華兒灣水庫壩肩帷幕灌漿方案優(yōu)化研究

鄧建文

(四川南充水利電力建筑勘察設(shè)計研究院,四川南充,637000)

0 引言

水庫工程建設(shè)依然是我國水利行業(yè)發(fā)展的重要核心,近年來全國每年都有數(shù)百座新建水庫工程開工建設(shè),同時還有上千座已建水庫的除險加固,水庫大壩的防滲處理是保證水庫安全運行和發(fā)揮效益的根本保障[1-2]。特別是小型水庫建設(shè)條件相對較差,很多水庫位于山谷中,兩岸山高坡陡,在設(shè)計壩肩帷幕灌漿范圍時往往不能按照正常蓄水位與相對不透水層在兩岸相交處的方式處理,進而采用兩岸延伸一定范圍后直接截斷的方式,很多水庫在確定這個范圍時一般是采用經(jīng)驗判斷,缺少理論依據(jù),與規(guī)范要求不符。

1 案例工程基本情況

華兒灣水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村供水為主的小(1)型水利工程,總庫容341萬m3,興利庫容267.5萬m3,灌溉面積0.1萬hm2,鄉(xiāng)村供水1.8萬人。工程樞紐為Ⅳ等工程,主要建筑物級別為4級,次要建筑物為4級,臨時建筑物為5級,渠系建筑物為5級。華兒灣水庫工程由大壩、泄洪(放空、取水)設(shè)施、渠系工程及管理設(shè)施等組成。大壩為粘土心墻石渣壩,壩長142m,最大壩高34.8m,壩頂高程449.80m,壩頂寬6m。

左壩肩所在山嘴地段,巖體厚度為105m～115m,處于側(cè)向強、弱風化帶,風化帶內(nèi)裂隙發(fā)育,左壩肩強、弱風化帶和新鮮帶上部10.0m段巖體透水率為12.5Lu～78.7Lu,屬中等透水層,透水層厚度34.0m～36.0m,存在壩肩及繞壩滲漏;新鮮巖體在高程405.24m～400.14m段巖體透水率為11.5Lu,亦屬中等透水層;其余地段巖體透水率為2.6Lu～8.9Lu,屬弱透水層。右壩肩強、弱風化帶及新鮮基巖上部18.0m段巖體透水率為64.8Lu～11.8Lu,屬中等透水層;新鮮巖體在高程414.94m～409.84m段巖體透水率為15.7Lu,亦屬中等透水層;其余地段巖體透水率為2.6Lu～8.7Lu,屬弱透水層。左、右壩肩存在滲漏問題。

大壩壩基沿壩軸線布置一排帷幕灌漿孔,孔距1.8m,灌漿由建基面灌至弱透水層(q=10Lu)以下5m[1,3]。

2 壩肩帷幕灌漿范圍的擬定

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2020),灌漿帷幕伸入兩岸的長度可根據(jù)下列要求之一確定[4]:

(1)至水庫正常蓄水位與水庫蓄水前兩岸的地下水位相交處;

(2)至水庫正常蓄水位與相對不透水層在兩岸的相交處;

(3)根據(jù)防滲要求,按滲流計算成果確定。

比較常用的是第二種方式,這種確定方式簡單明確。但當壩肩兩岸山體高陡,空鉆段很深時,如果完全按照“至水庫正常蓄水位與相對不透水層在兩岸的相交處”確定灌漿長度范圍,往往向兩岸山體延伸太多,或者采用灌漿平洞也很長,可能造成不利于施工和投資較高、不經(jīng)濟的情況[4]。因此,在實際工程中,大部分工程沒有完全按照第2條確定,都對長度進行了縮減,但基本基于經(jīng)驗數(shù)據(jù),未認真分析計算。

本工程根據(jù)壩肩地形地質(zhì)條件擬定采用的壩肩帷幕灌漿范圍為:左壩肩帷幕灌漿軸線沿壩軸線延長120m,孔距1.8m,壩肩頂部灌至高程447.00m;底部灌至弱透水層(q=10Lu)以下5m。右壩肩帷幕灌漿軸線沿壩軸線延長60m,孔距1.8m,壩肩頂部灌至高程447.00m;底部灌至弱透水層(q=10Lu)以下5m[5]。

圖1 大壩帷幕灌漿布置

3 左右壩肩滲流分析計算

(1)計算工況:根據(jù)水庫運行經(jīng)常出現(xiàn)的情況選取,上游正常蓄水位447.00m時,相應(yīng)下游水位及所形成的的穩(wěn)定滲流期。

(2)計算方法:按照達西定律,采用二維有限元法進行滲流穩(wěn)定分析計算,分析軟件采用河海大學編制的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)AUTObank7.0。

(3)邊界條件:大壩粘土心墻、防滲帷幕、壩基及兩岸10Lu線以下的巖體組成相對不透水體。兩岸上游迎水面以粘土心墻上游岸坡邊界和天然岸線為入滲邊界。兩岸下游以粘土心墻下游岸坡邊界和天然岸線為出逸邊界。大壩軸線(及兩岸延長線)上為帷幕灌漿結(jié)束處至正常蓄水位與10Lu線相交處的區(qū)間范圍[3]。

(4)計算斷面的假定:根據(jù)水庫特征水位、粘土心墻結(jié)構(gòu)布置及相對不透水巖體分布,確定滲流分析計算高程區(qū)間為415.00m～449.30m。按平面滲徑最短,分高程確定巖體厚度,并投影至豎直平面確定滲流計算剖面。

左右岸坡巖體滲透系數(shù)[5]見表1。

表1 巖體滲透系數(shù)

3.1 左岸壩肩滲流分析計算

左岸岸坡擬定兩個計算斷面:左岸1#斷面(壩-020.00)、左岸2#斷面(壩-080.00)。

(1)左岸1#斷面:上游迎水面從沖溝處入滲,下游從粘土心墻下游岸坡邊界出逸,大壩軸線(及兩岸延長線)上為帷幕灌漿結(jié)束處,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分別確定巖體厚度,并投影至豎直平面確定滲流計算剖面。左岸1#斷面滲流計算見圖2。

圖2 左岸1#斷面滲流計算

(2)左岸2#斷面:上游迎水面從沖溝處入滲,下游從沖溝位置出逸,大壩軸線(及兩岸延長線)上為正常蓄水位與10Lu線相交處,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分別確定巖體厚度,并投影至豎直平面確定滲流計算剖面。左岸2#斷面滲流計算見圖3。

圖3 左岸2#斷面滲流計算

(3)左岸1#斷面計算結(jié)果:單寬滲流量=1.88×10-6m3/s。下游出逸點高程419.16m,低于棱體頂。

(4)左岸2#斷面計算結(jié)果:單寬滲流量=1.06×10-6m3/s。下游出逸點高程418.50m,低于棱體頂。

3.2 右岸壩肩滲流分析計算

右岸岸坡擬定兩個計算斷面:右岸1#斷面(壩+160.00)、右岸2#斷面(壩0+180.00)。

(1)右岸1#斷面:上游迎水面從粘土心墻上游岸坡邊界入滲,下游從粘土心墻下游岸坡邊界出逸,大壩軸線(及兩岸延長線)上為帷幕灌漿結(jié)束處,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分別確定巖體厚度,并投影至豎直平面確定滲流計算剖面。右岸1#斷面滲流計算見圖4。

圖4 右岸1#斷面滲流計算

(2)右岸2#斷面:上游迎水面從粘土心墻上游岸坡邊界入滲,下游從粘土心墻下游岸坡邊界出逸,大壩軸線(及兩岸延長線)上為正常蓄水位與10Lu線相交處,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分別確定巖體厚度,并投影至豎直平面確定滲流計算剖面。右岸2#斷面滲流計算見圖5。

圖5 右岸2#斷面滲流計算

(3)右岸1#斷面計算結(jié)果:單寬滲流量=2.62×10-6m3/s。下游出逸點高程418.59m,低于棱體頂。

(4)右岸2#斷面計算結(jié)果:單寬滲流量=1.05×10-6m3/s。下游出逸點高程418.50m,低于棱體頂。

4 壩肩滲流計算結(jié)果分析

(1)左岸岸坡滲漏量:上游正常蓄水位447.00m,相應(yīng)下游水位時的穩(wěn)定滲流期,左岸1#斷面單寬滲流量=1.88×10-6m3/s;左岸2#斷面單寬滲流量=1.06×10-6m3/s,平均單寬滲流量=1.47×10-6m3/s。大壩軸線(及兩岸延長線)上計算長度63m,年滲漏量2920.55m3。水庫正常蓄水位以下庫容為296萬m3,左岸岸坡年滲漏量占比0.10%。

(2)右岸岸坡滲漏量:上游正常蓄水位447.00m,相應(yīng)下游水位時的穩(wěn)定滲流期,右岸1#斷面單寬滲流量=2.62×10-6m3/s;右岸2#斷面單寬滲流量=1.05×10-6m3/s,平均單寬滲流量=1.84×10-6m3/s。大壩軸線(及兩岸延長線)上計算長度81m,年滲漏量4687.35m3。水庫正常蓄水位以下庫容為296萬m3,右岸岸坡年滲漏量占比0.16%。

綜上,左岸岸坡、右岸岸坡(繞壩)滲漏量均很小,小于水庫正常蓄水位以下庫容的0.3%,對水庫的功能基本無影響[6]。因此,擬定的左右壩肩帷幕灌漿范圍合適。

5 結(jié)語

雖然壩肩滲流分析計算模型不好確定,但根據(jù)水庫的地形地質(zhì)條件,通過合理的分析計算,可作為大壩設(shè)計時帷幕灌漿范圍確定的重要參考,在實際工作中具有較強的可操作性,對優(yōu)化帷幕灌漿方案有較好的應(yīng)用意義。