水利枢纽防渗和消能方案比选探讨

温兴良

(浙江省泰顺县农村水利管理中心，浙江 泰顺 325500)

水利枢纽工程建设涉及专业众多。渗流[1-2]、消能[3-4]是两个较为重要的研究内容。水利工程防渗工作对其效益的发挥甚至水工建筑物结构的安全均有重要的影响[5-6]。消能结构亦是水利枢纽工程的重要组成部分，合理选取消能方式有主要提高消能效果，利于枢纽工程的长期使用，同时也可降低工程投资。结合某水利枢纽工程，对基础防渗和消能结构进行比选分析。

1 水利枢纽工程区地质概况

该水利工程主要由拦河引水枢纽(土石坝、泄洪建筑物、引水闸)、输水建筑物(输水渠道)、前池、等建筑物组成。水库正常引水位1 550.0 m，校核洪水位1 551.30 m；相应库容577万 m3，最大坝高14.5 m。

拦河引水枢纽左岸为近直立陡坎。自然坡度60°～80°，1 564 m高程以下基岩裸露，岩性为粗砾岩夹砂岩及砂质泥岩。岩石强度较低，岩层产状近水平。强风化层厚1～3 m。砾岩顶部覆盖厚约10 m左右砂卵砾石层，微胶结。其上为厚20～40 m的洪积、风积低液限含砾粉土。河床主要由现代河床河漫滩组成，地形较平坦。覆盖层上部主要为厚5～10 m的含漂石砂卵砾石，下部为厚2～100 m的冲积砂卵砾石。右岸主要由Ⅰ、Ⅱ级阶地组成，阶地面分布居民区及耕地。阶地上部覆盖洪积粉土层，厚度5～10 m。河床段覆盖层为第四系冲积层，物探揭露最大深度约100 m左右，河床深槽靠近右岸。根据地质调查结果，河床上部为漂卵砾石层，结构密实，渗透系数为2.9×10-2cm/s。中部主要为冲积砂砾石层，大部分已出现胶结现象，但仍为强透水层，透系数为5.0×10-2cm/s。下浮基岩为砾岩，属于弱透水层。针对本工程砂砾石覆盖层的特点，本阶段渗流控制措施选用土工膜水平铺盖、混凝土防渗墙垂直防渗两种防渗方案进行比选。

2 防渗方案比选

2.1 土工膜水平铺盖防渗

不同铺盖长度防渗计算结果见表1。从计算结果看，采用水平铺盖防渗，坝基渗漏量和渗透比降都随着铺盖长度的增加而减小，水平铺盖长度约为8倍水头，即85 m时，引水枢纽基础渗漏量为2.74 m3/s，下游出逸比降小于0.1，且略有余度。考虑拦河引水枢纽具有引水、泄洪、冲沙、排漂、排冰等综合功能，水平铺盖防渗长度主河床段取85 m长，右岸防护堤坝段根据挡水水头变化逐渐变短与右坝肩坝体土工膜连接，以保证基础渗透稳定。水平防渗主要采用250 g/0.6mm规格的PE复合土工膜。从上至下为砂砾石盖重、膜上保护层、土工膜、膜下保护层。其中砂砾石盖重采用1 m厚砂砾石料，膜上、膜下保护层采用0.3 m厚砂砾料。

表1 不同水平铺盖长度二维渗流计算主要成果表

2.2 悬挂式混凝土防渗墙垂直防渗

不同垂直截渗深度防渗计算结果见表2。从表2的计算结果中可知，随着截渗深度增大，坝基的渗漏量以及渗透比降均有不同程度的减小。当垂直截渗深度30 m时，坝基渗漏量减少为3.43 m3/s，此时，出逸比降为0.097<0.1，渗流计算结果已经满足相关规范要求。悬挂式混凝土防渗墙河床段深度取30 m，右岸防护堤坝段根据挡水水头变化逐渐变短至右坝肩，右坝肩处防渗墙深度为10 m，以保证基础渗透稳定。针对工程条件，采用悬挂式槽孔混凝土防渗墙作为垂直防渗型式。防渗墙设计深度为30 m，墙厚0.8 m。考虑减少拦河引水枢纽各建筑物基础扬压力，以利于各建筑物抗滑稳定，混凝土防渗墙设置于各建筑物上游侧。混凝土防渗墙与发电引水闸、泄洪冲沙闸底板、无闸溢流坝基础及土工膜斜墙砂砾石坝基础锚固基座之间设置水平连接板连接，以利于各建筑物的变形。连接板采用长3 m，宽5 m，厚0.5 m的C20、W6混凝土结构，连接板与防渗墙和各建筑物之间各设置1道铜片止水。因拦河引水枢纽各建筑物结构布置需要，各建筑物上游端呈平行错开状，防渗线需沿各建筑物前沿折线布置。

表2 不同垂直截渗深度二维渗流计算主要成果表

2.3 防渗型式比选

防渗方案比选见表3。从地形地质条件、施工条件、安全性、投资等4个方面综合分析，拦河引水枢纽基础防渗采用土工膜水平铺盖方案。

表3 防渗方案比选

3 消能方案比选

工程引水枢纽基础位于深厚砂卵石覆盖层，厚度约在15～100 m。其中，上部含有漂石。根据规划需求，拦河枢纽上下游最大水头差10.6 m。设计、校核洪水流量分别为4 555 m3/s、6 393 m3/s。设计标准采用50 a一遇。设计工况下消能工末端单宽流量23.07 m3/s，河道抗冲流速约1.4～3.4 m/s。针对引水枢纽低水头、大流量、深厚覆盖层的特点，及泄洪建筑物泄洪、冲沙的功能要求，泄洪建筑物(泄洪冲沙闸)消能措施选用底流消能或面流消能两种消能型式进行比选。

3.1 底流式消能

泄洪冲沙闸消力池设计的影响因素有上下游水位差，过闸单宽流量，闸门开启孔数、开启高度等。根据引水枢纽运行工况，按照不同洪水频率对应洪水流量设计消力池。拟定消能设计工况下，19孔闸门均采用控泄方式泄流。按照底流消能公式计算成果见表4。

表4 消力池水力学计算成果表

3.2 面流式消能

3.3 消能型式比选

消能型式比选见表5。综合分析，本阶段泄洪冲沙闸消能型式采用底流式消能—消力池方案。

表5 消能方案比选

4 结语

以某中型水利枢纽工程为研究对象，分析了其防渗方案和消能方案。选取水平、垂直两种防渗方案进行比选分析，两种方案均可适应工程所在地地形地貌特征，且均满足安全要求，但水平土工膜铺盖防渗施工简便、投资低，为推荐方案。选取底流式消能、面流式消能两种消能方案进行分析，采用消力池具有施工简单、投资低、效率高等优势，为推荐方案。