珊溪水库增设大坝量水堰工程措施研究

王栋良，郎玲芳

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 工程概况

珊溪水库位于浙江省东南部温州市境内飞云江干流中游河段，工程建成于2000年。拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高132.50 m，坝顶高程156.80 m。水库工程正常蓄水位为142 m，相应库容12.91亿m3。工程为I等工程，大坝为1级建筑物，按照7度设防。

珊溪水库在坝基内埋设了渗压计，在左右岸山体内布置了地下水位观测孔，可分析、判断坝基及两岸岩体的渗漏情况。随着水库的运行，多数渗压计已损坏、失效，当前已没有有效的方法或者途径对大坝的渗流稳定和安全进行评价。两侧山体内部的地下水位观测孔仅能定性研究两岸岩体的渗漏情况，无法对大坝渗漏情况作出评价。但大坝的渗流对大坝安全运行影响重大，混凝土面板堆石坝的渗流量大小也是趾板、面板、周边缝、接缝和基础防渗等施工质量和运行状况的综合反映。

由于坝体内损坏的渗压计难以恢复，重新埋设新的渗压计也不现实，在坝体内设置水位观测孔，采用水力坡降法计算渗漏量，方法复杂、观测精度差，因此在珊溪水库大坝坝后设置量水堰是珊溪水库的必然选择。

根据现场地形地质条件以及水库的运行条件，珊溪水库工程仅大坝坝后压坡平台部位具备布置量水堰的条件。压坡平台面积约14 500 m2，地面高程约60 m，现为景观绿化区。压坡体为7～15.5 m厚的人工抛填块石层，该层压缩性低、均质性差、局部架空，连续分布于整个场区，下部为15～22 m厚的砂卵砾石层，旋喷桩及帷幕灌浆对此类地层适用性差，因此选用防渗墙截断坝体的渗漏量。

珊溪水库增设大坝量水堰工程的重点及难点主要为量水堰防渗墙，因此笔者重点对量水堰防渗墙的设计及防渗墙对大坝的影响进行分述。

2 量水堰防渗墙设计

2.1 防渗墙设计原则

图1 压坡平台地质剖面Fig.1 Geological profile of slope platform

珊溪水库量水堰工程主要包括截断砂砾石层渗漏的防渗墙、堰渠及相应的观测设备。防渗墙底部及两岸需伸入基岩，以阻断渗漏水流，同时考虑到大坝防渗设计时，已将防渗帷幕延至两岸山体内与地下水位线相接，且山体相对雄厚，岩体相对较好，为弱～微透水性，一般q≤3 Lu，绕坝渗漏相对较弱，因此防渗墙截断的主要是来自于坝体和坝基渗漏水。

此外，为了降低施工过程中对坝体的扰动、降低施工难度、减少施工对水库正常运行的影响并保证量水堰建成后的正常运行，节省投资，量水堰的布置还需遵循以下原则：（1）防渗墙轴线需尽可能远离大坝；（2）防渗墙轴线需尽可能避开大块石集中部位；（3）减少施工期对水库正常运行的影响，防渗墙施工平台需高于4台机组满发水位48.38 m；（4）需尽可能缩短防渗墙轴线长度，以减少投资。

2.2 平面布置及剖面设计

量水堰防渗墙布置在大坝下游挖除部分超径块石后所形成的施工平台上，该平台高程50.00 m。量水堰防渗墙轴线呈直线布置，为了不影响大坝下游坝坡稳定和厂房正常发电，防渗墙轴线尽量向下游移。

量水堰防渗墙墙顶高程48.00 m，墙顶上设2.0 m高的立模现浇常态混凝土墙头，墙头顶高程50.00 m，墙头与防渗墙之间采用键槽连接，并设铜片止水。防渗墙底伸入基岩1.0 m，两岸分别插入混凝土岸墙1.0 m，左岸混凝土岸墙长7.03 m，右岸混凝土岸墙长6.54 m，岸墙基础均置于基岩上。为防止基岩表面因防渗墙造孔造成破碎渗漏，右岸及河床部位防渗墙底部进行孔距2 m、深5 m帷幕灌浆处理；为减少基础渗漏，左岸防渗墙底部进行孔距2 m、深20 m帷幕灌浆处理。

量水堰防渗墙墙体、墙头、岸墙混凝土强度等级均为C25。

2.3 混凝土防渗墙设计

混凝土防渗墙设计主要包括防渗墙厚度、墙体材料、墙头及与两岸的连接形式等方面的设计，各方面的内容叙述如下。

2.3.1 墙厚

图2 防渗墙下游面立视图Fig.2 Vertical view of downstream of cut-off wall

本工程混凝土防渗墙位于大坝下游，防渗墙上、下游水头差较小，从允许水力梯度考虑，防渗墙厚度较薄，厚度取0.6 m即可。但珊溪量水堰工程在超径块石层及砂卵砾石层中造孔，造孔代价较大，墙厚取0.6 m时减少的混凝土量不能抵偿钻孔量增大的代价，经济上并不合理。同时考虑到防渗墙耐久性、简化施工等方面的因素，防渗墙体厚度取0.8 m。

2.3.2 墙体、墙头及岸墙材料

防渗墙墙体施工为水下槽段混凝土浇筑，其强度一般只有空气中浇筑的50%～90%，因此防渗墙混凝土采用混凝土强度等级C25，防渗等级W8，防渗墙配筋以40 kg/m3控制。

墙头及岸墙对防渗墙体起保护作用，其混凝土强度等级和防渗等级与防渗墙体相同。

2.3.3 防渗墙嵌入基岩深度

防渗墙嵌入基岩的深度主要从防渗和结构两个方面的要求来考虑，一般为0.3～1.2 m，本工程防渗墙要求嵌入基岩1.0 m深。

2.3.4 防渗墙与左、右岸坡的连接

防渗墙体在左、右岸坡均采用在岸墙混凝土中预留槽孔、防渗墙体插入预留槽孔方式与其连接。左、右岸墙基础均置于岸坡基岩线下1 m。

2.3.5 防渗墙体与顶部墙头接缝和墙头内施工缝处理

防渗墙体与顶部墙头接缝和墙头内施工缝均采用预留“凹”型键槽连接，并在接缝部位设置并缝钢筋和止水。

3 计算复核

大坝下游增设量水堰后，由于量水堰防渗墙截断了坝基与坝体渗漏来水，会造成坝体内浸润线的抬高，因此需要对大坝运行期坝坡稳定、应力应变及渗流进行计算复核。此外，需对量水堰防渗墙的应力应变进行复核，以确保量水堰安全、有效运行。

3.1 大坝运行期渗流估算

渗流估算采用专业渗流分析软件GeoStudio程序，分别对正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位等3个工况时的大坝渗流进行计算。特征水位参见表1，其中正常蓄水位时的下游水位取4台机满发水位，即48.38 m。坝体上游采用钢筋混凝土面板防渗，考虑工程已运行多年，计算时取面板渗透系数为K=1.0×10-6cm/s，坝基q≤3 Lu的岩层作为相对不透水层。

计算时采用四边形单元、局部采用三角形单元对选取大坝及基础剖面进行有限元网格划分，划分后的有限元模型节点总数为1 178，单元总数为1187。计算网格见图3。计算材料渗透系数见表2。

表1 特征水位表Table 1 Characteristic water level

图3 计算网格图Fig.3 Computational mesh

经估算，正常蓄水位时单宽渗漏量为1.91×10-4m3/(s·m)，总渗漏量为60.73 L/s，为多年平均流量的0.097%；设计洪水位时单宽渗漏量为2.19×10-4m3/(s·m)，总渗漏量为68.05 L/s，为多年平均流量的0.111%；校核洪水位时单宽渗漏量为2.34×10-4m3/(s·m)，总渗漏量为72.94 L/s，为多年平均流量的0.119%。各工况时的大坝渗流量均较小，坝基及坝体的渗透坡降、下游逸出坡降均在允许范围内。正常蓄水位时渗流场总水头等势线云图见图4。

表2 材料渗透系数Table 2 Permeability coefficients of each material

3.2 坝坡稳定复核

大坝坝坡稳定计算复核采用陈祖煜院士的《土质边坡稳定分析程序STAB2008》，考虑堆石料的非线性抗剪强度，分别按瑞典圆弧法和简化毕肖普法，对大坝运行期上、下游坝坡进行稳定复核。

3.2.1 运行期计算工况

（1）正常运用情况：水库死水位时，大坝上游坝坡稳定；水库设计洪水位时，大坝下游坝坡稳定。

（2）非常运用情况：水库校核洪水位时，下游坝坡稳定；水库设计洪水位遇7度地震时，下游坝坡稳定；水库死水位遇7度地震时，上游坝坡稳定。

3.2.2 计算参数

坝坡稳定材料计算参数见表3。

运行期各工况下，上、下游坝坡稳定安全系数见表4。

由表4计算结果可知：运行期大坝上、下游坝坡稳定计算安全系数均大于规范允许值，满足规范要求。

3.3 大坝及防渗墙运行期应力、应变复核

选取河床典型大坝剖面，利用河海大学开发的实打实土石坝应力应变计算程序（SDAS），对大坝及量水堰防渗墙运行期应力、应变进行计算复核。

表3 坝坡稳定材料计算参数Table 3 Stability parameters of each slope material

表4 运行期各工况下大坝上、下游坝坡稳定计算成果Table 4 Calculation results of dam slope stability

3.3.1有限元计算模型

采用四边形单元（局部采用三角形单元过渡）对选取的大坝剖面进行有限元网格划分，网格划分时，考虑了不同材料分区并模拟了施工蓄水过程。划分后的有限元模型节点总数为1 262，单元总数为1 321，整体有限元模型网格见图5。

图5 计算网格图Fig.5 Finite element model grid

3.3.2 堆石料本构关系

坝体堆石料采用邓肯-张双曲线非线性弹性E-B模型。

3.3.3 坝料计算参数

各区坝料计算参数见表5。

3.3.4 坝体填筑及蓄水加荷次序

第1级：基础覆盖层；第2至第30级：坝体填筑、面板浇筑；第31级：水库蓄水至设计洪水位；第32级：坝后量水堰施工。

3.3.5 计算结果与分析

运行期平面应力应变的主要计算成果见表6。

表5 坝体材料计算参数（邓肯E-B模型）Table 5 Calculation parameters of dam body materials(E-B model)

表6 运行期大坝应力变形计算成果Table 6 Calculation results of dam's stress-strain during operation

从计算成果看，运行期坝体的位移、应力分布合理。坝体最大沉降94 cm，仅为坝高的0.73%，面板最大挠度为56.7 cm，最大相对挠度仅2.58‰。整个坝体和坝基的应力水平均小于1.0，坝体和坝基无局部失稳或剪切破坏现象。量水堰建成后对大坝应力、应变无不利影响。

量水堰施工在大坝建成运行以后，此时大坝沉降位移等均已基本完成，对防渗墙影响较小。因防渗墙两侧水头相当，防渗墙上、下游侧土压力也基本一致，因此防渗墙应变较小，可忽略不计，防渗墙应力主要由自重产生，最大压应力发生在墙底部，为0.516 MPa，且随着高程的抬高，应力逐渐减少。计算结果的等值线见图6～11。

图6 坝体运行期水平位移等值线图Fig.6 Contour map of horizontal displacement of dam during operation

图7 坝体运行期垂直位移等值线图(包含基础沉降)Fig.7 Contour map of vertical displacement of dam during operation

图8 坝体运行期大主应力等值线图Fig.8 Contour map of major principal stress of dam during operation

图9 坝体运行期小主应力等值线图Fig.9 Contour map of minor stress of dam during operation

图10 运行期大坝应力水平图Fig.10 Contour map of stress level of dam during operation

4 结语

（1）量水堰防渗墙布置在挖除大部分超径块石的50.00 m平台上，施工难度小，施工技术成熟。

（2）防渗墙施工完成后对原有水库工程的影响较小，大坝坝坡稳定、应力应变、渗流等均能满足要求，大坝安全可以得到保障。

（3）设置防渗墙后可截断大坝及坝基的渗漏水流，并通过量水堰测算渗漏量，可以持续获得大坝的渗流数据，通过分析渗流监测资料对大坝的运行性状进行评价，对大坝的安全运行、保障城市供水以及实现水库发电及防洪效益具有重要意义。

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