王圪堵水庫左壩肩下游護坡反濾設(shè)計

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(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院， 陜西 西安 710001)

1 工程概況

王圪堵水庫位于陜西省榆林市橫山縣境內(nèi)黃河一級支流無定河中游，是一座以供水、攔沙為主，兼顧灌溉等綜合利用的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程。水庫總庫容3.89億m3，壩后電站裝機3.75 MW。王圪堵水庫樞紐工程由碾壓均質(zhì)土壩、泄洪排沙洞、溢洪道、放水洞和壩后電站五部分組成。均質(zhì)土壩壩頂高程1 054 m，最大壩高46.0 m，壩長950 m，壩頂寬度8.0 m，大壩上游壩坡坡比1∶3.0，在高程1 024 m處設(shè)一級馬道，馬道寬2 m。下游壩坡坡比1∶2.5，在高程1 030 m處設(shè)一級馬道，馬道寬2 m。左岸段和河床段采用混凝土防滲墻和帷幕灌漿作為垂直防滲體截斷強透水層，右岸段采用截水槽和帷幕灌漿作為垂直防滲體截斷強透水層，壩后設(shè)置水平排水帶和排水棱體，形成上防下排的防滲體系。

2 工程地質(zhì)

王圪堵水利樞紐工程壩址地層主要以第四系地層為主。左岸岸坡被第四系松散層覆蓋，岸坡地形較陡，自然坡度30°～40°左右，由上更新統(tǒng)沖湖積和全新統(tǒng)坡積物組成，松散覆蓋層可分為6個工程地質(zhì)單元層，分別為①層人工堆積(Q4s)粉細(xì)砂，②層全新統(tǒng)坡積(Q4dl)粉細(xì)砂夾粉質(zhì)壤土，④層全新統(tǒng)沖積(Q42-3al)細(xì)砂，⑤層全新統(tǒng)沖積(Q41al)粉細(xì)砂夾壤土薄層，⑥層上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q32eol)黃土，⑧層上更新統(tǒng)沖湖積(Q31al+l)粉細(xì)砂和砂壤土；基巖由侏羅系砂巖和泥巖組成，以砂巖為主、泥巖次之，強風(fēng)化厚度2～5 m。

左岸岸坡砂層具強透水性，滲透系數(shù)K=3.35×10-3cm/s，允許滲透比降為0.14～0.16，需進行防滲處理；基巖透水率q1～35 Lu，透水率q大于5 Lu應(yīng)進行防滲處理，左岸根據(jù)地層滲透穩(wěn)定、滲漏總量控制及地質(zhì)條件綜合確定。

3 大壩左壩肩下游坡坡腳冒水問題分析

目前主體工程已經(jīng)建成，開始蓄水至死水位1 027 m，發(fā)現(xiàn)靠近左壩肩下游坡坡腳出現(xiàn)冒水現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)場觀測資料分析：①防滲墻前后水位突降7～9 m，防滲墻防滲效果明顯；②左壩肩防滲墻后水位逐漸降落，根據(jù)計算左壩肩下游坡綜合水力坡降約0.02～0.05小于左壩肩砂層的允許水力坡降0.15，不會發(fā)生滲透破壞；③冒水時大時小，均為清水。

按照上游水庫死水位1 027 m，下游1 008 m進行繞壩滲流復(fù)核計算，滲流復(fù)核計算成果與觀測資料基本吻合，出逸點處不會產(chǎn)生滲透破壞。

從以上分析說明冒水現(xiàn)象不可能是庫區(qū)滲漏水造成，但目前左壩肩下游坡坡腳實際出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，主要原因是左壩肩為深厚砂層，透水性較強，受左側(cè)地下水補給影響，時大時小，加之河床較低，水往低處流，符合自然規(guī)律。

4 加固措施

左壩肩下游坡腳出現(xiàn)少量清水滲透現(xiàn)象是正常的，但當(dāng)滲透水流的滲透坡降超過允許滲透坡降0.15時，水流將逐漸帶走左壩肩下游坡及坡腳的細(xì)小顆粒，致使左壩肩下游坡產(chǎn)生具有危害性的滲透變形，因此為了防止左壩肩下游坡及下游坡坡腳發(fā)生滲透破壞，保證左壩肩下游坡和坡腳安全，需進行反濾設(shè)計。

按照上游水庫正常蓄水位1 054 m，下游1 008 m進行繞壩滲流復(fù)核計算，滲流復(fù)核計算最不利工況(滲徑最短處)，出溢點高程1 011.26 m，距壩下(移民道路)110 m處，溢出點高程為1 008.5 m，移民道路下游則不出露。故左壩肩下游坡坡腳處理范圍為壩下移民道路以上至大壩下游坡腳處。設(shè)計采用貼坡式排水，頂高程1 013 m，在臨近壩坡10 m范圍內(nèi)由1 013 m漸變到1 011 m，與大壩下游坡坡腳處排水棱體銜接，底高程自移民道路至大壩下游坡腳由1 008 m漸變到1 007 m，與壩下游坡腳排水溝銜接。為滿足防凍要求貼坡排水上鋪設(shè)砂層，頂高程1 015 m，頂寬6 m，坡比1∶2.5，砂層厚度保證不小于1.5 m。具體斷面形式見圖1。

圖1

5 反濾設(shè)計

為了防止左壩肩下游坡及下游坡坡腳發(fā)生滲透破壞，保證左壩肩下游坡和坡腳安全，需進行反濾設(shè)計。

5.1 被保護土料資料

根據(jù)《王圪堵水庫初步設(shè)計地勘報告》試驗成果及顆粒分析，曲線特征值見表1。

表1 曲線特征值

5.2 被保護土分類

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》條文說明表8進行被保護土分類，以通過200號篩(0.075 mm)粒徑的百分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)，從圖1中分析通過0.075 mm粒徑的百分?jǐn)?shù)約為7.5%≤15%屬4類土。

5.3 反濾料級配設(shè)計

左壩肩護坡設(shè)計采用礫石砌護，設(shè)計礫石最大粒徑50 mm, d85=40 mm，d15=10 mm,含泥量小于5%。礫石和左壩肩細(xì)沙層之間不滿足反濾要求，需設(shè)反濾層。

5.3.1 第一層反濾設(shè)計 第一層反濾被保護土為左壩肩細(xì)沙層。

(1)按濾土要求確定反濾層允許最大D15值。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》條文說明表9，對4類土最大D15≤4d85。從表1中知粉細(xì)砂d85為0.23 mm，細(xì)沙d85為0.25mm，粉細(xì)砂最大D15≤4d85=4×0.23=0.92 mm，細(xì)沙最大D15≤4d85=4×0.25=1.0 mm，取最大D15值為0.9 mm。

(2)按排水要求確定反濾層允許最小D15值。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》條文說明表10，對所有類別土最小D15≥4d15，從表1中知粉細(xì)砂d15為0.083 mm，細(xì)沙d15為0.085 mm，故最小D15≥4d15=4×0.083=0.332 mm。取最小D15值0.35 mm。

(3)最大D15值與最小D15值調(diào)整。最大D15值與最小D15值比值小于5，不需調(diào)整，原計算的最大和最小D15分別作為控制點1和2。

(4) D60值確定。最大D10=最大D15/1.2=0.75 mm。最大D60=最大D10×6=0.75×6=4.5 mm，此點作為控制點3。最小D60=最大D60/5=5/5=0.9 mm，此點作為控制點4。

(5)最小D5與最大D100的確定。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》條文說明表12最大最小粒徑準(zhǔn)則，確定反濾料最小D5與最大D100，對所有類別最小D5<0.075 mm,最大D100<75 mm，分別作為控制點5和6。

(6)最小D10與最大D90的確定。最小D10=最小D15/1.2=0.35/1.2=0.29 mm。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》條文說明表13，最大D90=20 mm，此點作為控制點7。

(7)反濾料上下包線的確定。將以上控制點繪制于被保護料顆粒級配曲線圖上，連接控制點4、2和5確定反濾料的上包線，連接控制點6、7、3和1，確定反濾料的下包線，將上下包線延至100%即反濾料級配設(shè)計成果。反濾料上下包線見圖2。

5.3.2 第二層反濾設(shè)計 第二層以上述第一層反濾層為保護土體，從圖2中上下包線中取第一層反濾料d15=0.40 mm，d85=10 mm，左壩肩護坡采用礫石(D85=40 mm，D15=10 mm)。按照太沙基濾土和排水準(zhǔn)則，以D15/d15=10/0.4=25≥5和D15/d85=10/10≤4～5，滿足要求?？刹辉O(shè)第二層反濾。

圖2

6 結(jié) 語

王圪堵水庫左壩肩下游坡坡腳出現(xiàn)冒水現(xiàn)象后，從發(fā)現(xiàn)問題，分析原因，研究對策，復(fù)核計算，制定方案，提出治理措施，最終排除了影響左壩肩下游坡安全的隱患。從而給設(shè)計者提出：重視壩肩為深厚砂層或土層的反濾設(shè)計；給水庫管理者提出：要加強監(jiān)測，重視管理工作，以保證水庫的安全運行。

參考文獻(xiàn)：

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