金溝河引水樞紐除險加固工程土工膜斜墻壩方案分析

吳建瑞

（新疆金溝河流域管理局,新疆 塔城 832100）

1 引言

擋水建筑物作為水利樞紐工程的組成部分,其設計方案對工程投資以及工程運行安全影響較大[1-3]。在工程設計階段需要結合實際情況,對壩體的滲流以及壩坡穩定性進行分析計算,確定壩體的安全性。

2 工程概況

金溝河引水樞紐工程是一個以灌溉為主的水利樞紐工程。引水樞紐采用一字型攔河閘式渠首,建筑物由左向右依次布置有3 孔進水閘、2 孔沖沙閘、3 孔泄洪閘,沖沙閘在泄洪閘下游,通過左側90 m 長、8.5 m 寬的平坡沖沙槽連接。樞紐設計洪水流量363.5 m3/s,校核洪水流量559 m3/s,設計引水流量45 m3/s。

3 壩體分區及筑壩材料設計

3.1 壩坡及護坡設計

根據工程經驗、目前施工技術水平和壩坡穩定計算,上壩上、下游壩坡均采用1∶2.25。壩坡采用C25 混凝土面板護坡,板下鋪設濾水無紡布。

下壩上游壩坡采用1∶2.25,下游壩坡采用1∶2。上游護坡采用C25 混凝土面板護坡,防滲土工膜位于護坡板下,采用兩布一膜,膜上膜下分別鋪設5 cm 厚的砂漿墊層和10 cm砂保護層。混凝土面板與地基接觸部位設混凝土齒墻作為護坡板基礎,齒墻下部設置厚0.8 m的C20砼防滲墻深入泥巖內。下游護坡采用0.5 m×0.5 m 預制網格梁護坡。

3.2 壩體分區

（1）上壩

上壩為兩側擋水,外庫為上游,內庫為下游,壩體從上游到下游依次為：現澆混凝土護坡板、濾水無紡布、壩殼、心墻砂保護區、心墻土工膜、下游護坡板下濾水無紡布、現澆混凝土護坡板、下游排水棱體。

其中上下游均采用C25 混凝土護坡板,上游板厚20 cm,下游板厚15 cm,砼板尺寸為4.0 m×4.0 m。坡面設置間距2 m×2 m 的PVC 管排水孔,孔徑150 mm,混凝土強度等級C25F200W6。上下游護坡板下均鋪設一層濾水無紡布,無紡布采用滌綸長絲非制造布,規格為200 g/m2。

上壩壩殼料取料及填筑要求同下壩。

心墻砂保護區厚1m,位于壩體中央,該區砂要求同下壩土工膜下砂保護層。心墻土工膜規格要求同下壩斜墻土工膜。

下游排水棱體中反濾料厚度0.3 m,排水料厚2 m。其中反濾料要求同下壩,排水料采用砂礫料配制,粒徑要求Dmax≤150 mm,Dmin≥5 mm,填筑指標Dr≥0.75。

（2）下壩

壩體從上游到下游依次為：現澆混凝土護坡板、砂漿墊層、兩布一膜、砂保護層、壩殼、下游護坡、下游坡腳排水溝。

1）上游現澆混凝土護坡板

位于上游壩坡面,為現澆混凝土板,厚度20 cm,砼板尺寸為4.0 m×4.0 m。坡面設置間距2 m×2 m 的PVC 管排水孔,孔徑150 mm,混凝土強度等級C25F200W6。

2）砂漿墊層

膜上鋪設5 cm 厚的砂漿墊層,砂漿強度等級為M10,鋪設范圍同土工膜。

3）兩布一膜

位于上游護坡板下,土工膜采用高密度聚乙烯土工膜,膜厚0.5 mm,土工布采用長纖針刺非織造土工布,布重200 g/m2+200 g/m2。

土工膜的厚度根據《土工合成材料工程應用手冊》采用耐水壓力擊破方法計算,并考慮其他因素確定膜厚。

薄膜理論公式：

式中：t為膜的厚度mm；［σ］為薄膜的容許拉應力,kg/cm2；ρ為薄膜承受的水壓力,t/m2；d為與膜接觸的土砂卵石的最大粒徑,mm；E為在設計溫度下膜的彈性模量,kg/cm2。

表1 膜厚度計算結果

考慮壩坡水位起降等不利因素, 土工膜膜厚取值為0.5 mm。

4）砂保護層

膜下鋪設10 cm 厚的砂保護層,粒徑要求小于5 mm,填筑指標Dr≥0.75,鋪設范圍同土工膜。

5）壩殼

位于壩體砂保護層下游,采用C1、C2 料場砂礫料填筑而成,填筑指標Dr≥0.85。其填筑頂高程為823.000 m,砂礫料填筑區上游邊坡為1∶2.25,填筑區下游邊坡為1∶2.0。

6）下游護坡

下游護坡采用0.5 m×0.5 m 預制網格梁護坡。

7）下游坡腳排水溝

坡底布置干砌石排水溝,排水溝底寬0.5 m,坡比1∶2,深0.75 m,由內至外分別為20 cm 砂礫石反濾料,30 cm 厚干砌石。其中反濾料級配要求為D≤20 mm,小于0.075 mm 含量≤5%,填筑指標Dr≥0.75。

3.3 筑壩材料選擇

（1）壩殼料

壩殼料優先選用C2料場開挖料,該料場位于樞紐區內庫,距壩線平均運距僅0～0.1 km,開采方便。該料場巖性為砂卵礫石,粒徑> 200 mm 顆粒含量約2.2%,粒徑200 mm～60 mm顆粒含量約15.2%,粒徑60 mm～20 mm 顆粒含量約27.2%,粒徑20 mm～5 mm 顆粒含量約26.5%,粒徑<5 mm 顆粒含量約28.9%,為卵石混合土,砂礫石層結構松散,磨圓一般,青灰色,分選性好,最大直徑可達30 cm。卵石混合土呈稍濕、松散至稍密狀態,天然密度2. 21 g/cm3,天然含水量2. 1%,干密度2.17 g/cm3。

作為壩殼料,該料場的各項試驗指標均滿足規范要求。壩殼料填筑標準采用相對密度控制,設計壓實標準為：Dr≥0.85。料場壩殼料級配曲線見圖1。

圖1 金溝河引水樞紐擋水壩筑壩材料級配曲線

但是由于C2 料場的勘探儲量只有7.5 萬m3,而擋水壩需要的填筑總量為13.00 萬m3,因此還需要利用C1 料場的砂礫石料。

C1 砂礫石料場位于金溝河渠首管理站下游河床內,從河床內通行時,運距約2.0 km～2.5 km,從伴渠道路通行時有交通橋經過金溝河干渠,運距約2.5 km～3.0 km,巖性為第四系全新統沖洪積砂卵礫石,呈次圓狀,磨圓度較好,分選性較好,級配良好。該料場>150 mm 粒徑含量2.54%,150 mm～80 mm含 量 為6.87%,80 mm～40 mm 含 量 為14.93%,40～20 mm 含量 為18.6%,20～5mm 含 量 為28.68%,5 mm～2.5 mm 含 量 為5.90%,2.5 mm～1.25 mm 含量為4.40%,1.25 mm～0.63 mm 含量為5.91%,0.63 mm～0.315 mm 含 量 為6.53%,0.315 mm～0.16 m含量3.30%,<0.16 mm 含量為1.74%。作為壩殼料,該料場的各項試驗指標均滿足規范要求。壩殼料填筑標準采用相對密度控制,設計壓實標準為：Dr≥0.85。料場壩殼料級配曲線見圖1。

（2）砂保護層料

砂保護層料選用C1 料場砂礫料制備,粒徑為小于5 mm,設計相對密度Dr≥0.75 砂保護層料級配曲線見圖1 中壩殼料5 mm 以下顆粒組級配曲線。

（3）排水棱體排水料

排水棱體排水料選用C1 料場砂礫料制備,最大粒徑150 mm,粒徑小于0.075 mm 的顆粒含量不超過5%。設計相對密度Dr≥0.75。排水料級配曲線見圖1。

（4）排水棱體反濾料

排水棱體反濾料選用C1 料場砂礫料制備, 最大粒徑20 mm, 最小粒徑5 mm,滲透系數k≥10-3cm/s,設計相對密度Dr≥0.75。反濾料級配曲線見圖1。

3.4 層間關系復核

（1）壩殼砂礫石料與反濾料

依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）附錄B,對于被保護土為非粘性土,且不均勻系數CU>8 的被保護土（壩殼砂礫石料CU=40.2）,宜取CU≤5～8 的細粒部分的d85、d15作為計算粒徑。計算取壩殼砂礫石料粒徑小于5 mm 的細粒部分作為被保護土的級配曲線。取反濾料的下包線D15與壩殼砂礫石料的上包線d85,D15/d85≤4～5,則滿足濾土要求；取反濾料的上包線D15 與壩殼砂礫石料的下包線d15,D15/d15≥5,則滿足排水要求。

由于反濾料中粒徑小于0.075 mm 含量≤5%,滲透系數k≥10-3cm/s,因此不會造成阻水現象。

（2）壩殼砂礫石料與砂保護層料

對于被保護土為砂,濾土要求計算取砂的d85,排水要求取砂的d15。取壩殼料的下包線D15與砂的上包線d85,D15/d85≤4～5,則滿足濾土要求；取壩殼料的上包線D15與砂的下包線d15,D15/d15≥5 則滿足排水要求。

由于壩殼料滲透系數k≥10-3cm/s,因此不會造成阻水現象。

（3）反濾料與排水料

對于被保護土為反濾料,濾土要求計算取反濾料的d85,排水要求取反濾料的d15。取排水料的下包線D15與反濾料的上包線d85,D15/d85≤4～5,則滿足濾土要求；取排水料的上包線D15與反濾料的下包線d15,D15/d15≥5 則滿足排水要求。

排水料最大粒徑150 mm,最小粒徑5 mm,根據計算結果繪制出排水料的上下包線,見圖1。

4 壩體滲流穩定計算

4.1 上壩滲流穩定計算

上壩為透水地基上的土工膜心墻防滲壩,計算取三種工況。

正常工況：①內庫正常蓄水位（820.000 m）、外庫校核洪水位（821.830 m）。

非常工況：②上游（外庫）有水,下游（內庫）無水；③上游（外庫）無水,下游（內庫）有水。

（1）計算方法

滲流及滲透穩定計算采用《平面穩定滲流計算程序》（STSE）計算。

（2）計算參數

根據地質資料,滲流及滲透穩定計算選取的計算參數詳見表2。

表2 壩體滲流計算參數 單位：cm/s

表3 滲流計算結果表

（3）計算結果

由以上結果可以看出,正常工況下滲流穩定滿足設計要求；非常工況的兩種工況下,下游水力坡降值均較大,均超過允許值0.38 倍～0.8 倍。因此,在內庫壩坡腳設置了反濾和排水棱體措施,外庫壩坡腳設拋石（下部鋪設濾水無紡布）,滲流穩定可以滿足設計要求。

4.2 下壩滲流穩定計算

下壩為復合土工膜斜墻壩,壩基設置深入基巖的防滲墻。

計算工況：內庫正常蓄水位（820.000 m）,下游（壩后）無水。

（1）計算方法

滲流及滲透穩定計算采用《平面穩定滲流計算程序》（STSE）計算。

（2）計算參數

根據地質資料,滲流及滲透穩定計算選取的計算參數見表2。

（3）計算結果

下壩單位長度總滲流量為2.39 E-05 m3/s,即下壩體每天的滲漏總量為273 m3。

計算得下壩的水力坡降J為0.0017,小于地質提供允許水力坡降 [J允]=0.1,滿足設計要求。

5 壩體穩定計算

（1）計算斷面和計算工況的選取

取大壩最大標準剖面驗算壩體在正常情況及地震情況下,是否具有足夠的穩定性,并求出最小安全系數。

根據《碾壓式土石壩設計規范》,計算大壩標準剖面以下工況的穩定：

正常情況：① 內庫正常蓄水位（820.000 m）、外庫正常引水位（821.050 m）。

非常情況：② 竣工期的壩坡；③ 校核洪水期（內庫無水、外庫水位821.830 m）的壩坡；④ 正常蓄水位穩定滲流期+地震工況下的壩坡。

（2）計算方法

采用中國水利水電科學研究院出版的《土質邊坡穩定分析程序》（STAB2005）進行計算。計算方法采用簡化畢肖普法,地震情況采用擬靜力法,線性指標控制計算。

（3）計算參數

根據壩料實驗指標及工程類比選用計算參數,壩體材料物理學指標見表4。

表4 計算參數表

（4）計算結果

根據上述計算工況,計算結果見表5。從表5 可看出,經計算壩坡抗滑穩定安全系數最小值均大于規范允許值,在各種計算工況下,上壩壩坡、下壩壩坡均是穩定的。

表5 壩坡抗滑穩定計算最小安全系數表

6 結論

（1）結合金溝河引水樞紐的實際情況,對土工膜斜墻壩方案進行分析研究。按照設計方案進行壩體分區,并采用合格的筑壩材料進行大壩填筑。

（2）正常工況下滲流穩定滿足設計要求；非常工況下,下游水力坡降值均超過允許值0.3 倍～0.8 倍。采用在內庫壩坡腳設置反濾和排水棱體措施,外庫壩坡腳設拋石（下部鋪設濾水無紡布）,以保證滲流穩定滿足設計要求。

（3）壩坡抗滑穩定安全系數最小值均大于規范允許值,在各種計算工況下,上壩壩坡、下壩壩坡均是穩定的。