临沂市小埠东橡胶坝加固渗流分析研究

路红英

(山东省临沂市水利勘测设计院 276000)

1 工程概况

临沂市小埠东橡胶坝拦河枢纽工程位于临沂市兰山区小埠东村东的沂河干流上，控制流域面积10287km2，干流长度 227km，河床比降约 1/2000，河道断面宽约1200m。小埠东橡胶坝拦河枢纽于1995年12月开工建设，1997年6月建成蓄水，枢纽工程包括:东、西两岸调节闸各5孔，橡胶坝16节，东引水闸，西引水闸，东、西两岸泵站及桥头堡。

本次研究主要结合橡胶坝坝袋更换，拟实施二期加固工程，在上游采用高压旋喷成墙截渗。研究上游截渗墙对墙后水流及结构物的影响。在工程施工之前，对施工前后的橡胶坝渗流情况进行分析计算，以保证二期加固效果。

结合现场地质勘测资料，按有无截渗墙的情况、上下游水位高低、沙砾石层相对厚度的极端情况进行计算分析。

2 现状渗流分析

2.1 现状水流流向图

从图1可以看出，由于上游没有截渗墙的作用，水流流向自上游向下基本成稳态分布，在靠近上游铺盖处以及橡胶坝基础部位水流方向稍有变化，但不影响整体的水平层流特点。由此得出:在进行基础设计时，对于橡胶坝底板应做好相应的抗冲刷处理。下游盖板的末端应有相对较高的强度。可以做一定的砂砾石垫层，防止上游坝体内部的细颗粒流失。

图1 现状水流流向

2.2 水流云图

由图2可以看出，随着坝体深度的增加，水流流速是逐渐增大的。在上游铺盖附近，可以看到等势面向右凸出，由于水流方向与等势面是垂直的，因此此处水流有向下流动的趋势，一定程度上减缓了水流对上游结构物的冲刷作用，可见上游铺盖的作用还是较为明显的。

图2 水流云

2.3 等势线分布图

图3 主要反映了坝体内部等势线的分布规律以及等势线的数值标签，可以看出整个坝体的等势线分布还是较为均匀的，由数值标签可以看出在二级消力坡处的数值有明显的增大现象。因此，在二级消力坡处需要作一定的溢流处理，以降低此处的水压力，保证结构物的安全使用。

图3 等势线分布

2.4 固定截面流量图

从图4可以看出，自上游到下游，通过固定截面的水流流量越来越大，二级消力坡与一级消力坡之间的水力梯度变化值大于二级消力坡与下游盖板之间的水力梯度变化值，因此前者之间的水流流量变化幅度也大于后者。可见，通过固定截面的水流流量与此界面前后的水力梯度差值成正比关系。

2.5 渗流路径图

从图5可以看出，角砾层中的渗流路径线较为密集，说明水流主要从下部角砾层中溢出，水力坡降主要在角砾层中消散。水流以水平流为主，下游砂层渗流溢出处水流有向上的移动趋势，下游角砾层中水流流向基本上不发生变化。

图4 固定截面流量

图5 渗流路径

2.6 水位线分布图

从图6可见看出，水压力的产生主要是由于上下游水位差的存在，可见水压力主要存在于一级消力池下游部位以及二级消力坡部位。因此在二级消力坡处应作相关的处理。

图6 水位线分布

3 高压旋喷截渗后渗流分析

在高水位有截渗墙的情况下，上游水流流向在截渗墙部位发生偏转，在截渗墙之后水流向下经下部地层向下游补给，坝基内部的渗流对下游的影响明显有所降低。同时，在橡胶坝基础下部突起部位，水流的流向变化也基本以水平层流为主，没有了无截渗墙情况下的流向向上部突变的情况，这样对基础凹面也有很大的保护作用。在二级消力坡部位的水流整体流向也更加平缓，减弱了内部土体对消力坡混凝土盖板的向上的渗流力。

等势面主要集中于截渗墙上部黏土层，下部基岩和截渗墙中，截渗墙上游坝体和下游坝体基本分别处于相同的等势线范围内。截渗墙的存在使上下游的水力坡降主要消散于下部基岩和截渗墙中。对截渗墙下游结构起到很好的保护作用。

有截渗墙情况下，相同截面处的水流流量明显小于没有截渗墙的情况(相差两个数量级)，截渗墙的存在使墙后截面流量明显减小。

流线垂直于等势线，水头分布均匀，平均消耗在坝基地层中，没有局部大水力坡降。截渗墙对于改变土体内部的水流流态效果明显。

水压力在经过截渗墙的作用后在坝址下部区域呈现水平趋势，截渗墙对于降低水压力的作用效果明显，水流对二级消力坡的作用减缓。然而水压力在截渗墙部位的改变量较大，截渗墙、周围土体以及上游铺盖间的连接要求较高，需要在施工中加以注意，防止此部位出现过大的渗透流速。

4 结语

a.上游截渗墙的存在使上下游的水力坡降消散在墙体和基岩中，无截渗墙的工况计算中可以明显看出坝后出渗，而且局部水力坡降较大;而存在截渗墙的工况坝后水力坡降明显减小，坝后渗流量与水力坡降均减小。说明截渗墙对保护坝后坡面变形有明显作用。

b.上下游水位的高差不同对坝体和下游的冲刷会有所不同。水位高时水流对坝体和下游的冲刷作用明显。

c.砂层与角砾层厚度的不同，对渗流计算的结果有明显影响，上述计算只代表几种极端的工况。计算发现，在下层角砾石层较厚的剖面位置坝基较安全，而在砾石层较薄的位置，由于水头消耗在上部砂层中，安全系数相对较低。

d.计算与试验模拟类似，都得到上游水位的上升将导致坝体边坡体内渗流场的变化，进而引起其失稳破坏。上游水位上升过程中坝基内部水位线的位置变化和相应的渗流参数的计算均表明:由于上部砂层的渗透系数小于下部角砾层的渗透系数，角砾层部位的流速、压力水头等渗流流量的变化速度滞后于上部砂层。