兴隆水利枢纽坝基渗流控制研究

朱国胜，张家发，刘小江，李少龙

(1.长江科学院 a. 水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉　430010；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉　430010)



兴隆水利枢纽坝基渗流控制研究

朱国胜1a,1b，张家发1a,1b，刘小江2，李少龙1a,1b

(1.长江科学院 a. 水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉430010；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉430010)

摘要：由于兴隆水利枢纽大坝坝基存在深厚的强透水粉细砂层和砂砾石层，坝基的渗透稳定性及渗漏问题成了需要重点研究的课题。对厂房坝段和泄水闸坝段坝基进行了三维渗流计算分析，着重对比分析了不同渗控措施的效果。结果表明，在设计水位条件下，采用一定的渗控措施可以使坝基粉细砂出逸坡降≤0.30；当考虑下游水位下降时，厂房坝段尾水渠粉细砂出逸坡降将>0.30，泄水闸坝段粉细砂出逸坡降将>0.20，但<0.30，粉细砂的渗透稳定更依赖于反滤保护。

关键词：兴隆水利枢纽；渗流控制；三维渗流计算；渗透系数；出逸坡降

1工程概况

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3 km,下距河口273.7 km，是南水北调中线汉江中下游4项治理工程之一，同时也是汉江中下游水资源综合开发利用的一项重要工程，其作用是壅高水位、增加航深，从而保证汉江两岸农田的灌溉引水，并改善华家湾至兴隆河段的航道条件。

兴隆水利枢纽由拦河水闸、船闸、电站厂房、鱼道、两岸滩地过流段及连接交通桥等建筑物组成，枢纽挡水后最大水头差7 m左右，属平原区水闸枢纽工程，其中拦河水闸为枢纽最主要建筑物，工程等别为I等，工程规模为大(1)型。枢纽正常蓄水位36.2 m，相应库容2.73亿m3，规划灌溉面积21.84万ha，规划航道等级为Ⅲ级，电站装机容量40 MW。枢纽大坝主要坐落在粉细砂层之上，其下为砂砾石层，基岩埋藏较深，防渗系统采用悬挂式防渗墙方案，基础采用搅拌桩方案加固。

2工程地质条件及工程布置

兴隆枢纽的主要建筑物平面布置见图1，泄水闸采用开敞式平底闸型式，共56孔，单孔净宽14.0 m，两侧连接门库段，左、右门库分别与左岸漫滩过流段交通桥、右岸电站厂房相连接。厂房坝段和泄水闸坝段坝址区发育厚层(含泥)粉细砂和砂砾(卵)石层。

图1　主要建筑物平面布置Fig.1　Planar graph of main buildings

泄水闸基础防渗采用40 cm厚的塑性混凝土防渗墙，墙底高程11.60 m，闸基顺水流向设5排搅拌桩格栅，顺坝轴线向格栅间距为4.50～4.95 m，搅拌桩底高程14.60 m，泄水闸典型断面见图2。

图2　泄水闸典型断面Fig.2　Typical section of sluice

电站位于右岸漫滩与河槽的交接部位，泄水闸右侧，沿坝轴线长度112 m。河槽段河床高程为27.97～29.53 m，高漫滩地面高程约37.90 m。电站主厂房建基面处(高程10.20 m)为粉细砂层，距下卧的强透水砂砾(卵)石层顶板平均距离约为6.6 m。电站厂房基础也采用塑性混凝土防渗墙(厚40 cm)与格栅式水泥土搅拌桩相结合的处理方式，水泥土搅拌桩兼起到地基加固和一定的防渗作用。电站厂房典型断面图见图3。

图3　电站厂房典型断面Fig.3　Typical section of powerhouse

3渗流分析

3.1计算方法与模型

渗流计算分析采用长江科学院三维饱和渗流有限元程序(S3D)，其原理参见文献[1-2]，本程序成功应用于三峡工程[3-5]、水布垭大坝[6-7]以及日冕电站[8]等大型工程中。本次研究分2个阶段进行：第1阶段针对厂房坝段和泄水闸坝段分别选取典型断面，进行6个方案的二维渗流计算，然后取厂房坝段和泄水闸坝进行共6个方案的三维渗流计算，重点分析厂房坝段与门库段交界处的渗流状态，通过渗透系数敏感性分析、不同水位组合及不同运行条件下坝基的渗流计算分析，得出坝基渗流分布规律，复核设计条件下坝基的渗透稳定性。在第1阶段工作的基础上，第2阶段以整个枢纽为模型进行13个方案的三维渗流分析，考虑右岸防渗段、右岸船闸、连接段、安装场、厂房、门库段、泄水闸作为一个整体进行三维建模，重点分析厂房坝段坝基和厂房与泄水闸衔接段的渗流状态，考虑多种边界条件和不同的渗控措施，对渗控效果进行分析评价。

限于篇幅，本文仅对第2阶段的计算方案进行介绍。三维模型网格见图4，模型左边界y=-212 m，船闸的左边y=-127 m、右边y=-80 m，安装场左边y=0 m，厂房右边y=112 m，模型右边界y=689 m，顶部边界取坝基高程，底部边界取z=-120 m。模型沿坝轴线方向长900 m，顺水流向长1 000 m。

图4　三维模型网格

3.2计算参数与方案

计算条件为正常运用工况和河床下切不利工况，上游水位取正常蓄水位36.20 m；下游水位取下游最低水位29.05 m；当考虑下游河床下切1.50 m时，下游水位取27.55 m。粉细砂的垂直允许坡降为0.20～0.30[9-10]，本文取0.30。粉砂的水平允许坡降为0.05～0.07，细砂水平允许坡降为0.07～0.10[11]，本文取0.07。各土层的渗透系数按地质勘探取值，计算参数见表1,计算方案见表2。

表1　渗流计算参数

3.3计算成果及分析

3.3.1方案1

本方案考虑了安装场及厂房段上游均有防渗铺盖，宽度为112 m，范围为从进水渠防冲槽至厂房前沿，长约66 m，铺盖范围见图5中阴影所示。各建筑物底的搅拌桩布置及深度均按设计条件考虑。

通过对计算成果分析发现，除厂房坝段外，其它坝段坝后粉细砂的垂直出逸坡降在下游水位为29.05 m的条件下均<0.20，厂房下游一定范围内的渗透坡降最大，因此是比较和论证渗流控制措施的重点区域。表3列出了厂房后5个剖面(y=1，11，56，101，111 m)距离厂房后边缘距分别为0，1.25，2.50，3.75，5.00，7.87，10.74，13.61 m处粉细砂的垂直出逸坡降，厂房中心剖面(y=56 m)渗流等势线见图6，建基面高程(z=9.9 m)剖面渗流等势线见图7，从中可以看出，在厂房尾水渠两侧绕渗较严重。

表2　渗流计算方案

图5　厂房坝段平面图Fig.5　Planar graph of powerhouse segment

从表3的计算结果可以看出，以粉细砂允许坡降上限0.30作为判断依据，不考虑反滤料的保护作用，厂房后缘附近、厂房后13.61 m范围内与门库段交界处粉细砂的出逸坡降均超过0.30(表3中下划线数值部分)，不能满足渗透稳定要求。

3.3.2方案2

在方案1的基础上，考虑尾水渠两侧有深至砂砾石层的搅拌桩，桩底高程为5 m，搅拌桩从厂房后布置到下游防冲槽。表4列出了厂房后关键区域处粉

表3　方案1计算成果

注：带下划线数值>0.30，不能满足渗透稳定要求。

图6　方案1厂房坝段中部剖面渗流等势线Fig.6　Equipotential lines of seepage in the middle ofpowerhouse section (scheme 1)

图7　方案1建基面剖面渗流等势线

细砂的垂直出逸坡降。从计算结果可以看出，在尾水渠两侧增设搅拌桩后，厂房后缘附近粉细砂层的垂直出逸坡降(表4中下划线的数值)超过0.30，仍不能满足稳定要求，但厂房与门库段交界处粉细砂的出逸坡降已降至0.30以下，可见尾水渠两侧增设搅拌桩对防止厂房两侧的绕渗具有较明显的效果。

表4　方案2计算成果

注：带下划线数值>0.30，不能满足渗透稳定要求。

3.3.3方案3

由于方案2厂房后缘粉细砂出逸坡降仍不能满足稳定要求，需要在厂房后采取适当工程措施。在方案2的基础上，考虑在厂房后5 m范围内回填一定厚度的砂砾石强透水层，回填深度为1.5～2.0 m，砂砾石渗透系数取0.1 cm/s。表5列出了厂房后不同位置距厂房不同距离处地表土体的垂直出逸坡降，表中同时列出了与表层砂砾石相接触的粉细砂的垂直坡降(表中对应于每个剖面，上排数值为表层砂砾石垂直坡降，下排数值为与砂砾石相接触的粉细砂的垂直坡降)。

表5　方案3计算成果

注：带下划线数值>0.30，不能满足渗透稳定要求。从表5看出，考虑在厂房后5 m范围内回填一定厚度的砂砾石透水层后，厂房后的垂直出逸坡降均能<0.30，其中表层砂砾石的出逸坡降为0.01左右，但下部与之接触的粉细砂的垂直坡降(表5中的下划线数值)均>0.30，可见粉细砂层的渗透稳定性仍需要依赖上部回填的砂砾石层的反滤保护。

3.3.4方案4

由于方案2厂房后缘附近粉细砂出逸坡降不能满足稳定要求，本方案试图在厂房后采取另一种工程措施，即在方案2的基础上，考虑在厂房后5 m范围内建基面高程处设置厚1 m的混凝土水平防渗层。与本方案类似，西霞院水库电站厂房坝段坝基亦曾采用水平放置的“[”形混凝土防渗墙[12]，并取得了较好的防渗效果。表6列出了厂房后关键区域的垂直出逸坡降，厂房中部剖面(y=56 m)渗流等势线见图8。

表6　方案4计算成果

图8　方案4建基面剖面渗流等势线Fig.8　Equipotential lines of seepage in foundationsection(scheme 4)

从计算结果可以看出，考虑在厂房后5 m范围内建基面高程处设置水平混凝土防渗层、并配合尾水渠两侧的搅拌桩防渗措施后，厂房后的出逸坡降均<0.30，尤其是混凝土防渗层范围内的地表垂直坡降均不超过0.20。

图9为距厂房后0～1.25 m、1.25～2.5 m、2.5～3.75 m、3.75～5 m处混凝土水平防渗层顶面和底面的水平坡降分布情况，其中顶面相应位置处水平坡降分别为0.02，0.06，0.10，0.38，底面相应位置处水平坡降分别为0.02，0.08，0.16，0.35。混凝土水平防渗层顶面和底面局部范围内的粉细砂水平坡降已超过允许坡降，存在局部接触刷，应做好渗流出口的保护，防止细粒料流失。

图9　方案4混凝土水平防渗层水平坡降分布

3.3.5方案5

针对方案2厂房后缘附近粉细砂出逸坡降不能满足稳定要求，本方案在方案2基础上，将上游铺盖适当加宽，分析上游铺盖加宽对渗流场的影响，即将右岸连接坝段80 m宽的范围内设置与厂房进水渠同宽的防渗铺盖。计算结果显示，右岸连接坝段上游增加铺盖后，厂房后缘附近出逸坡降比方案2略有降低，但仍都>0.30，粉细砂层的渗透稳定仍不能满足要求。

3.3.6方案6

在方案4基础上，减少了安装场上游32 m宽铺盖，保留厂房段80 m宽铺盖，增加门库段上游20 m宽铺盖，去掉尾水渠两侧的搅拌桩。计算结果显示，由于厂房后5 m范围内建基面高程处设置了厚1 m的水平混凝土防渗层，厂房后沿5 m范围内的出逸坡降满足要求，但由于没有尾水渠两侧的搅拌桩，泄水闸坝基的绕渗使得厂房与门库交界处局部范围内(厂房后5～10 m范围)的坡降>0.30。

3.3.7方案7

在方案6的基础上，在厂房后靠门库一侧10 m范围内将水平混凝土防渗层延长5 m，希望降低该局部范围内的出逸坡降。计算结果显示，通过局部延长水平混凝土防渗层，渗流出口进一步向后移动，虽然厂房后5～10 m范围的出逸坡降满足要求，但厂房后10～25 m范围的出逸坡降却不能满足要求。而且由于距离厂房后越远，粉细砂的厚度越大，再延长水平混凝土防渗层将大大增加开挖量，可见尾水渠两侧无搅拌桩时，仅靠延长水平防渗层难以达到效果。

3.3.8方案8

在方案6基础上，考虑门库段及挡土墙基础为不透水，门库段下游基础沿坝轴线方向宽度为20 m，顺水流向从厂房后沿至厂房后16.5 m，其底部高程与厂房建基面相同；同时考虑门库段搅拌桩底部至厂房建基面同高程(5 m)范围内用黏土回填，黏土回填顺水流向范围为从防渗墙至厂房后沿，黏土渗透系数取1×10-7cm/s。这样考虑的目的是分析门库段基础对阻止泄水闸基础向厂房基础的绕渗是否有所帮助。

对比方案6的计算结果，本方案考虑门库段下游基础为混凝土不透水结构时，厂房后与门库交界处的出逸坡降有所增大，而且出逸坡降超过0.30的范围也从厂房后5～10 m增大至5～13 m，其原因是门库段基础高程较高，当底部为不透水时，并不能有效阻止泄水闸基础向厂房基础的绕渗，反而使得门库段基础的水头有所雍高，从而使得厂房与门库段交界处的水头雍高，因而坡降有所增加。

3.3.9方案9

由于方案8厂房与门库段交界处局部出逸坡降超出0.30，在方案8基础上，考虑在尾水渠与门库段交界处设置一定长度的搅拌桩，以期减少泄水闸基础的绕渗，从而降低出逸坡降。桩深至砂砾石顶面，长度为顺水流向至厂房后30 m。计算结果表明，厂房后出逸坡降均<0.30。但距厂房后0～1.25 m、1.25～2.5 m、2.5～3.75 m、3.75～5 m处混凝土水平防渗层顶面底面的水平坡降分别为0.02，0.06，0.10，0.38，底面水平坡降分别为0.02，0.08，0.16，0.34，与方案4的结果相近。混凝土水平防渗层顶面和底面局部范围内的粉细砂水平坡降已超过允许坡降，存在局部接触刷的可能性，应做好反滤保护。

3.3.10方案10

本方案的目的是分析上游铺盖对渗流场的影响，在方案9的基础上，去掉厂房坝段进水渠的铺盖，仅保留门库段20 m宽的铺盖。从计算结果看出，本方案与方案9的计算结果差别较小，关键区域粉细砂垂直出逸坡降仍<0.30，厂房进水渠段铺盖有一定的防渗作用。

3.3.11方案11

本方案的目的是进一步分析上游铺盖对渗流场的影响，在方案9的基础上，去掉厂房段和门库段的铺盖，结果表明泄水闸坝段坝后粉细砂最大垂直出逸坡降为0.20。

从计算结果看出，本方案与方案10的计算结果基本无差别，仅泄水闸的出逸坡降略有增大。厂房上游进水渠、安装场上游及门库段有和无防渗铺盖的计算结果差别不大，厂房坝段上游铺盖的防渗作用不明显，其原因是上游库区入渗面积较大，库水主要通过大面积的上游库区入渗，通过强透水砂砾石层渗流到下游，有限的上游铺盖起不到相应的防渗效果。

3.3.12方案12

本方案在方案9的基础上，去掉了厂房段和门库段的铺盖，并设门库段下游基础混凝土结构为透水，分析门库基础透水与否对厂房下游渗流的影响。泄水闸坝段坝后粉细砂最大垂直出逸坡降仍为0.20，对比方案11的计算结果，两者区别不大，这是由于尾水渠与门库交界处设置的搅拌桩起到了防渗作用，使得门库基础透水与不透水对厂房段尾水渠的渗透坡降影响不大。对比方案7与方案8的计算结果，当尾水渠与门库交界处不设置搅拌桩时，门库基础透水与不透水对厂房段尾水渠的渗透坡降的影响是较大的，说明尾水渠与门库交界处设置搅拌桩是非常必要的。

3.3.13方案13

本方案下游水位降低0.50 m，下游水位为28.55 m，其余条件与方案11相同。计算结果表明，泄水闸坝段坝后粉细砂最大垂直出逸坡降达到0.22，厂房后7 m附近出逸坡降达到0.30。

3.3.14方案14

本方案下游水位降低1.00 m，下游水位为28.05 m，其余条件与方案11相同。泄水闸坝段坝后粉细砂最大垂直出逸坡降为0.23，厂房后7 m附近出逸坡降超过0.30，最大值为0.32，超过粉细砂允许坡降，需采取反滤保护措施。

3.3.15方案15

本方案下游水位降低1.50 m，下游水位为27.55 m，其余与方案11相同。泄水闸坝段坝后粉细砂最大垂直出逸坡降为0.24，厂房后7～10 m范围内尾水渠出逸坡降超过0.30，7～30 m范围尾水渠与门库段交界面出逸坡降超过0.30，最大值为0.34，超过粉细砂允许坡降，需采取反滤保护措施。

4结论

通过对不同渗控措施的效果的分析，初步设计阶段地质报告中粉细砂的垂直允许坡降建议值为0.20～0.30，本文以0.30的允许坡降上限值，对渗控措施进行了论证，得到如下主要结论及建议：

(1) 厂房坝段后缘无水平混凝土防渗层时，厂房后缘附近粉细砂垂直出逸坡降>0.30；厂房坝段与门库交界处不设搅拌桩防渗墙时，交界处一定范围内粉细砂垂直出逸坡降>0.30，在无反滤保护时粉细砂渗透稳定性难以得到保证。

(2) 设计水位条件和最低尾水位组合条件下，厂房后5 m范围内建基面高程处设置适当厚度的水平混凝土防渗层，对于降低粉细砂垂直出逸坡降有明显的效果，可以使厂房后缘附近的垂直出逸坡降控制在0.30以下，只是混凝土防渗层下游端部粉细砂层水平接触坡降较高，需采取措施防止接触冲刷的产生。

(3) 尾水渠与门库交界处设置混凝土搅拌桩，对于减小泄水闸基础向厂房基础绕渗的影响有较明显的效果，可以使粉细砂垂直出逸坡降控制在0.30以下。但下游水位下降0.5～1.5 m后，即使采用上述渗控措施，尾水渠局部范围内垂直坡降仍将>0.30，其渗透稳定性将依赖于反滤保护。

(4) 厂房后设置有水平混凝土防渗层、厂房与门库交界处设搅拌桩防渗墙时，厂房、安装场及门库上游在进水渠长度范围内有、无防渗铺盖对厂房后关键区域渗场分布的影响不大。

(5) 泄水闸坝段坝后粉细砂层出逸坡降，在设计水位和最低尾水位组合条件下<0.20，渗透稳定满足要求；当考虑由于河床下切而出现更低下游水位条件时，将超过0.20，但<0.30。

参考文献：

[1]张家发. 土坝饱和与非饱和稳定渗流场的有限元分析[J]. 长江科学院院报，1994，11(3)：41-45,57.

[2]张家发. 三维饱和非饱和稳定非稳定渗流场的有限元模拟[J]. 长江科学院院报，1997，14(3)：35-38.

[3]任大春，吴昌瑜，朱国胜. 三峡二期围堰饱和-非饱和渗流分析[J]. 长江科学院院报，1997，14(2)：44-47，56.

[4]谢红，张家发，龙文九. 三峡大坝基础渗流控制措施效果分析[J]. 长江科学院院报，1998，15(1)：34-38.

[5]谢红，任大春. 三峡船闸高边坡渗流场三维有限元分析[J]. 人民长江，1996，27(3)：6-9.

[6]丁金华，任大春. 泄洪雾化降雨对水布垭大岩淌滑坡地下水分布的影响研究[J]. 长江科学院院报，2009，26(10)：109-113.

[7]张家发，杨启贵，熊泽斌，等. 水布垭面板堆石坝渗流场分析和分区材料允许比降设计指标研究[J]. 长江科学院院报，2008，25(6)：71-76.

[8]朱国胜，张家发，王金龙. 日冕水电站心墙堆石坝坝体渗流场初步分析[J]. 长江科学院院报, 2009，26(10)：95-100.

[9]ZHU Guo-sheng, ZHANG Jia-fa, CUI Hao-dong，etal. Experiment Research on Fine Sand and Filter Material of Xing-long Hydroproject Dam Foundation[J]. Applied Mechanics and Materials，2014,(584-586)：1956-1962.

[10]朱国胜. 汉江兴隆水利枢纽厂房及泄水闸坝段基础渗流控制措施研究[R]. 武汉：长江科学院，2010.

[11]SL265—2001，水闸设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2001.

[12]张俊霞，李莉，朱登峰. 西霞院水库电站厂房坝段三维渗流计算分析[J]. 长江科学院院报，2009，26(10)：67-70.

(编辑：黄玲)

Seepage Control Measures for the Foundationof Xinglong Hydropower Project

ZHU Guo-sheng1,2, ZHANG Jia-fa1,2, LIU Xiao-jiang3, LI Shao-long1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010,China; 2.National Research Center for Dam Safety Technology, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010,China；3.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan430010, China)

Abstract:Due to deep buried silty fine sand and sand gravel layers of strong permeability in the foundation of Xinglong hydropower project, the stability and seepage problem of the dam foundation are of great concern. By means of 3-D seepage analysis for the foundation of powerhouse segment and sluice segment, we compared the effects of different seepage control measures. Results reveal that under design water level condition, the exit gradient of foundation’s fine sand can be controlled less than 0.30 by taking some seepage control measures. When the downstream water level descents, the exit gradient of foundation fine sand will be larger than 0.30 behind the tail channel of powerhouse, and between 0.20 and 0.30 behind the sluice dam. The seepage stability of foundation fine sand is more relied on filter protection.

Key words:Xinglong hydropower project; seepage control; 3-D seepage analysis; coefficient of permeability; exit gradient

中图分类号：TV22

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0145-06

doi:10.11988/ckyyb.201510682016,33(05):145-150，154

作者简介：朱国胜(1972-)，男，湖北荆州人，教授级高级工程师，主要从事水工渗流及地下水环境研究，(电话)027-82927243(电子信箱)aazhuu@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41402213)；中央级公益性科研院所基本科研业务费(CKSF2014055YT，CKSF2014058YT)；中国地质大学教育部长江三峡库区地质灾害研究中心开放性基金(TGRC201403)

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-20