砂卵石地基上一座溢流重力坝的坝基渗透稳定反算分析

黎运棻

（水利部山西水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

某径流式引水电站的引水枢纽坝址以上控制流域面积9060 km2,多年平均径流量14.9亿m3,坝址以下河道蜿蜒曲折，流长16km至水电站站址处河床落差60 m，其间由引水枢纽开凿一条长1230 m压力隧道至电站，可获得此水头，水力资源条件十分优越。该项工程从1988年建成运行以来，已安全运行25年，本文概略说明引水枢纽工程布置，重点对坝基抗渗稳定进行反算分析。

1 引水枢纽总体布置

引水枢纽位于河流干流上，由拦河溢流坝、冲沙泄水闸、进水闸以及左右岸连接部分组成。

拦河溢流坝。坝长154m,坝高12m,坝底高程345.00 m，坝顶高程357.00 m,设计溢洪流量5150 m3/s。

冲沙泄水闸。三孔冲沙泄水闸紧接溢流坝左坝端,与溢流坝呈一字形布置，每孔净宽4m。闸槛高程347.50 m,闸孔高5.0 m,上部为胸墙挡水，闸顶高程366.50 m。设有工作钢闸门和3孔共用检修闸门，最大泄洪流量586m3/s。

进水闸。双孔进水闸与冲沙闸呈28°内折轴线相连，每孔净宽4.80 m。闸槛高程349.50 m,高于冲沙闸底槛2.00 m，闸孔高5.0 m,上部为胸墙挡水，闸顶高程366.50m。设有工作钢闸门、检修钢闸门和拦污栅。闸前设有导向冲沙闸的弧形导沙坎。闸后由方涵渐变至圆形，与早期开凿成形的压力引水隧洞相接，隧洞内径5.2m，长1230 m,设计引水流量36m3/s。水电站装机容量17.5MW。

左右岸连接部分。左岸连接部分为浆砌石重力坝，坝顶长20 m，坝顶高程366.50 m。右岸连接部分为土石坝，坝顶长49m，坝顶高程366.50 m,并以空箱式岸墩与溢流坝相连。

2 坝基地层条件

坝址处河床标高348.50 m,表层有2～2.7m厚含黏砂卵石层，下界面约为345.0 m。界面以下为近代河床冲洪积层，岩性以砂卵石为主，层间夹有含泥的砂卵（砾）石层，综合渗透系数50 m/d。

约在325m高程分布一层具有一定连续性的黏性土含少量卵（砾）石层，该层具有一定隔水作用,层面以上砂卵石层胶结性较差，干容重约1.7～1.8t/m3,颗粒级配不良，缺少中间粒径，不均匀系数在35～714，坝基渗流稳定问题较为突出。层面以下砂卵石层胶结性较强，下界岩面为寒武系中统鲕状灰岩,岩面标高315.0 m,可视为相对不透水层。

3 拦河溢流坝布置

拦河溢流坝位于主河床上,横剖面如图1所示,是保证水电站正常引水位和溢洪的建筑物，为非均质材料软基上溢流式重力坝，即坝体底层和上游坝面为混凝土结构，溢流面为浆砌料石，坝体内部为浆砌块石结构。溢流堰面按“wes”非真空实用断面设计，下游以一段半径为10 m的圆弧与护坦相接。

坝底高程345.00 m，设计坝顶高程即正常挡水位为357.00 m，坝高12m,坝长154m。坝上游设计洪水位361.96m,过坝流量5150 m3/s,平均单宽流量33.44m3/s.m；校核洪水位363.73m,过坝流量7630 m3/s,平均单宽流量49.55m3/（s.m）。由于坝上游弯道水流影响，过坝单宽流量分布不均，左坝段最大过坝单宽流量可达43m2/（s.m）（设计）～58m3/（s.m）（校核）。

过坝水流为低水头、低佛氏系数、大单宽流量的底流式水跃，通过水工模型试验，坝下游采用低尾坎双面“T”形墩消能，在墩首形成多方向水流对撞，增大消能效果，以缩短下游护坦长度。

溢流坝底宽25m。坝上游采用黏土夹土工膜铺盖，铺盖长150 m，厚0.80 m,铺盖首端截墙深2.80 m,铺盖末端加厚至2.80 m与坝基底层相连。坝下游钢筋混凝土护坦段长40 m;其中上段长23.00 m,厚2.00 m,设有低尾坎双面“T”形消能墩;下段长17.00 m，厚1.00 m,设有排水孔，孔下设有反滤3层，厚1.00 m。海漫段长40.00 m，其中水平段长10.00 m；下段长30.00 m，纵坡0.02，为石笼结构，笼底铺设反滤料，出口设有防冲槽。

为了有利于坝体抗滑稳定和坝基应力要求，将表层较松软的黏土含砾层清除，坝基坐落在345.00 m砂卵石层上，包括局部坝段345.00 m以下残留泥砾石挖出后换填石渣,采用摩擦系数f=0.50。设计中分别进行了正常引水位、正常引水位加地震、设计洪水位及校核洪水位情况的抗滑稳定计算，坝体抗滑稳定系数均满足有关设计规范要求，坝基最大应力205kN/m2，上下游坝基最大应力差2.63倍。

图1 砂卵石地基上某重力溢流坝剖示图

4 坝基抗渗稳定分析

鉴于坝基砂卵石颗粒级配不良，不均匀系数在35～714，设计过程中曾收集了已建类似工程资料，并对防渗方案进行了比较。

如下马岭坝，混凝土溢流坝段长80 m,高23m，底宽43m,坝基砂卵石层最大深度38m,采用垂直防渗方案，用3排帷幕灌浆孔形成11m厚帷幕，截断了砂卵石层渗流，属于在砂卵石覆盖层中采用灌浆帷幕的较少工程实例。

又如下苇甸坝，坝基砂卵石层最大深度39m,混凝土溢流坝长220 m,高8.8m，采用混凝土防渗墙截断砂卵石覆盖层渗流，这类防渗的工程实例较多。

本工程设计过程中，曾进行了水平铺盖防渗、垂直防渗（包括混凝土防渗墙、灌浆帷幕、高压喷射防渗墙），以及水平铺盖与悬卦式防渗墙相结合等方案比较，曾推荐采用混凝土防渗墙方案。由于工期和投资等所限，改用150 m长水平铺盖施工建成，该工程建成25年以来，运行良好，现对其抗渗稳定进行反算分析如下：

4.1 允许渗流坡降值分析

根据SL265-2001水闸设计规范（以下称设计规范），对砂卵石地基出口段抗渗稳定性，应首先判别可能发生的破坏形式是流土或是管涌：当4pf（1-n）＞1.0时，为流土破坏；当4pf（1-n）＜1.0时，为管涌破坏。设计规范中给定坝基出口段防止管涌破坏的允许渗流坡降值按下式计算：

式中：[J]——防止管涌破坏的允许渗流坡降值；

df——闸坝基土的粗细颗粒分界粒径，mm；

pf——小于df的土粒百分数含量，%；

n——闸坝基土孔隙率（本工程取n=0.3566）；

d5、d15、d85—— 闸坝基土颗粒级配曲线上小于含量5%、15%、85%的粒径，mm；

K——防止管涌破坏的安全系数，可取1.5～2.0（本工程取1.5）。

笔者以可能被渗流冲动的粒径为0.2mm代替式（1）中的d5，得到改进计算式

据地质勘察获得坝基325m高程以上不同深度、基本等距的8层土粒级配，可认为基本上综合反映了砂卵石坝基的土粒级配，可分层计算确定各层允许渗流坡降值，由综合平均确定坝基出口段允许渗流坡降值。

笔者根据各层土粒级配，首先分层判别可能发生的破坏形式是流土或是管涌。属于流土形式的允许渗流坡降值按粉细砂取值0.30，该值亦同步相当安全系数为1.5。属于管涌形式的由设计规范给定的式（1）和本文的改进式（3），分别计算防止管涌破坏的允许渗流坡降值。由于各层试样基本等距，出口段透水层的渗流流线呈弯曲向上，各层间渗流条件相互影响，可取多层综合平均值进行坝基透水层渗流稳定计算，从而得到出口段允许渗流坡降综合均值，见表1。

表1 坝基出口段防止管涌及流土破坏的允许渗流坡降值计算成果表

表1是对坝基325m高程分布一层具有一定连续性的黏性土含少量卵（砾）石层，层面以上的分层土粒级配计算所得，考虑到这一层连续性还不完整，不宜视为相对不透水层。325m至315m间的砂卵石层虽缺土粒级配，因其胶结性较强，表1中的粒径及其判别形式可以包括坝基砂卵石层抗渗性能，且偏于安全，故以坝基深度315.0 m鲕状灰岩为相对不透水层，允许渗流坡降取表1综合均值进行分析。

在表1中，由式（1）得到防止管涌的允许坡降值，与防止流土的允许坡降值的综合均值[J]=0.089。若取安全系数为1.0，相应临界值为0.134。若考虑出口反滤排水作用，出口段允许渗流坡降加大30%，[J]=0.116。

由式（3）得到防止管涌的允许坡降值，与防止流土的允许坡降值的综合均值[J]=0.158。若取安全系数为1.0，相应临界值为0.237。若考虑出口反滤排水作用,出口段允许渗流坡降加大30%，[J]=0.205。

4.2 渗流坡降值计算

用改进阻力系数法计算坝基渗流坡降，分析计算如下：

如图1所示，坝基垂直投影长度S0=2.80 m,从铺盖首端至渗流出口的坝基水平投影长度L0=198m,由L0/S0>5,坝基计算深度Te=0.5L0=99m，因Te值大于相对不透水层315.0 m以上坝基深度,应按坝基实际深度计算。

其中，忽略铺盖与坝基连接处加厚的影响，以及忽略铺盖进口截墙水平方向厚度的影响，从而：

其中，同前所述，S=2.00 m，T=32m。

（4）坝基和护坦前段的水平段阻力系数：计算式与水平铺盖段阻力系数计算式相同，（忽略坝基倒凹体形影响）计算得ξx2=1.60。

其中，S1=S2=0.00；T=345.00-315.00=30.00m；Lx=48.00m。

（5）出口段阻力系数：计算式与进口段相同，计算得出口段阻力系数ξ02=0.467。

其中，S=2.00 m；T=30.00 m。

（6）首次计算的分段水头损失值可按下式计算：

式中：hi——首次计算分段水头损失值,m;

ξi——分段阻力系数（本工程以 ξ01、ξx1、ξy、ξx2、ξ02表示）；

n——分段数(本工程为5段);

△H——上下游计算水头差,m。

按上游正常水位357.00 m，下游近似按无水考虑，由式（4）得到首次计算分段水头损失值，见表2。

表2 首次计算分段水头损失值/m

（7）进、出口段阻力修正系数计算式:

式中：β——进、出口阻力修正系数，当β≥1.0，取β=1.0；

T——进、出口外侧地基透水层深度（包括铺盖或反滤排水层），m;

T'——进、出口内侧地基透水层深度，m;

S'——底板埋深与板桩入土深度之和，m。

由图1可见，进口段T=32.80 m，T'=32.00 m，S=2.80 m，将以上各值代入式（5）得

进口段修正系数β=0.693；

修正后进口段水头损失减小值△h=0.645-0.447=0.198m。

出口段T=32.80 m，T'=30.00 m，S=2.00 m,将以上各值代入式（5）得

出口段修正系数β=0.554；

修正后出口段水头损失减小值△h=0.649-0.360=0.289m。

将修正后的进、出口段水头减少值△h向相临段分配修正，当△h值小于相临段首次计算水头损失值时，则将△h值与相临段首次计算水头损失值相加，即完成分配修正；当△h值大于相临段首次计算水头损失值时，则修正后相临段水头损失为2倍首次计算水头损失值，余量值再向另侧相临段分配，直到分配完为止。本工程一次分配即完成，详见表3。

表3 修正后分段水头损失值及渗流坡降值

4.3 对坝基渗流稳定反算分析的评估

（1）表3中，出口段渗流坡降为0.18，与电拟试验值较接近，计算成果可信。

（2）出口段渗流坡降值均大于式（1）所得的允许值、加大值及其临界值，由工程安全运行25年实践，表明式（1）不符合本工程坝基条件。

（3）出口段渗流坡降值为0.18，略大于式（3）所得不计反滤排水作用的允许值0.158，但均小于式（3）所得计入反滤排水的加大值0.205及其无反滤排水的临界值0.237。

（4）由表3可见，各段渗流坡降值均在允许值内，故坝基渗流稳定安全，与工程运行状况相符。

5 结论

（1）改进式（3）可用于计算本工程砂卵石坝基出口段防止管涌破坏的允许渗流坡降值，式（1）不适用于本工程地基条件。

（2）对复合结构砂卵石地基出口段的允许渗流坡降值，可由分层粒径计算各层允许渗流坡降值，并取加权平均值；当分层厚度相等或相近时，可取综合平均值。

（3）本工程宜在渗流出口增设一道深2～3m截渗墙，可进一步减小出口段渗流坡降值。

（4）本工程采用铺盖长150 m,相当15倍上下游水头差,5倍覆盖层深度，是较经济的方案。