黄河黄丰水电站右岸复合土工膜砂砾石坝设计

甄 燕,王 凡,吕 琦,张 博

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

黄河黄丰水电站右岸复合土工膜砂砾石坝设计

甄 燕,王 凡,吕 琦,张 博

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

黄丰水电站工程右岸土石坝采用混凝土防渗墙与复合土工膜联合防渗结构。简要介绍土石坝上游坝坡防渗体系设计、坝体整体的渗流计算、稳定计算以及复合土工膜与上下保护层料之间的抗滑稳定性分析。经计算，坝体整体渗流量相对多年平均流量较小，可忽略不计；上游坝坡采用加糙复合土工膜或设置防滑槽形式铺设，稳定性满足规范要求。

复合土工膜；防渗体系；稳定计算；抗滑措施

1 工程概况

黄丰水电站位于青海省循化县境内的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡-刘家峡河段中的第10个梯级。电站位于青海省循化县街子镇，上游距苏只水电站9 km，水库末端与苏只水电站尾水衔接；下游距循化县城5 km，距下游在建的积石峡水电站35 km。坝址距西宁市公路里程159 km。坝址右岸有西(宁)-临(夏)公路通过，交通条件便利。

黄丰水电站枢纽工程主体由左岸电站厂房、开关站、泄洪闸、右岸复合土工膜砂砾石坝等建筑物组成。工程主要任务是发电，兼顾下游少量灌溉、供水等综合利用效益。电站等别为Ⅲ等中型工程，主要建筑物级别为3级。水库正常蓄水位1 880.5 m，库容5 900万m3，具有日调节性能。电站总装机容量225 MW，多年平均发电量8.853亿kWh， 5台贯流式机组，额定水头16.00 m。

右岸复合土工膜砂砾石坝工程以及上游围堰工程，位于泄洪闸右侧，与泄洪闸右挡墙相接，与混凝土防渗墙联合防渗，坝顶长334.80 m。坝体与泄洪闸右边墙接头采用挡墙和1道混凝土刺墙连接，挡墙顶部高程为1 883.50 m，侧坡为1∶0.55。

2 坝体剖面设计

右岸复合土工膜砂砾石坝坝段河床覆盖层厚度4.9～6.0 m，基底岩石为含粉砂质泥岩，基岩顶板高程1 854.00～1 858.00 m。土石坝坝基工程地质条件较好。河床砂卵砾石层天然密度为2.0～2.1 t/m3，渗透系数30～50 m/d，压缩模量30～40 MPa，允许承载力0.5～0.6 MPa，下伏强风化岩石渗透系数10～15 m/d。河床覆盖层渗透系数30～50 m/d；Ⅱ级阶地砂卵砾石层渗透系数为20～30 m/d，允许渗透坡降Ip=0.15。

右岸复合土工膜砂砾石坝上游坝坡1∶2.2，下游坝坡1∶1.8，坝顶高程1 883.50 m，坝顶宽度8 m，坝基最大宽度123.80 m(包括上游围堰基础)，最大坝高23.5 m，坝顶上游侧设防浪墙。坝体上游坝坡布置1道复合土工膜防渗，并与上游围堰中的混凝土防渗墙相接。在坝轴线坝上0-028.00 m处布置1道60 cm厚的混凝土防渗墙，防渗墙设计顶高程为1 870.00 m，防渗墙底部高程为入岩1 m(已深入微透水的弱风化岩体中，可满足工程设计和防渗要求)，1 870.00 m以上高程由与防渗墙联接的复合土工膜防渗，复合土工膜顶高程为1 883.00 m。坝体的上下游护坡均采用0.6 m×0.6 m、厚度为0.15 m的混凝土预制块护坡。为了降低坝体的填筑量，坝主体均考虑与上游围堰相结合。坝体的上游设置高1.2 m、宽0.2 m的防浪墙，坝顶路面铺筑0.5 m厚的碎石，路面为结石路面。为了排除雨水，坝顶面向下游斜2%，坝顶靠下游侧设1道纵向排水沟，断面尺寸为20 cm×30 cm。坝下游每隔80 m设置1条竖向排水沟，断面尺寸为30 cm×40 cm。坝体剖面见图1。

图1 复合土工膜防渗砂砾石坝坝体剖面图 单位：高程，m；其它，mm

3 防渗体系的设计

3.1 复合土工膜规格选取及连接方式

当前市场上复合土工膜种类繁多，根据国内外水利工程的应用情况来看，土工膜材料主要是聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)2种，从国内工程看，大多采用聚乙烯(PE)膜，且防渗效果比较显著。因此，本工程采用有相对成熟设计、施工经验的聚乙烯(PE)膜。复合土工膜厚度的选择与工程的基础条件、工作水头、工作环境及所选择的土工膜性能等有直接关系，本工程根据前苏联水工科学研究院推荐的计算公式计算，综合分析防渗层采用规格为600 g/0.6 mm/600 g的针刺短线涤纶两布一膜，渗透系数≤3.5×10-11cm/s，幅宽均为6 m。

复合土工膜及土工反滤布焊(接)缝质量是土工膜防渗体系的生命线，必须保证100%合格。因此本工程复合土工膜的连接分2个程序进行，即上、下层无纺织布的缝接，中层HDPE膜的双缝焊接。无纺织布的缝接用手提缝纫机、尼龙线进行双道缝接，搭接宽度10 cm；HDPE膜采用焊接工艺连接，焊接工具采用自动调温(调速) XC型土工膜焊接机，并对焊接质量采用目测、真空检测、充气检测法进行检测。

3.2 复合土工膜防渗体结构层设计

复合土工膜防渗结构自上而下依次由混凝土预制块护坡、土工反滤布、上保护层、上细砂粒垫层、复合土工膜、下细砂粒垫层、下保护层组成，详见图1。混凝土护板根据《土石坝的设计与计算》中半经验公式、波波夫公式、混凝土护板厚度估算公式分别进行计算。经综合分析确定混凝土护板有效厚度不小于15 cm，本工程采用15 cm厚混凝土护板。土工反滤布采用的厚度为0.5 mm，单位面积质量为200 g/m2。根据当地气候条件以及施工的可操作性，上下保护层料采用厚1.5 m含泥量小于3%、不均匀系数大于1.5、粒径在2 mm～20 cm级配连续良好的料。上、下垫层料采用厚度为1 m岩石加工后的中细砂、粒径在0.075～0.5 mm级配连续良好的料。

3.3 复合土工膜周边建筑物的连接

复合土工膜与周边刚性建筑物的连接，也是坝体设计及施工的重要环节。本工程采用机械防渗连接为主，化学防渗连接为辅的方式。即周边建筑物基面处理→涂刷底胶→SR材料找平→土工膜夹入上下两层橡胶止水条中→止水条采用PE胶、KS胶粘接→表面用扁钢配螺栓固定→SR材料封边，组成一个封闭防渗体。复合土工膜预留100 cm的褶皱量以适应坝体的沉陷变形。

4 坝体的渗流计算

坝体采用河海大学编制的AntoBank6.1程序进行二维渗流计算,并利用经验公式验算土工膜的渗流量，且考虑因土工膜施工缺陷引起的渗漏量。

4.1 AntoBank6.1程序二维渗流计算

AntoBank6.1程序可以进行稳定渗流和非稳定渗流计算。计算采用三角形网格，网格剖分单元为9 233个，节点数4 810个，河床最大剖面有限元网格剖分见图2。

图2 坝体渗流计算网格剖分示意图 单位：m

计算工况：正常蓄水位、设计洪水、校核洪水、死水位工况以及库水位骤降工况，坝体河床最大剖面的单宽渗漏量计算结果见表1。

表1 坝体在各个工况下单宽渗流量、总渗流量以及坡降汇总表

通过计算，由表1知，坝体在5个工况单宽渗流量、总渗流量相对坝址多年平均流量均较小，可忽略不计。

4.2 经验公式计算渗漏量

土工膜属于非孔隙介质，目前，对于土工膜的水力梯度作用下的渗透机理的认识还不完全清楚。为了与孔隙介质比较和计算明确，目前绝大多数学者沿用达西定律描述在水力梯度作用下液体通过土工膜的渗透规律。

其计算公式为：

(1)

式中：Qg为土工膜的渗漏量，m3/s；Kg为土工膜的渗透系数，m/s；i为水力梯度；ΔH为土工膜上、下的水头差，m；A为土工膜的渗透面积，m2；Tg为土工膜的厚度，m，本工程采用膜厚度为0.6 mm。计算结果表2。

表2 土工膜渗透引起防渗层的渗漏量计算表

4.3 施工缺陷引起的渗漏量

因土工膜在搬运过程中的损坏、施工机械和工具的刺破、施工焊接时局部焊接不实引起具有一定长度的窄缝、基础不均匀沉降使土工膜沉降、水压将土工膜局部刺穿等原因造成的缺陷，且不容易发现，就会引起的渗漏。根据《土工合成材料工程应用手册》，Grioud根据国外几个工程实测数据的统计分析得出，施工缺陷约4 000 m2出现1个。接缝不实形成的缺陷，尺寸的等效孔径一般为1～3 mm；对于特殊部位(比如：与右挡墙的连接处)可达5 mm；其它一些偶然因素产生的土工膜缺陷的等效直径为10 mm；

(1) 对土工膜与下层土接触良好的情况，计算公式如下，计算结果见表3。

q1=0.21ia0.1Hw0.9ks0.74

(2)

R1=0.26a0.05Hw0.45ks-0.13

(3)

表3 对土工膜与下层土接触良好情况下的渗漏量表

(2) 对土工膜与下层土接触不良的情况，计算公式如下，计算结果见表4。

q2=1.15ia0.1Hw0.9ks0.74

(4)

R2=0.61a0.05Hw0.45ks-0.13

(5)

式中：q为复合土工膜的单孔缺陷渗漏量，m3/s；i为平均水力梯度；i=1+Hw/[2Hsln(R/r1)]；R为土工膜下面土体渗透区域的半径，m；a为缺陷孔的面积,m2；Hw为土工膜上下水头差，m；ks为土工膜下面土层渗透系数，1.0×10-4cm/s。计算时，缺陷孔的最大有效直径取10 mm。

表4 对土工膜与下层土接触不良情况下的渗漏量表

通过采用河海大学编制的AntoBank6.1程序进行二维渗流计算、经验公式计算以及考虑土工膜施工缺陷引起的渗漏量的计算， 由表2～4可知，坝体的渗漏量均远远小于相对坝址多年平均流量。综合分析，认为坝体材料及坝基覆盖层均满足渗透稳定要求。

5 坝坡稳定计算

5.1 坝坡整体稳定计算

坝坡稳定计算采用河海大学的《土石坝边坡稳定分析系统》HH-SLOPE R1.2程序。该分析系统可以进行多种计算方法的坝坡稳定计算，本工程采用简化毕肖普法及瑞典圆弧法分别计算。计算时坝体断面内浸润线采用渗流计算成果，简化的计算断面见图3，计算结果见表5。

图3 坝坡稳定计算简图 单位：m

表5 土石坝上游坝坡稳定计算结果表

通过计算可知，上游坝坡稳定计算均满足规范要求。从计算滑动面看出均为浅表层滑动。为了保证坝坡的整体安全，本工程利用经验公式复核计算复合土工膜与上、下垫层等之间的抗滑稳定计算。

5.2 土工膜与上、下保护层的稳定计算

根据《土工合成材料工程应用手册(第二版)》，混凝土预制块护坡与保护层透水性良好，水库水位降落时，浸润面与库水位同步下降，则护坡与保护层处于潮湿状态，其容重为湿容重，复合土工膜与保护层接触面的抗滑稳定安全系数采用公式(6)计算。

混凝土预制块护坡与保护层透水性不好，水库水位降落时，浸润线不下降，则护坡与保护层处于饱和状态，其容重为饱和容重，故滑动力以饱和容重计算。但孔隙水与土工膜间没有摩擦力，对抗滑不起作用，故抗滑力以湿重计算。复合土工膜与保护层接触面的抗滑稳定安全系数采用公式(7)计算。

计算公式：

(6)

(7)

式中：K为抗滑稳定安全系数；γw为保护层料湿容重,21.5 g/cm3；γm为保护层料饱和容重,25.3 g/cm3；α为坡角度,27°。

根据《土工合成材料工程应用手册(第二版)》得知：复合土工膜(HDPE)厚度(<0.58 mm)的摩擦系数0.53；土工织物与10 mm粗砂、砾石间的摩擦系数为0.532～0.625，而且随粗砂、砾石粒径的增大，摩擦系数有增大趋势。根据地质资料，砂卵砾石水下部分稳定边坡为1∶1.75，则f=0.577。因此本计算取f=0.530、0.577、0.600、0.625分别进行计算。计算结果见表6。

表6 土工膜与保护层料间的抗滑稳定计算结果表

根据规范要求，土工膜与保护层间的抗滑稳定计算，在正常工况下抗滑稳定安全系数≥1.3；非正常工况下≥1.1；从以上计算结果表明，采用普通的复合土工膜或者常规的铺设方式，不能满足规范要求，应增加抗滑防滑措施。

5.3 增加复合土工膜抗滑稳定的措施

为了满足复合土工膜与上下保护层料的稳定要求，本工程主要从采用增大复合土工膜表面摩擦系数、折线型铺设土工膜防渗及在坝体上游坝面设置抗滑齿槽的形式来满足稳定要求。

比较分析：增加复合土工膜粗糙度使其摩擦系数增加到0.7，虽能满足规范要求，但本工程复合土工膜使用量相对较小，单独生产此规格的复合土工膜不太现实，且不经济。采用台阶形、锯齿形、或折皱形铺设土工膜，使其不能形成连续滑动面，以提高其稳定性，无疑提高了施工难度。因此综合考虑工程造价及工程措施，确定采用在上游坝坡增设防滑槽的形式解决上游坝坡复合土工膜与上下保护层料间的滑动问题，经计算满足规范要求。防滑槽的形式见图4。

图4 上游坝坡防滑槽形式图 单位：m

6 监测系统的设计

黄丰水电站工程右岸复合土工膜砂砾石坝坝体渗流计算、稳定计算均满足规范要求，为了更好地跟踪监测坝体的渗流及运行情况，在混凝土防渗墙后的坝基础面设置渗压计，横河向每隔50 m设置1个。此外，在砂砾石坝和混凝土挡墙交界线、坝右0+135.00 m以及坝右0+185.00 m薄弱部位设置3个典型监测断面，每个断面基础部位设置3～5支渗压计，以便大坝运行期进行渗压监测，对监测数据实时分析，保证复合土工膜砂砾石坝的正常运行。

7 结 语

(1) 复合土工膜具有防渗性能好、施工工艺简单、可缩短工期、降低劳动强度、减少工程投资等优点，是一种近期被广泛认可并应用的新型防渗材料。结合本工程的特点，工程采用具有安全、经济、环保等多种优点的高密度复合土工膜。

(2) 坝体防渗体系的安全与否直接影响着整个枢纽工程整体的安全，因此本工程从复合土工膜自身的连接及复合土工膜与周边刚性建筑物的连接，做了详细的设计，保证了坝体防渗体系的封闭性。防渗体结构层的设计和施工技术，也降低了施工过程中以及工程正常运行时外界因素对复合土工膜的损坏程度。

(3) 通过AntoBank6.1程序、HH-SLOPE R1.2程序对坝体的渗流及稳定性计算表明：坝体的各个工况下运行安全系数均满足规范要求。为了能实时观测坝体的稳定性及渗流情况，在坝体内做了监测系统，保证坝体的安全，工程的正常运行。

[1] 《土工合成材料工程应用手册》编写委员会.土工合成材料工程应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.

[2] SL/T 231-98，聚乙烯土工膜防渗工程技术规范[S].北京；中国水利水电出版社,1999.

[3] 顾慰慈.土石坝的设计与计算[M].北京：中国建材工业出版社,2006.

[4] 石广斌,付倩,王军平,董源. 复合土工膜在苏只水电站堆石坝防渗上的应用[J].西北水电，2008，(02)：32-35.

[5] 石广斌,王冬条,费秉宏.苏只堆石坝复合土工膜防渗体系设计[J].中国给排水,2007,(04):12-31.

[6] 张广禹,李振灵.西霞院反调节水库复合土工膜摩擦系数研究[J].华北水利水电学院学报,2007,(01):02-32.

[7] 仵义平,李宜田,崔庆文,李长平. 苏只水电站复合土工膜防渗体施工[J].西北水电，2008，(02)：43-44.

[8] 刘宗仁,张国兰,王登科. 西霞院反调节水库复合土工膜斜墙砂砾石大坝防渗施工技术[J].水利水电科技进展,2009,(06):12-74.

[9] 秦庆红.复合土工膜在青岗峡水电站坝前防渗中的应用[J].西北水电,2012，(22):11-100.

[10] 郑睿,周世峰,李志元,李维矗.HDPE复合土工膜研究及运用于围堰防渗工程分析[C]//北京：第四届中国膜科学与技术报告论文集,2010.

Design of Sand Gravel Dam with Composite Geomembrane on Right Bank, Huangfeng Hydropower Project

ZHEN Yan, WANG Fan, LYU Qi, ZHANG Bo

(POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

The combined impervious structure of concrete cutoff wall and composite geomembrane is applied in the earthrock fill dam on right bank of Huangfeng Hydropower Project. In the paper, design of the impervious system of the upstream dam slope of the earthrock fill dam, the integrated seepage and stability calculations of the dam body, and analysis on the stability against sliding between the composite geomembrane and both up and down protection layer materials are described. Through calculation, the integrated seepage of the dam body, compared with the average carryover discharge, is lower. It can be ignored. The roughened geomembrance is applied at the upstream dam slope or the geomembrane is laid with trough against sliding. Specification on stability is satisfied.

composite geomembrane; impervious system; stability calculation; measures against sliding

1006—2610(2015)02—0048—05

2014-07-14

甄燕(1985- )，女，内蒙宁城县人，工程师，从事水工结构工程设计工作.

TV223.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.012