水利樞紐防滲和消能方案比選探討

溫興良

(浙江省泰順縣農(nóng)村水利管理中心，浙江 泰順 325500)

水利樞紐工程建設(shè)涉及專(zhuān)業(yè)眾多。滲流[1-2]、消能[3-4]是兩個(gè)較為重要的研究?jī)?nèi)容。水利工程防滲工作對(duì)其效益的發(fā)揮甚至水工建筑物結(jié)構(gòu)的安全均有重要的影響[5-6]。消能結(jié)構(gòu)亦是水利樞紐工程的重要組成部分，合理選取消能方式有主要提高消能效果，利于樞紐工程的長(zhǎng)期使用，同時(shí)也可降低工程投資。結(jié)合某水利樞紐工程，對(duì)基礎(chǔ)防滲和消能結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選分析。

1 水利樞紐工程區(qū)地質(zhì)概況

該水利工程主要由攔河引水樞紐(土石壩、泄洪建筑物、引水閘)、輸水建筑物(輸水渠道)、前池、等建筑物組成。水庫(kù)正常引水位1 550.0 m，校核洪水位1 551.30 m；相應(yīng)庫(kù)容577萬(wàn) m3，最大壩高14.5 m。

攔河引水樞紐左岸為近直立陡坎。自然坡度60°～80°，1 564 m高程以下基巖裸露，巖性為粗礫巖夾砂巖及砂質(zhì)泥巖。巖石強(qiáng)度較低，巖層產(chǎn)狀近水平。強(qiáng)風(fēng)化層厚1～3 m。礫巖頂部覆蓋厚約10 m左右砂卵礫石層，微膠結(jié)。其上為厚20～40 m的洪積、風(fēng)積低液限含礫粉土。河床主要由現(xiàn)代河床河漫灘組成，地形較平坦。覆蓋層上部主要為厚5～10 m的含漂石砂卵礫石，下部為厚2～100 m的沖積砂卵礫石。右岸主要由Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地組成，階地面分布居民區(qū)及耕地。階地上部覆蓋洪積粉土層，厚度5～10 m。河床段覆蓋層為第四系沖積層，物探揭露最大深度約100 m左右，河床深槽靠近右岸。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，河床上部為漂卵礫石層，結(jié)構(gòu)密實(shí)，滲透系數(shù)為2.9×10-2cm/s。中部主要為沖積砂礫石層，大部分已出現(xiàn)膠結(jié)現(xiàn)象，但仍為強(qiáng)透水層，透系數(shù)為5.0×10-2cm/s。下浮基巖為礫巖，屬于弱透水層。針對(duì)本工程砂礫石覆蓋層的特點(diǎn)，本階段滲流控制措施選用土工膜水平鋪蓋、混凝土防滲墻垂直防滲兩種防滲方案進(jìn)行比選。

2 防滲方案比選

2.1 土工膜水平鋪蓋防滲

不同鋪蓋長(zhǎng)度防滲計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從計(jì)算結(jié)果看，采用水平鋪蓋防滲，壩基滲漏量和滲透比降都隨著鋪蓋長(zhǎng)度的增加而減小，水平鋪蓋長(zhǎng)度約為8倍水頭，即85 m時(shí)，引水樞紐基礎(chǔ)滲漏量為2.74 m3/s，下游出逸比降小于0.1，且略有余度。考慮攔河引水樞紐具有引水、泄洪、沖沙、排漂、排冰等綜合功能，水平鋪蓋防滲長(zhǎng)度主河床段取85 m長(zhǎng)，右岸防護(hù)堤壩段根據(jù)擋水水頭變化逐漸變短與右壩肩壩體土工膜連接，以保證基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定。水平防滲主要采用250 g/0.6mm規(guī)格的PE復(fù)合土工膜。從上至下為砂礫石蓋重、膜上保護(hù)層、土工膜、膜下保護(hù)層。其中砂礫石蓋重采用1 m厚砂礫石料，膜上、膜下保護(hù)層采用0.3 m厚砂礫料。

表1 不同水平鋪蓋長(zhǎng)度二維滲流計(jì)算主要成果表

2.2 懸掛式混凝土防滲墻垂直防滲

不同垂直截滲深度防滲計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2的計(jì)算結(jié)果中可知，隨著截滲深度增大，壩基的滲漏量以及滲透比降均有不同程度的減小。當(dāng)垂直截滲深度30 m時(shí)，壩基滲漏量減少為3.43 m3/s，此時(shí)，出逸比降為0.097<0.1，滲流計(jì)算結(jié)果已經(jīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。懸掛式混凝土防滲墻河床段深度取30 m，右岸防護(hù)堤壩段根據(jù)擋水水頭變化逐漸變短至右壩肩，右壩肩處防滲墻深度為10 m，以保證基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定。針對(duì)工程條件，采用懸掛式槽孔混凝土防滲墻作為垂直防滲型式。防滲墻設(shè)計(jì)深度為30 m，墻厚0.8 m?？紤]減少攔河引水樞紐各建筑物基礎(chǔ)揚(yáng)壓力，以利于各建筑物抗滑穩(wěn)定，混凝土防滲墻設(shè)置于各建筑物上游側(cè)?；炷练罎B墻與發(fā)電引水閘、泄洪沖沙閘底板、無(wú)閘溢流壩基礎(chǔ)及土工膜斜墻砂礫石壩基礎(chǔ)錨固基座之間設(shè)置水平連接板連接，以利于各建筑物的變形。連接板采用長(zhǎng)3 m，寬5 m，厚0.5 m的C20、W6混凝土結(jié)構(gòu)，連接板與防滲墻和各建筑物之間各設(shè)置1道銅片止水。因攔河引水樞紐各建筑物結(jié)構(gòu)布置需要，各建筑物上游端呈平行錯(cuò)開(kāi)狀，防滲線需沿各建筑物前沿折線布置。

表2 不同垂直截滲深度二維滲流計(jì)算主要成果表

2.3 防滲型式比選

防滲方案比選見(jiàn)表3。從地形地質(zhì)條件、施工條件、安全性、投資等4個(gè)方面綜合分析，攔河引水樞紐基礎(chǔ)防滲采用土工膜水平鋪蓋方案。

表3 防滲方案比選

3 消能方案比選

工程引水樞紐基礎(chǔ)位于深厚砂卵石覆蓋層，厚度約在15～100 m。其中，上部含有漂石。根據(jù)規(guī)劃需求，攔河樞紐上下游最大水頭差10.6 m。設(shè)計(jì)、校核洪水流量分別為4 555 m3/s、6 393 m3/s。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇。設(shè)計(jì)工況下消能工末端單寬流量23.07 m3/s，河道抗沖流速約1.4～3.4 m/s。針對(duì)引水樞紐低水頭、大流量、深厚覆蓋層的特點(diǎn)，及泄洪建筑物泄洪、沖沙的功能要求，泄洪建筑物(泄洪沖沙閘)消能措施選用底流消能或面流消能兩種消能型式進(jìn)行比選。

3.1 底流式消能

泄洪沖沙閘消力池設(shè)計(jì)的影響因素有上下游水位差，過(guò)閘單寬流量，閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)、開(kāi)啟高度等。根據(jù)引水樞紐運(yùn)行工況，按照不同洪水頻率對(duì)應(yīng)洪水流量設(shè)計(jì)消力池。擬定消能設(shè)計(jì)工況下，19孔閘門(mén)均采用控泄方式泄流。按照底流消能公式計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 消力池水力學(xué)計(jì)算成果表

3.2 面流式消能

3.3 消能型式比選

消能型式比選見(jiàn)表5。綜合分析，本階段泄洪沖沙閘消能型式采用底流式消能—消力池方案。

表5 消能方案比選

4 結(jié)語(yǔ)

以某中型水利樞紐工程為研究對(duì)象，分析了其防滲方案和消能方案。選取水平、垂直兩種防滲方案進(jìn)行比選分析，兩種方案均可適應(yīng)工程所在地地形地貌特征，且均滿足安全要求，但水平土工膜鋪蓋防滲施工簡(jiǎn)便、投資低，為推薦方案。選取底流式消能、面流式消能兩種消能方案進(jìn)行分析，采用消力池具有施工簡(jiǎn)單、投資低、效率高等優(yōu)勢(shì)，為推薦方案。