計算成果、不同水位下滲流計算成果，當量水堰上游水位為677.50 m、678.00 m時，量水堰可以監測出部分滲漏量；當量水堰上游水位為679.5 m時，量水堰可能存在無法監測滲漏量的情況，則量水堰防滲頂高程宜在677.5～678.00 m之間；同時結合下游水位抬高對壩體穩定的影響，初步擬定量水堰頂高程為677.50 m。

（3）當下游水位由原技施階段的670.00m抬高到677.50 m時，大壩下游水位的抬高對下游壩坡穩定不利，但仍滿足規范要求。

綜上，瀑布溝大壩下游量水堰設計方案能夠滿足動態觀測大壩滲流量，且能夠滿足大壩下游壩坡穩定安全要求，由此，瀑布溝大壩下游量水堰設計方案是可行的。