大坳拦河坝下游连续墙对消能设施的影响分析

周孝平

（广州市流溪河灌区总管理处，广东 广州510980）

大坳拦河坝下游连续墙对消能设施的影响分析

周孝平

（广州市流溪河灌区总管理处，广东 广州510980）

大坳拦河坝为防止下游河床冲刷影响工程安全，在下游消能设施末端设置了地下连续墙。为研究连续墙对消能设施的影响，采用二维有限元剖面渗流程序计算了消力池连接段、消力池、护坦和海漫底板底的扬压力分布，分析了下游地下连续墙深度对消能防冲设施的稳定性的影响。结果表明，海漫末端的地下连续墙以悬挂式为宜。

二维有限元；连续墙；渗流；消能

1 工程概述

大坳拦河坝是广州市流溪河灌区的渠首枢纽工程，始建于1958年8月，工程以灌溉为主，兼顾发电和供水。设计灌溉从化区、花都区和白云区41.4万亩农田。工程枢纽由拦河闸，左、右干渠进水闸以及坝后电站组成，是广州市重要水利工程。

大坳拦河坝工程等别为Ⅱ等，拦河坝总宽237.4m，工程按50年一遇洪水设计，最大过闸流量为2265 m3/s，主要建筑物级别2级，次要建筑物级别3级。

2006年对拦河闸坝消能设施进行了改建，改建后闸室下游消能防冲设施总长72m，包括消力池、护坦、抛石海漫设施。在海漫末端处设置深度6.5m、墙厚0.8m的C25钢筋砼地下连续墙。拦河坝加固剖面如图1所示。

对于水利工程来说，地下渗流处理的基本原则是“上防下排”，即上游加强防渗，下游加强排水，尽可能减少大坝各部分的杨压力。但对于大坳拦河坝，由于近十多年来，下游抽砂的影响，造成河床急剧下降，为了防止河床下降造成大坝消能设施的塌陷和冲刷，设计中考虑在大坝消能设施末端加设一道C25钢筋砼地下连续墙，地下连续墙剖面如图2所示。设置连续墙后，对水利工程的防冲安全起到了一定的作用，但是可能进一步加大消能设施的基底扬压力。为了论证该连续墙对消能设施的影响，我们采用二维有限元剖面程序进行了影响分析研究。

2 分析计算方法

2.1 剖面有限元计算方法及程序

计算分析采用二维有限元剖面渗流程序。该程序考虑了土体性质变换的特点。计算时按照计算模型自动划分单元，计算中按变点、弃单元法自动迭代确定浸润线。

图1 大坳拦河坝加固剖面图

图 2 地下连续墙剖面图

2.2 排水孔的简化模拟

计算时把结构物的混凝土盖板作为一层土层建立在有限元模型中，新设计在消力池连接段、消力池、护坦和海漫各个部分的混凝土盖板上设置有排水孔，计算时把这些排水孔看成承压非完整井群，按照单个井在井群中控制面积算出单井的出水量。按井的实际出水能力换算出由混凝土盖板渗水时盖板相应的当量渗透系数。

（a）排水孔完全通畅：将单个井在实际地质条件下的出水能力换算为单个井对应的盖板板面积出水能力，求出盖板板垂向当量渗透系数，水平向的渗透系数仍取混凝土的渗透系数。

由于是多层地层，所以利用轴对称有限元计算程序先计算出单井（承压非完整井）的流量Q，然后计算盖板的当量渗透系数：

k— 排水孔完全通畅时混凝土盖板的当量渗透系数；

Q—有限元计算得到的一个井（排水孔）的出水量，即是面积为A的混凝土盖板的渗水量；

A— 混凝土盖板的出水面积，以井间距为边长的正方形面积；

— 消力池、护坦、或者海漫的混凝土盖板的厚度；

∆H — 孔内外的水头差。

（b）排水孔部分淤堵：水闸运行一段时间后，排水孔可能被泥沙淤堵，此时计算中仍按不完整井群考虑，但井内增加淤堵物，淤堵物的渗透系数取反滤层的渗透系数,取k′=4.0×10−2cm/s。

总降深：

∆H——井内外水头差，与式1中 相同；

a—为排水孔面积；

按当量渗透系数写出达西定律：

3 计算有限元模型建立

3.1 计算区域、边界条件及单元划分

根据地质报告提供的土层信息，建立有限元模型时从上到下依次取为砾砂层、卵石层、圆砾层和砂岩全风化土。闸室、闸后连接段、消力池连接段、消力池、护坦、海漫等各个结构物按实际尺寸输入计算程序，并根据实际情况给定渗透系数。

为了完整反映整个区域的渗流状况，计算时上游延伸至闸室以上80m，下游延伸至闸室以下200m。计算时水头边界条件主要根据不同的工况分别给定，以计算出不同的水位时盖板下的渗流场。

3.2 参数选取

计算时，地层参数及渗透系数采用广州市水利水电勘测设计研究院《大坳地质报告》提供的数据：砾砂层：k＝4.0×10−3cm/s，卵石层：k＝6.0×10−2cm/s，圆砾：k＝ 1.0×10−2cm/s。

闸室、闸后连接段、消力池连接段、消力池、护坦、海漫等各个结构物分两种情况，没有排水孔的结构物，其渗透系数取混凝土的渗透系数k＝2.0×10−7cm/s；而对于消力池连接段、消力池、护坦和海漫设置有排水孔的结构物，根据排水孔的出水量，把消力池、护坦和海漫的混凝土盖板换算成具有一定透水性的土层，其垂直当量渗透系数参见表1和表2。上游防渗墙渗透系数k＝2.0×10−6cm/s。

由（1）式可以计算出排水孔完全通畅时盖板在不同的排水孔直径及间距下的垂直当量渗透系数如表1所示。

表1 垂直当量渗透系数计算表

计算出淤堵时各段的垂直当量渗透系数如2所示。

表2 淤堵时盖板垂直当量渗透系数计算表

4 地下连续墙对消能设施的影响计算分析

用二维有限元剖面渗流程序计算各工况下消力池连接段、消力池、护坦和海漫底板底的扬压力分布，对大坝下游地下连续墙深度对消力池各部分扬压力分布的影响进行分析。

4.1 计算工况介绍

消力池连接段底部扬压力的计算采用剖面渗流程序来完成，上部水压力按发生水跃后的水面线计算。工况采用大坳拦河坝的实际运行时危险工况来分析，具体描述参见表3。上游防渗墙的渗透系数取k＝2.0×10−4cm/s。消力池连接段、消力池、护坦和海漫底板的排水孔全部淤堵。

表3 工况描述

4.2 计算分析

根据上述工况，计算出各种工况下消力池连接段、消力池、护坦和海漫底板底的扬压力分布。

4.2.1 工况1计算

（1）工况：上游水位24.69m，下游21.9m，流量Q=784.69m3/s。各段排水孔均淤堵，防渗墙将下方透水层截死。计算得到整个剖面的渗流场以及消力池连接段、消力池和护坦底的水头如图3所示。

（2）根据程序计算的结果，得到一些关键点的渗压值（程序计算时以水闸中心线为坐标原点，向下游为x坐标的正方向）。现将工况1程序计算结果中的一些关键点的渗压值列于表4中。

4.2.2 工况2计算

（1）工况：上游水位24.69m，下游21.9m，流量Q=784.69m3/s。各段排水孔均淤堵，防渗墙为现在的实际深度。计算得到整个剖面的渗流场以及消力池连接段、消力池和护坦底的水头如图4所示。

图3 水闸剖面渗流场及消力池连接段、消力池、护坦及海漫底部水头

表4 工况1各关键点渗压值

（2）根据程序计算的结果，得到一些关键点的渗压值（程序计算时以水闸中心线为坐标原点，向下游为x坐标的正方向）。现将工况1程序计算结果中的一些关键点的渗压值列于表5中。

4.2.3 消力池、护坦和海漫受力计算

各工况下消力池连接段、消力池、护坦和海漫底板底扬压力水头分布图如图5所示。消力池、护坦和海漫受力计算见表6。

由此表可知，在工况1下，消力池、护坦和海漫将会破坏，而在工况2下，消力池、护坦和海漫是安全的。即在上游防渗墙破损和消力池连接段、消力池、护坦和海漫底板的排水孔全部淤堵的最不利情况下，目前的海漫末端的悬挂式地下连续墙并不影响工程安全。

表5 工况2各关键点渗压值

表6 消力池、护坦和海漫受力计算表

5 结论

1）大坝下游加建地下连续墙作为防止河床冲刷坑向工程区域发展起到很好的作用，能够有效

图4 水闸剖面渗流场及消力池连接段、消力池、护坦及海漫底部水头

保障工程安全。但地下连续墙截渗作用明显，在工程下游设置，对工程的排水起到不利影响，在设计决策中应该进行认真分析论证。

2）采用二维有限元渗流模型，能够非常直观地计算出工程各部位的受力情况。通过实际危险工况计算分析，大坳拦河坝悬挂式地下连续墙对工程安全影响较小，但采用截至基岩的防渗墙要慎用。

3）本次分析采用了两种工况计算，未计算不设防渗墙工况，可以通过进一步研究，进行比较分析，进而论述下游防渗墙设置的是否合理。

[1] 曹洪.广州市流溪河大坳拦河坝渗流分析报告[R].2013.

[2] 胡海英.广州市流溪河大坳拦河坝安全鉴定综合报告[R].2010.

[3] 金峰，梁通.扬压力问题存在的分歧及最新进展[J].水力发电学报，2009，（6）.

[4] 申旋成.闸后消力池斜坡连接段渗流和水跃共同作用的分析和对策[D].华南理工大学，2014.

[5] 郑敏.深厚砂基水闸消能防冲设施抗浮分析研究[D].华南理工大学，2010.

Impact Analysis of Downstream Diaphragm Wall on Energy Dissipator in Daao Gate Dam

ZHOU Xiao-ping
(Guangzhou General Administration Office of Liuxihe Irrigation Area, Guangzhou, 510980, China)

For the safety of the Daao gate dam, a diaphragm wall was constructed at the end of the energy dissipator to prevent downstream river bed scouring. To study the effect of diaphragm wall on energy dissipator, a seepage program based on 2-D finite element method is used to compute uplift forces at the bottom of the ramp connecting section,plunge pool, protection-apron and pitching, from which the stability of energy dissipator is analyzed in variety depth of the diaphragm wall. It can be shown from engineering computing that the suspended diaphragm wall at the end of pitching is advised.

2-D finite element method; diaphragm wall; seepage; energy dissipater

TV223.4

A

1672-2841（2016）01-0017-04

2016-01-20

周孝平，男，工程师，硕士，主要从事水闸工程管理工作。