华儿湾水库坝肩帷幕灌浆方案优化研究

邓建文

(四川南充水利电力建筑勘察设计研究院,四川南充,637000)

0 引言

水库工程建设依然是我国水利行业发展的重要核心,近年来全国每年都有数百座新建水库工程开工建设,同时还有上千座已建水库的除险加固,水库大坝的防渗处理是保证水库安全运行和发挥效益的根本保障[1-2]。特别是小型水库建设条件相对较差,很多水库位于山谷中,两岸山高坡陡,在设计坝肩帷幕灌浆范围时往往不能按照正常蓄水位与相对不透水层在两岸相交处的方式处理,进而采用两岸延伸一定范围后直接截断的方式,很多水库在确定这个范围时一般是采用经验判断,缺少理论依据,与规范要求不符。

1 案例工程基本情况

华儿湾水库是一座以农业灌溉、乡村供水为主的小(1)型水利工程,总库容341万m3,兴利库容267.5万m3,灌溉面积0.1万hm2,乡村供水1.8万人。工程枢纽为Ⅳ等工程,主要建筑物级别为4级,次要建筑物为4级,临时建筑物为5级,渠系建筑物为5级。华儿湾水库工程由大坝、泄洪(放空、取水)设施、渠系工程及管理设施等组成。大坝为粘土心墙石渣坝,坝长142m,最大坝高34.8m,坝顶高程449.80m,坝顶宽6m。

左坝肩所在山嘴地段,岩体厚度为105m～115m,处于侧向强、弱风化带,风化带内裂隙发育,左坝肩强、弱风化带和新鲜带上部10.0m段岩体透水率为12.5Lu～78.7Lu,属中等透水层,透水层厚度34.0m～36.0m,存在坝肩及绕坝渗漏;新鲜岩体在高程405.24m～400.14m段岩体透水率为11.5Lu,亦属中等透水层;其余地段岩体透水率为2.6Lu～8.9Lu,属弱透水层。右坝肩强、弱风化带及新鲜基岩上部18.0m段岩体透水率为64.8Lu～11.8Lu,属中等透水层;新鲜岩体在高程414.94m～409.84m段岩体透水率为15.7Lu,亦属中等透水层;其余地段岩体透水率为2.6Lu～8.7Lu,属弱透水层。左、右坝肩存在渗漏问题。

大坝坝基沿坝轴线布置一排帷幕灌浆孔,孔距1.8m,灌浆由建基面灌至弱透水层(q=10Lu)以下5m[1,3]。

2 坝肩帷幕灌浆范围的拟定

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2020),灌浆帷幕伸入两岸的长度可根据下列要求之一确定[4]:

(1)至水库正常蓄水位与水库蓄水前两岸的地下水位相交处;

(2)至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处;

(3)根据防渗要求,按渗流计算成果确定。

比较常用的是第二种方式,这种确定方式简单明确。但当坝肩两岸山体高陡,空钻段很深时,如果完全按照“至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处”确定灌浆长度范围,往往向两岸山体延伸太多,或者采用灌浆平洞也很长,可能造成不利于施工和投资较高、不经济的情况[4]。因此,在实际工程中,大部分工程没有完全按照第2条确定,都对长度进行了缩减,但基本基于经验数据,未认真分析计算。

本工程根据坝肩地形地质条件拟定采用的坝肩帷幕灌浆范围为:左坝肩帷幕灌浆轴线沿坝轴线延长120m,孔距1.8m,坝肩顶部灌至高程447.00m;底部灌至弱透水层(q=10Lu)以下5m。右坝肩帷幕灌浆轴线沿坝轴线延长60m,孔距1.8m,坝肩顶部灌至高程447.00m;底部灌至弱透水层(q=10Lu)以下5m[5]。

图1 大坝帷幕灌浆布置

3 左右坝肩渗流分析计算

(1)计算工况:根据水库运行经常出现的情况选取,上游正常蓄水位447.00m时,相应下游水位及所形成的的稳定渗流期。

(2)计算方法:按照达西定律,采用二维有限元法进行渗流稳定分析计算,分析软件采用河海大学编制的水工结构有限元分析系统AUTObank7.0。

(3)边界条件:大坝粘土心墙、防渗帷幕、坝基及两岸10Lu线以下的岩体组成相对不透水体。两岸上游迎水面以粘土心墙上游岸坡边界和天然岸线为入渗边界。两岸下游以粘土心墙下游岸坡边界和天然岸线为出逸边界。大坝轴线(及两岸延长线)上为帷幕灌浆结束处至正常蓄水位与10Lu线相交处的区间范围[3]。

(4)计算断面的假定:根据水库特征水位、粘土心墙结构布置及相对不透水岩体分布,确定渗流分析计算高程区间为415.00m～449.30m。按平面渗径最短,分高程确定岩体厚度,并投影至竖直平面确定渗流计算剖面。

左右岸坡岩体渗透系数[5]见表1。

表1 岩体渗透系数

3.1 左岸坝肩渗流分析计算

左岸岸坡拟定两个计算断面:左岸1#断面(坝-020.00)、左岸2#断面(坝-080.00)。

(1)左岸1#断面:上游迎水面从冲沟处入渗,下游从粘土心墙下游岸坡边界出逸,大坝轴线(及两岸延长线)上为帷幕灌浆结束处,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分别确定岩体厚度,并投影至竖直平面确定渗流计算剖面。左岸1#断面渗流计算见图2。

图2 左岸1#断面渗流计算

(2)左岸2#断面:上游迎水面从冲沟处入渗,下游从冲沟位置出逸,大坝轴线(及两岸延长线)上为正常蓄水位与10Lu线相交处,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分别确定岩体厚度,并投影至竖直平面确定渗流计算剖面。左岸2#断面渗流计算见图3。

图3 左岸2#断面渗流计算

(3)左岸1#断面计算结果:单宽渗流量=1.88×10-6m3/s。下游出逸点高程419.16m,低于棱体顶。

(4)左岸2#断面计算结果:单宽渗流量=1.06×10-6m3/s。下游出逸点高程418.50m,低于棱体顶。

3.2 右岸坝肩渗流分析计算

右岸岸坡拟定两个计算断面:右岸1#断面(坝+160.00)、右岸2#断面(坝0+180.00)。

(1)右岸1#断面:上游迎水面从粘土心墙上游岸坡边界入渗,下游从粘土心墙下游岸坡边界出逸,大坝轴线(及两岸延长线)上为帷幕灌浆结束处,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分别确定岩体厚度,并投影至竖直平面确定渗流计算剖面。右岸1#断面渗流计算见图4。

图4 右岸1#断面渗流计算

(2)右岸2#断面:上游迎水面从粘土心墙上游岸坡边界入渗,下游从粘土心墙下游岸坡边界出逸,大坝轴线(及两岸延长线)上为正常蓄水位与10Lu线相交处,按449.30m、447.00m、440.00m、435.00m、430.00m、425.00m、420.00m、415.00m高程分别确定岩体厚度,并投影至竖直平面确定渗流计算剖面。右岸2#断面渗流计算见图5。

图5 右岸2#断面渗流计算

(3)右岸1#断面计算结果:单宽渗流量=2.62×10-6m3/s。下游出逸点高程418.59m,低于棱体顶。

(4)右岸2#断面计算结果:单宽渗流量=1.05×10-6m3/s。下游出逸点高程418.50m,低于棱体顶。

4 坝肩渗流计算结果分析

(1)左岸岸坡渗漏量:上游正常蓄水位447.00m,相应下游水位时的稳定渗流期,左岸1#断面单宽渗流量=1.88×10-6m3/s;左岸2#断面单宽渗流量=1.06×10-6m3/s,平均单宽渗流量=1.47×10-6m3/s。大坝轴线(及两岸延长线)上计算长度63m,年渗漏量2920.55m3。水库正常蓄水位以下库容为296万m3,左岸岸坡年渗漏量占比0.10%。

(2)右岸岸坡渗漏量:上游正常蓄水位447.00m,相应下游水位时的稳定渗流期,右岸1#断面单宽渗流量=2.62×10-6m3/s;右岸2#断面单宽渗流量=1.05×10-6m3/s,平均单宽渗流量=1.84×10-6m3/s。大坝轴线(及两岸延长线)上计算长度81m,年渗漏量4687.35m3。水库正常蓄水位以下库容为296万m3,右岸岸坡年渗漏量占比0.16%。

综上,左岸岸坡、右岸岸坡(绕坝)渗漏量均很小,小于水库正常蓄水位以下库容的0.3%,对水库的功能基本无影响[6]。因此,拟定的左右坝肩帷幕灌浆范围合适。

5 结语

虽然坝肩渗流分析计算模型不好确定,但根据水库的地形地质条件,通过合理的分析计算,可作为大坝设计时帷幕灌浆范围确定的重要参考,在实际工作中具有较强的可操作性,对优化帷幕灌浆方案有较好的应用意义。