新疆阜康抽水蓄能电站拦沙坝坝基防渗方式研究

崔博涛 刘小伟 李双喜

（1.新疆农业大学， 新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830011； 3.新疆哈密抽水蓄能有限公司， 新疆 哈密 839000）

1 工程地质概述

新疆阜康抽水蓄能电站下水库拦沙坝为建在覆盖层上的土工膜斜墙坝，河床覆盖层深厚，为冲洪积漂石砂卵砾石层，厚度20m～60m，卵砾石呈次圆状～次棱角状，其中漂石、卵砾石含量约80%，粒径大于20cm 漂石含量约 30%，多为 50cm～100cm，总体以粗颗粒为主，局部存在漂石集中分布和架空现象，无连续分布的砂层。河床漂石砂卵砾石较密实，承载力和抗变形能力高，清基碾压后即可做为坝基。但漂石砂卵砾石透水性强，平均渗透系数 1.35×10-2cm/s，存在渗漏与渗透稳定问题，应采取坝基防渗措施，做好防渗处理。漂石砂卵砾石层可能的渗透变形破坏形式为管涌型和过渡型,实际计算的最小临界坡降为0.44，安全系数取2，允许坡降为0.22，据工程类比，建议允许坡降为0.2。

2 计算方法

2.1 计算模型

2.1.1 计算模型坐标系和范围

根据渗流分析的一般原则确定计算模型的范围和边界。上、下游边界：上游边界截取拦沙坝坝轴线以上400m，下游边界截取拦沙坝坝轴线以下300m；左、右岸边界：左边界截取至左坝肩以左150m，右边界截取至右坝肩以右200m；顶高程取实际地形，底高程截至1665m。利用有限元方法进行数值模拟计算，本次计算采用“控制断面超单元有限元网格自动剖分法”进行有限元网格剖分，生成有限元计算信息。三维有限元模型网格如图2-1 所示，土工膜有限元网格如图2-2 所示，防渗墙有限元网格如图2-3 所示。

图2-1 三维有限元网格图

图2-2 土工膜有限元网格图

图2-3 防渗墙有限元网格

2.1.2 边界条件

在稳定渗流期，渗流分析的边界类型主要有已知水头边界、出渗边界及不透水边界三种：

（1）已知水头边界包括坝址区上下游水位线以下的水库库岸和库底、坝体上游坡和下游坡、河道，以及给定地下水位的截取边界；

（2）出渗边界为坝址区上下游水位线以上的左、右岸山坡面，以及坝体上、下游坡面和坝顶；

（3）不透水边界包括模型上下游两侧和左右岸两侧截取边界除给定地下水位以外的部分边界以及模型底面。

2.2 计算参数和计算工况

2.2.1 计算参数

（1）坝基岩体渗透参数，如表2-1 所示。

表2-1 坝基岩体各分层渗透系数

（2）坝体各料区渗透参数，如表2-2 所示。

表2-2 坝体各料区渗透系数

2.2.2 计算工况

根据阜康抽水蓄能电站下水库工程的实际情况，在防渗墙和土工膜铺盖两种防渗方案下，均采取较危险工况下形成稳定渗流情况进行计算，上游水位为校核洪水位为1812.5m，下游水位为下水库死水位1743m。具体布置方案如表2-3 和表2-4 所示。

表2-3 防渗墙方案三维稳定渗流敏感性分析

表2-4 土工膜铺盖方案三维稳定渗流敏感性分析

2.3 计算结果分析

各工况下混凝土防渗防渗墙削减水头百分率如表2-5 所示，两种防渗方案下坝体和坝基各分区的最大渗透坡降如表2-6 和表2-7 所示。

表2-5 各工况下混凝土防渗墙削减水头百分率

由表2-5 可知，在防渗墙深度分别减少10m（工况FSQ-1）、减少20m（工况FSQ-2）以及减少30m（工况FSQ-3）的工况下，削减的水头分别为18.96m、14.03m、9.38m，分别占总水头的27.28%、20.19%、13.50%，可见混凝土防渗墙的防渗效果还是比较明显的。

表2-6 防渗墙方案各材料分区的最大渗透坡降

表2-7 土工膜铺盖方案各材料分区的最大渗透坡降

由表2-6 可知，在防渗墙深度分别减少10m（FSQ-1）、减少20m（工况FSQ-2）以及减少30m（工况FSQ-3）的工况下，混凝土防渗墙的渗透坡降越来越小，坝坡出逸处的渗透坡降越来越大，当防渗墙深度减少30m（即底高程1775m）时，坝坡出逸处的坡降为0.264，已经大于允许渗透坡降0.2，此时坝坡发生渗透破坏。

由表2-7 可知，在坝前土工膜铺盖长度分别为120m（工况TGM-1）、70m（工况TGM-2）、20m（工况TGM-3），即土工膜铺盖长度依次减少50m 时，坝基河床覆盖层以及坝坡出逸处的渗透比降逐渐增大，土工膜铺盖的渗透比降逐渐减小，在土工膜铺设20m 长时，坝坡出逸处的坡降为0.356，大于允许渗透坡降0.2，不满足渗透稳定性要求。

3 结论与建议

（1）防渗墙深度减少10m 以及减少20m 对总渗透流量影响不大；防渗墙深度减少30m 时，坝体浸润面抬高，渗透流量有了明显增大，防渗墙部分失效或者施工质量差会导致流量大幅增加，因此控制混凝土防渗墙的施工质量是必要的。

（2）由防渗体敏感性分析可知，采用垂直防渗墙（底高程1765m）或坝前土工膜水平铺盖（150m）均可满足防渗要求。针对阜康下水库拦沙坝上游两岸冲沟发育，地形复杂，土工膜防渗结构复杂；白杨河河道比降大，推移质丰富，土工膜防渗系统在洪水冲刷作用下发生破坏的风险较大；并存在施工工序多、接缝多，施工连接质量保证难度大，后期运行维护工作量大等问题，考虑安全运行、检修维护等因素，推荐使用垂直防渗墙（底高程1765m）的防渗方案。