金沟河引水枢纽除险加固工程土工膜斜墙坝方案分析

吴建瑞

（新疆金沟河流域管理局,新疆 塔城 832100）

1 引言

挡水建筑物作为水利枢纽工程的组成部分,其设计方案对工程投资以及工程运行安全影响较大[1-3]。在工程设计阶段需要结合实际情况,对坝体的渗流以及坝坡稳定性进行分析计算,确定坝体的安全性。

2 工程概况

金沟河引水枢纽工程是一个以灌溉为主的水利枢纽工程。引水枢纽采用一字型拦河闸式渠首,建筑物由左向右依次布置有3 孔进水闸、2 孔冲沙闸、3 孔泄洪闸,冲沙闸在泄洪闸下游,通过左侧90 m 长、8.5 m 宽的平坡冲沙槽连接。枢纽设计洪水流量363.5 m3/s,校核洪水流量559 m3/s,设计引水流量45 m3/s。

3 坝体分区及筑坝材料设计

3.1 坝坡及护坡设计

根据工程经验、目前施工技术水平和坝坡稳定计算,上坝上、下游坝坡均采用1∶2.25。坝坡采用C25 混凝土面板护坡,板下铺设滤水无纺布。

下坝上游坝坡采用1∶2.25,下游坝坡采用1∶2。上游护坡采用C25 混凝土面板护坡,防渗土工膜位于护坡板下,采用两布一膜,膜上膜下分别铺设5 cm 厚的砂浆垫层和10 cm砂保护层。混凝土面板与地基接触部位设混凝土齿墙作为护坡板基础,齿墙下部设置厚0.8 m的C20砼防渗墙深入泥岩内。下游护坡采用0.5 m×0.5 m 预制网格梁护坡。

3.2 坝体分区

（1）上坝

上坝为两侧挡水,外库为上游,内库为下游,坝体从上游到下游依次为：现浇混凝土护坡板、滤水无纺布、坝壳、心墙砂保护区、心墙土工膜、下游护坡板下滤水无纺布、现浇混凝土护坡板、下游排水棱体。

其中上下游均采用C25 混凝土护坡板,上游板厚20 cm,下游板厚15 cm,砼板尺寸为4.0 m×4.0 m。坡面设置间距2 m×2 m 的PVC 管排水孔,孔径150 mm,混凝土强度等级C25F200W6。上下游护坡板下均铺设一层滤水无纺布,无纺布采用涤纶长丝非制造布,规格为200 g/m2。

上坝坝壳料取料及填筑要求同下坝。

心墙砂保护区厚1m,位于坝体中央,该区砂要求同下坝土工膜下砂保护层。心墙土工膜规格要求同下坝斜墙土工膜。

下游排水棱体中反滤料厚度0.3 m,排水料厚2 m。其中反滤料要求同下坝,排水料采用砂砾料配制,粒径要求Dmax≤150 mm,Dmin≥5 mm,填筑指标Dr≥0.75。

（2）下坝

坝体从上游到下游依次为：现浇混凝土护坡板、砂浆垫层、两布一膜、砂保护层、坝壳、下游护坡、下游坡脚排水沟。

1）上游现浇混凝土护坡板

位于上游坝坡面,为现浇混凝土板,厚度20 cm,砼板尺寸为4.0 m×4.0 m。坡面设置间距2 m×2 m 的PVC 管排水孔,孔径150 mm,混凝土强度等级C25F200W6。

2）砂浆垫层

膜上铺设5 cm 厚的砂浆垫层,砂浆强度等级为M10,铺设范围同土工膜。

3）两布一膜

位于上游护坡板下,土工膜采用高密度聚乙烯土工膜,膜厚0.5 mm,土工布采用长纤针刺非织造土工布,布重200 g/m2+200 g/m2。

土工膜的厚度根据《土工合成材料工程应用手册》采用耐水压力击破方法计算,并考虑其他因素确定膜厚。

薄膜理论公式：

式中：t为膜的厚度mm；［σ］为薄膜的容许拉应力,kg/cm2；ρ为薄膜承受的水压力,t/m2；d为与膜接触的土砂卵石的最大粒径,mm；E为在设计温度下膜的弹性模量,kg/cm2。

表1 膜厚度计算结果

考虑坝坡水位起降等不利因素, 土工膜膜厚取值为0.5 mm。

4）砂保护层

膜下铺设10 cm 厚的砂保护层,粒径要求小于5 mm,填筑指标Dr≥0.75,铺设范围同土工膜。

5）坝壳

位于坝体砂保护层下游,采用C1、C2 料场砂砾料填筑而成,填筑指标Dr≥0.85。其填筑顶高程为823.000 m,砂砾料填筑区上游边坡为1∶2.25,填筑区下游边坡为1∶2.0。

6）下游护坡

下游护坡采用0.5 m×0.5 m 预制网格梁护坡。

7）下游坡脚排水沟

坡底布置干砌石排水沟,排水沟底宽0.5 m,坡比1∶2,深0.75 m,由内至外分别为20 cm 砂砾石反滤料,30 cm 厚干砌石。其中反滤料级配要求为D≤20 mm,小于0.075 mm 含量≤5%,填筑指标Dr≥0.75。

3.3 筑坝材料选择

（1）坝壳料

坝壳料优先选用C2料场开挖料,该料场位于枢纽区内库,距坝线平均运距仅0～0.1 km,开采方便。该料场岩性为砂卵砾石,粒径> 200 mm 顆粒含量约2.2%,粒径200 mm～60 mm颗粒含量约15.2%,粒径60 mm～20 mm 颗粒含量约27.2%,粒径20 mm～5 mm 颗粒含量约26.5%,粒径<5 mm 颗粒含量约28.9%,为卵石混合土,砂砾石层结构松散,磨圆一般,青灰色,分选性好,最大直径可达30 cm。卵石混合土呈稍湿、松散至稍密状态,天然密度2. 21 g/cm3,天然含水量2. 1%,干密度2.17 g/cm3。

作为坝壳料,该料场的各项试验指标均满足规范要求。坝壳料填筑标准采用相对密度控制,设计压实标准为：Dr≥0.85。料场坝壳料级配曲线见图1。

图1 金沟河引水枢纽挡水坝筑坝材料级配曲线

但是由于C2 料场的勘探储量只有7.5 万m3,而挡水坝需要的填筑总量为13.00 万m3,因此还需要利用C1 料场的砂砾石料。

C1 砂砾石料场位于金沟河渠首管理站下游河床内,从河床内通行时,运距约2.0 km～2.5 km,从伴渠道路通行时有交通桥经过金沟河干渠,运距约2.5 km～3.0 km,岩性为第四系全新统冲洪积砂卵砾石,呈次圆状,磨圆度较好,分选性较好,级配良好。该料场>150 mm 粒径含量2.54%,150 mm～80 mm含 量 为6.87%,80 mm～40 mm 含 量 为14.93%,40～20 mm 含量 为18.6%,20～5mm 含 量 为28.68%,5 mm～2.5 mm 含 量 为5.90%,2.5 mm～1.25 mm 含量为4.40%,1.25 mm～0.63 mm 含量为5.91%,0.63 mm～0.315 mm 含 量 为6.53%,0.315 mm～0.16 m含量3.30%,<0.16 mm 含量为1.74%。作为坝壳料,该料场的各项试验指标均满足规范要求。坝壳料填筑标准采用相对密度控制,设计压实标准为：Dr≥0.85。料场坝壳料级配曲线见图1。

（2）砂保护层料

砂保护层料选用C1 料场砂砾料制备,粒径为小于5 mm,设计相对密度Dr≥0.75 砂保护层料级配曲线见图1 中坝壳料5 mm 以下颗粒组级配曲线。

（3）排水棱体排水料

排水棱体排水料选用C1 料场砂砾料制备,最大粒径150 mm,粒径小于0.075 mm 的颗粒含量不超过5%。设计相对密度Dr≥0.75。排水料级配曲线见图1。

（4）排水棱体反滤料

排水棱体反滤料选用C1 料场砂砾料制备, 最大粒径20 mm, 最小粒径5 mm,渗透系数k≥10-3cm/s,设计相对密度Dr≥0.75。反滤料级配曲线见图1。

3.4 层间关系复核

（1）坝壳砂砾石料与反滤料

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）附录B,对于被保护土为非粘性土,且不均匀系数CU>8 的被保护土（坝壳砂砾石料CU=40.2）,宜取CU≤5～8 的细粒部分的d85、d15作为计算粒径。计算取坝壳砂砾石料粒径小于5 mm 的细粒部分作为被保护土的级配曲线。取反滤料的下包线D15与坝壳砂砾石料的上包线d85,D15/d85≤4～5,则满足滤土要求；取反滤料的上包线D15 与坝壳砂砾石料的下包线d15,D15/d15≥5,则满足排水要求。

由于反滤料中粒径小于0.075 mm 含量≤5%,渗透系数k≥10-3cm/s,因此不会造成阻水现象。

（2）坝壳砂砾石料与砂保护层料

对于被保护土为砂,滤土要求计算取砂的d85,排水要求取砂的d15。取坝壳料的下包线D15与砂的上包线d85,D15/d85≤4～5,则满足滤土要求；取坝壳料的上包线D15与砂的下包线d15,D15/d15≥5 则满足排水要求。

由于坝壳料渗透系数k≥10-3cm/s,因此不会造成阻水现象。

（3）反滤料与排水料

对于被保护土为反滤料,滤土要求计算取反滤料的d85,排水要求取反滤料的d15。取排水料的下包线D15与反滤料的上包线d85,D15/d85≤4～5,则满足滤土要求；取排水料的上包线D15与反滤料的下包线d15,D15/d15≥5 则满足排水要求。

排水料最大粒径150 mm,最小粒径5 mm,根据计算结果绘制出排水料的上下包线,见图1。

4 坝体渗流稳定计算

4.1 上坝渗流稳定计算

上坝为透水地基上的土工膜心墙防渗坝,计算取三种工况。

正常工况：①内库正常蓄水位（820.000 m）、外库校核洪水位（821.830 m）。

非常工况：②上游（外库）有水,下游（内库）无水；③上游（外库）无水,下游（内库）有水。

（1）计算方法

渗流及渗透稳定计算采用《平面稳定渗流计算程序》（STSE）计算。

（2）计算参数

根据地质资料,渗流及渗透稳定计算选取的计算参数详见表2。

表2 坝体渗流计算参数 单位：cm/s

表3 渗流计算结果表

（3）计算结果

由以上结果可以看出,正常工况下渗流稳定满足设计要求；非常工况的两种工况下,下游水力坡降值均较大,均超过允许值0.38 倍～0.8 倍。因此,在内库坝坡脚设置了反滤和排水棱体措施,外库坝坡脚设抛石（下部铺设滤水无纺布）,渗流稳定可以满足设计要求。

4.2 下坝渗流稳定计算

下坝为复合土工膜斜墙坝,坝基设置深入基岩的防渗墙。

计算工况：内库正常蓄水位（820.000 m）,下游（坝后）无水。

（1）计算方法

渗流及渗透稳定计算采用《平面稳定渗流计算程序》（STSE）计算。

（2）计算参数

根据地质资料,渗流及渗透稳定计算选取的计算参数见表2。

（3）计算结果

下坝单位长度总渗流量为2.39 E-05 m3/s,即下坝体每天的渗漏总量为273 m3。

计算得下坝的水力坡降J为0.0017,小于地质提供允许水力坡降 [J允]=0.1,满足设计要求。

5 坝体稳定计算

（1）计算断面和计算工况的选取

取大坝最大标准剖面验算坝体在正常情况及地震情况下,是否具有足够的稳定性,并求出最小安全系数。

根据《碾压式土石坝设计规范》,计算大坝标准剖面以下工况的稳定：

正常情况：① 内库正常蓄水位（820.000 m）、外库正常引水位（821.050 m）。

非常情况：② 竣工期的坝坡；③ 校核洪水期（内库无水、外库水位821.830 m）的坝坡；④ 正常蓄水位稳定渗流期+地震工况下的坝坡。

（2）计算方法

采用中国水利水电科学研究院出版的《土质边坡稳定分析程序》（STAB2005）进行计算。计算方法采用简化毕肖普法,地震情况采用拟静力法,线性指标控制计算。

（3）计算参数

根据坝料实验指标及工程类比选用计算参数,坝体材料物理学指标见表4。

表4 计算参数表

（4）计算结果

根据上述计算工况,计算结果见表5。从表5 可看出,经计算坝坡抗滑稳定安全系数最小值均大于规范允许值,在各种计算工况下,上坝坝坡、下坝坝坡均是稳定的。

表5 坝坡抗滑稳定计算最小安全系数表

6 结论

（1）结合金沟河引水枢纽的实际情况,对土工膜斜墙坝方案进行分析研究。按照设计方案进行坝体分区,并采用合格的筑坝材料进行大坝填筑。

（2）正常工况下渗流稳定满足设计要求；非常工况下,下游水力坡降值均超过允许值0.3 倍～0.8 倍。采用在内库坝坡脚设置反滤和排水棱体措施,外库坝坡脚设抛石（下部铺设滤水无纺布）,以保证渗流稳定满足设计要求。

（3）坝坡抗滑稳定安全系数最小值均大于规范允许值,在各种计算工况下,上坝坝坡、下坝坝坡均是稳定的。