朱國勝，張家發(fā)，劉小江，李少龍

(1.長江科學院 a. 水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢　430010；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢　430010)

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興隆水利樞紐壩基滲流控制研究

朱國勝1a,1b，張家發(fā)1a,1b，劉小江2，李少龍1a,1b

(1.長江科學院 a. 水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢430010；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢430010)

摘要：由于興隆水利樞紐大壩壩基存在深厚的強透水粉細砂層和砂礫石層，壩基的滲透穩(wěn)定性及滲漏問題成了需要重點研究的課題。對廠房壩段和泄水閘壩段壩基進行了三維滲流計算分析，著重對比分析了不同滲控措施的效果。結(jié)果表明，在設計水位條件下，采用一定的滲控措施可以使壩基粉細砂出逸坡降≤0.30；當考慮下游水位下降時，廠房壩段尾水渠粉細砂出逸坡降將>0.30，泄水閘壩段粉細砂出逸坡降將>0.20，但<0.30，粉細砂的滲透穩(wěn)定更依賴于反濾保護。

關鍵詞：興隆水利樞紐；滲流控制；三維滲流計算；滲透系數(shù)；出逸坡降

1工程概況

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km,下距河口273.7 km，是南水北調(diào)中線漢江中下游4項治理工程之一，同時也是漢江中下游水資源綜合開發(fā)利用的一項重要工程，其作用是壅高水位、增加航深，從而保證漢江兩岸農(nóng)田的灌溉引水，并改善華家灣至興隆河段的航道條件。

興隆水利樞紐由攔河水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸灘地過流段及連接交通橋等建筑物組成，樞紐擋水后最大水頭差7 m左右，屬平原區(qū)水閘樞紐工程，其中攔河水閘為樞紐最主要建筑物，工程等別為I等，工程規(guī)模為大(1)型。樞紐正常蓄水位36.2 m，相應庫容2.73億m3，規(guī)劃灌溉面積21.84萬ha，規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，電站裝機容量40 MW。樞紐大壩主要坐落在粉細砂層之上，其下為砂礫石層，基巖埋藏較深，防滲系統(tǒng)采用懸掛式防滲墻方案，基礎采用攪拌樁方案加固。

2工程地質(zhì)條件及工程布置

興隆樞紐的主要建筑物平面布置見圖1，泄水閘采用開敞式平底閘型式，共56孔，單孔凈寬14.0 m，兩側(cè)連接門庫段，左、右門庫分別與左岸漫灘過流段交通橋、右岸電站廠房相連接。廠房壩段和泄水閘壩段壩址區(qū)發(fā)育厚層(含泥)粉細砂和砂礫(卵)石層。

圖1　主要建筑物平面布置Fig.1　Planar graph of main buildings

泄水閘基礎防滲采用40 cm厚的塑性混凝土防滲墻，墻底高程11.60 m，閘基順水流向設5排攪拌樁格柵，順壩軸線向格柵間距為4.50～4.95 m，攪拌樁底高程14.60 m，泄水閘典型斷面見圖2。

圖2　泄水閘典型斷面Fig.2　Typical section of sluice

電站位于右岸漫灘與河槽的交接部位，泄水閘右側(cè)，沿壩軸線長度112 m。河槽段河床高程為27.97～29.53 m，高漫灘地面高程約37.90 m。電站主廠房建基面處(高程10.20 m)為粉細砂層，距下臥的強透水砂礫(卵)石層頂板平均距離約為6.6 m。電站廠房基礎也采用塑性混凝土防滲墻(厚40 cm)與格柵式水泥土攪拌樁相結(jié)合的處理方式，水泥土攪拌樁兼起到地基加固和一定的防滲作用。電站廠房典型斷面圖見圖3。

圖3　電站廠房典型斷面Fig.3　Typical section of powerhouse

3滲流分析

3.1計算方法與模型

滲流計算分析采用長江科學院三維飽和滲流有限元程序(S3D)，其原理參見文獻[1-2]，本程序成功應用于三峽工程[3-5]、水布埡大壩[6-7]以及日冕電站[8]等大型工程中。本次研究分2個階段進行：第1階段針對廠房壩段和泄水閘壩段分別選取典型斷面，進行6個方案的二維滲流計算，然后取廠房壩段和泄水閘壩進行共6個方案的三維滲流計算，重點分析廠房壩段與門庫段交界處的滲流狀態(tài)，通過滲透系數(shù)敏感性分析、不同水位組合及不同運行條件下壩基的滲流計算分析，得出壩基滲流分布規(guī)律，復核設計條件下壩基的滲透穩(wěn)定性。在第1階段工作的基礎上，第2階段以整個樞紐為模型進行13個方案的三維滲流分析，考慮右岸防滲段、右岸船閘、連接段、安裝場、廠房、門庫段、泄水閘作為一個整體進行三維建模，重點分析廠房壩段壩基和廠房與泄水閘銜接段的滲流狀態(tài)，考慮多種邊界條件和不同的滲控措施，對滲控效果進行分析評價。

限于篇幅，本文僅對第2階段的計算方案進行介紹。三維模型網(wǎng)格見圖4，模型左邊界y=-212 m，船閘的左邊y=-127 m、右邊y=-80 m，安裝場左邊y=0 m，廠房右邊y=112 m，模型右邊界y=689 m，頂部邊界取壩基高程，底部邊界取z=-120 m。模型沿壩軸線方向長900 m，順水流向長1 000 m。

圖4　三維模型網(wǎng)格

3.2計算參數(shù)與方案

計算條件為正常運用工況和河床下切不利工況，上游水位取正常蓄水位36.20 m；下游水位取下游最低水位29.05 m；當考慮下游河床下切1.50 m時，下游水位取27.55 m。粉細砂的垂直允許坡降為0.20～0.30[9-10]，本文取0.30。粉砂的水平允許坡降為0.05～0.07，細砂水平允許坡降為0.07～0.10[11]，本文取0.07。各土層的滲透系數(shù)按地質(zhì)勘探取值，計算參數(shù)見表1,計算方案見表2。

表1　滲流計算參數(shù)

3.3計算成果及分析

3.3.1方案1

本方案考慮了安裝場及廠房段上游均有防滲鋪蓋，寬度為112 m，范圍為從進水渠防沖槽至廠房前沿，長約66 m，鋪蓋范圍見圖5中陰影所示。各建筑物底的攪拌樁布置及深度均按設計條件考慮。

通過對計算成果分析發(fā)現(xiàn)，除廠房壩段外，其它壩段壩后粉細砂的垂直出逸坡降在下游水位為29.05 m的條件下均<0.20，廠房下游一定范圍內(nèi)的滲透坡降最大，因此是比較和論證滲流控制措施的重點區(qū)域。表3列出了廠房后5個剖面(y=1，11，56，101，111 m)距離廠房后邊緣距分別為0，1.25，2.50，3.75，5.00，7.87，10.74，13.61 m處粉細砂的垂直出逸坡降，廠房中心剖面(y=56 m)滲流等勢線見圖6，建基面高程(z=9.9 m)剖面滲流等勢線見圖7，從中可以看出，在廠房尾水渠兩側(cè)繞滲較嚴重。

表2　滲流計算方案

圖5　廠房壩段平面圖Fig.5　Planar graph of powerhouse segment

從表3的計算結(jié)果可以看出，以粉細砂允許坡降上限0.30作為判斷依據(jù)，不考慮反濾料的保護作用，廠房后緣附近、廠房后13.61 m范圍內(nèi)與門庫段交界處粉細砂的出逸坡降均超過0.30(表3中下劃線數(shù)值部分)，不能滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.3.2方案2

在方案1的基礎上，考慮尾水渠兩側(cè)有深至砂礫石層的攪拌樁，樁底高程為5 m，攪拌樁從廠房后布置到下游防沖槽。表4列出了廠房后關鍵區(qū)域處粉

表3　方案1計算成果

注：帶下劃線數(shù)值>0.30，不能滿足滲透穩(wěn)定要求。

圖6　方案1廠房壩段中部剖面滲流等勢線Fig.6　Equipotential lines of seepage in the middle ofpowerhouse section (scheme 1)

圖7　方案1建基面剖面滲流等勢線

細砂的垂直出逸坡降。從計算結(jié)果可以看出，在尾水渠兩側(cè)增設攪拌樁后，廠房后緣附近粉細砂層的垂直出逸坡降(表4中下劃線的數(shù)值)超過0.30，仍不能滿足穩(wěn)定要求，但廠房與門庫段交界處粉細砂的出逸坡降已降至0.30以下，可見尾水渠兩側(cè)增設攪拌樁對防止廠房兩側(cè)的繞滲具有較明顯的效果。

表4　方案2計算成果

注：帶下劃線數(shù)值>0.30，不能滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.3.3方案3

由于方案2廠房后緣粉細砂出逸坡降仍不能滿足穩(wěn)定要求，需要在廠房后采取適當工程措施。在方案2的基礎上，考慮在廠房后5 m范圍內(nèi)回填一定厚度的砂礫石強透水層，回填深度為1.5～2.0 m，砂礫石滲透系數(shù)取0.1 cm/s。表5列出了廠房后不同位置距廠房不同距離處地表土體的垂直出逸坡降，表中同時列出了與表層砂礫石相接觸的粉細砂的垂直坡降(表中對應于每個剖面，上排數(shù)值為表層砂礫石垂直坡降，下排數(shù)值為與砂礫石相接觸的粉細砂的垂直坡降)。

表5　方案3計算成果

注：帶下劃線數(shù)值>0.30，不能滿足滲透穩(wěn)定要求。從表5看出，考慮在廠房后5 m范圍內(nèi)回填一定厚度的砂礫石透水層后，廠房后的垂直出逸坡降均能<0.30，其中表層砂礫石的出逸坡降為0.01左右，但下部與之接觸的粉細砂的垂直坡降(表5中的下劃線數(shù)值)均>0.30，可見粉細砂層的滲透穩(wěn)定性仍需要依賴上部回填的砂礫石層的反濾保護。

3.3.4方案4

由于方案2廠房后緣附近粉細砂出逸坡降不能滿足穩(wěn)定要求，本方案試圖在廠房后采取另一種工程措施，即在方案2的基礎上，考慮在廠房后5 m范圍內(nèi)建基面高程處設置厚1 m的混凝土水平防滲層。與本方案類似，西霞院水庫電站廠房壩段壩基亦曾采用水平放置的“[”形混凝土防滲墻[12]，并取得了較好的防滲效果。表6列出了廠房后關鍵區(qū)域的垂直出逸坡降，廠房中部剖面(y=56 m)滲流等勢線見圖8。

表6　方案4計算成果

圖8　方案4建基面剖面滲流等勢線Fig.8　Equipotential lines of seepage in foundationsection(scheme 4)

從計算結(jié)果可以看出，考慮在廠房后5 m范圍內(nèi)建基面高程處設置水平混凝土防滲層、并配合尾水渠兩側(cè)的攪拌樁防滲措施后，廠房后的出逸坡降均<0.30，尤其是混凝土防滲層范圍內(nèi)的地表垂直坡降均不超過0.20。

圖9為距廠房后0～1.25 m、1.25～2.5 m、2.5～3.75 m、3.75～5 m處混凝土水平防滲層頂面和底面的水平坡降分布情況，其中頂面相應位置處水平坡降分別為0.02，0.06，0.10，0.38，底面相應位置處水平坡降分別為0.02，0.08，0.16，0.35?；炷了椒罎B層頂面和底面局部范圍內(nèi)的粉細砂水平坡降已超過允許坡降，存在局部接觸刷，應做好滲流出口的保護，防止細粒料流失。

圖9　方案4混凝土水平防滲層水平坡降分布

3.3.5方案5

針對方案2廠房后緣附近粉細砂出逸坡降不能滿足穩(wěn)定要求，本方案在方案2基礎上，將上游鋪蓋適當加寬，分析上游鋪蓋加寬對滲流場的影響，即將右岸連接壩段80 m寬的范圍內(nèi)設置與廠房進水渠同寬的防滲鋪蓋。計算結(jié)果顯示，右岸連接壩段上游增加鋪蓋后，廠房后緣附近出逸坡降比方案2略有降低，但仍都>0.30，粉細砂層的滲透穩(wěn)定仍不能滿足要求。

3.3.6方案6

在方案4基礎上，減少了安裝場上游32 m寬鋪蓋，保留廠房段80 m寬鋪蓋，增加門庫段上游20 m寬鋪蓋，去掉尾水渠兩側(cè)的攪拌樁。計算結(jié)果顯示，由于廠房后5 m范圍內(nèi)建基面高程處設置了厚1 m的水平混凝土防滲層，廠房后沿5 m范圍內(nèi)的出逸坡降滿足要求，但由于沒有尾水渠兩側(cè)的攪拌樁，泄水閘壩基的繞滲使得廠房與門庫交界處局部范圍內(nèi)(廠房后5～10 m范圍)的坡降>0.30。

3.3.7方案7

在方案6的基礎上，在廠房后靠門庫一側(cè)10 m范圍內(nèi)將水平混凝土防滲層延長5 m，希望降低該局部范圍內(nèi)的出逸坡降。計算結(jié)果顯示，通過局部延長水平混凝土防滲層，滲流出口進一步向后移動，雖然廠房后5～10 m范圍的出逸坡降滿足要求，但廠房后10～25 m范圍的出逸坡降卻不能滿足要求。而且由于距離廠房后越遠，粉細砂的厚度越大，再延長水平混凝土防滲層將大大增加開挖量，可見尾水渠兩側(cè)無攪拌樁時，僅靠延長水平防滲層難以達到效果。

3.3.8方案8

在方案6基礎上，考慮門庫段及擋土墻基礎為不透水，門庫段下游基礎沿壩軸線方向?qū)挾葹?0 m，順水流向從廠房后沿至廠房后16.5 m，其底部高程與廠房建基面相同；同時考慮門庫段攪拌樁底部至廠房建基面同高程(5 m)范圍內(nèi)用黏土回填，黏土回填順水流向范圍為從防滲墻至廠房后沿，黏土滲透系數(shù)取1×10-7cm/s。這樣考慮的目的是分析門庫段基礎對阻止泄水閘基礎向廠房基礎的繞滲是否有所幫助。

對比方案6的計算結(jié)果，本方案考慮門庫段下游基礎為混凝土不透水結(jié)構(gòu)時，廠房后與門庫交界處的出逸坡降有所增大，而且出逸坡降超過0.30的范圍也從廠房后5～10 m增大至5～13 m，其原因是門庫段基礎高程較高，當?shù)撞繛椴煌杆畷r，并不能有效阻止泄水閘基礎向廠房基礎的繞滲，反而使得門庫段基礎的水頭有所雍高，從而使得廠房與門庫段交界處的水頭雍高，因而坡降有所增加。

3.3.9方案9

由于方案8廠房與門庫段交界處局部出逸坡降超出0.30，在方案8基礎上，考慮在尾水渠與門庫段交界處設置一定長度的攪拌樁，以期減少泄水閘基礎的繞滲，從而降低出逸坡降。樁深至砂礫石頂面，長度為順水流向至廠房后30 m。計算結(jié)果表明，廠房后出逸坡降均<0.30。但距廠房后0～1.25 m、1.25～2.5 m、2.5～3.75 m、3.75～5 m處混凝土水平防滲層頂面底面的水平坡降分別為0.02，0.06，0.10，0.38，底面水平坡降分別為0.02，0.08，0.16，0.34，與方案4的結(jié)果相近?；炷了椒罎B層頂面和底面局部范圍內(nèi)的粉細砂水平坡降已超過允許坡降，存在局部接觸刷的可能性，應做好反濾保護。

3.3.10方案10

本方案的目的是分析上游鋪蓋對滲流場的影響，在方案9的基礎上，去掉廠房壩段進水渠的鋪蓋，僅保留門庫段20 m寬的鋪蓋。從計算結(jié)果看出，本方案與方案9的計算結(jié)果差別較小，關鍵區(qū)域粉細砂垂直出逸坡降仍<0.30，廠房進水渠段鋪蓋有一定的防滲作用。

3.3.11方案11

本方案的目的是進一步分析上游鋪蓋對滲流場的影響，在方案9的基礎上，去掉廠房段和門庫段的鋪蓋，結(jié)果表明泄水閘壩段壩后粉細砂最大垂直出逸坡降為0.20。

從計算結(jié)果看出，本方案與方案10的計算結(jié)果基本無差別，僅泄水閘的出逸坡降略有增大。廠房上游進水渠、安裝場上游及門庫段有和無防滲鋪蓋的計算結(jié)果差別不大，廠房壩段上游鋪蓋的防滲作用不明顯，其原因是上游庫區(qū)入滲面積較大，庫水主要通過大面積的上游庫區(qū)入滲，通過強透水砂礫石層滲流到下游，有限的上游鋪蓋起不到相應的防滲效果。

3.3.12方案12

本方案在方案9的基礎上，去掉了廠房段和門庫段的鋪蓋，并設門庫段下游基礎混凝土結(jié)構(gòu)為透水，分析門庫基礎透水與否對廠房下游滲流的影響。泄水閘壩段壩后粉細砂最大垂直出逸坡降仍為0.20，對比方案11的計算結(jié)果，兩者區(qū)別不大，這是由于尾水渠與門庫交界處設置的攪拌樁起到了防滲作用，使得門庫基礎透水與不透水對廠房段尾水渠的滲透坡降影響不大。對比方案7與方案8的計算結(jié)果，當尾水渠與門庫交界處不設置攪拌樁時，門庫基礎透水與不透水對廠房段尾水渠的滲透坡降的影響是較大的，說明尾水渠與門庫交界處設置攪拌樁是非常必要的。

3.3.13方案13

本方案下游水位降低0.50 m，下游水位為28.55 m，其余條件與方案11相同。計算結(jié)果表明，泄水閘壩段壩后粉細砂最大垂直出逸坡降達到0.22，廠房后7 m附近出逸坡降達到0.30。

3.3.14方案14

本方案下游水位降低1.00 m，下游水位為28.05 m，其余條件與方案11相同。泄水閘壩段壩后粉細砂最大垂直出逸坡降為0.23，廠房后7 m附近出逸坡降超過0.30，最大值為0.32，超過粉細砂允許坡降，需采取反濾保護措施。

3.3.15方案15

本方案下游水位降低1.50 m，下游水位為27.55 m，其余與方案11相同。泄水閘壩段壩后粉細砂最大垂直出逸坡降為0.24，廠房后7～10 m范圍內(nèi)尾水渠出逸坡降超過0.30，7～30 m范圍尾水渠與門庫段交界面出逸坡降超過0.30，最大值為0.34，超過粉細砂允許坡降，需采取反濾保護措施。

4結(jié)論

通過對不同滲控措施的效果的分析，初步設計階段地質(zhì)報告中粉細砂的垂直允許坡降建議值為0.20～0.30，本文以0.30的允許坡降上限值，對滲控措施進行了論證，得到如下主要結(jié)論及建議：

(1) 廠房壩段后緣無水平混凝土防滲層時，廠房后緣附近粉細砂垂直出逸坡降>0.30；廠房壩段與門庫交界處不設攪拌樁防滲墻時，交界處一定范圍內(nèi)粉細砂垂直出逸坡降>0.30，在無反濾保護時粉細砂滲透穩(wěn)定性難以得到保證。

(2) 設計水位條件和最低尾水位組合條件下，廠房后5 m范圍內(nèi)建基面高程處設置適當厚度的水平混凝土防滲層，對于降低粉細砂垂直出逸坡降有明顯的效果，可以使廠房后緣附近的垂直出逸坡降控制在0.30以下，只是混凝土防滲層下游端部粉細砂層水平接觸坡降較高，需采取措施防止接觸沖刷的產(chǎn)生。

(3) 尾水渠與門庫交界處設置混凝土攪拌樁，對于減小泄水閘基礎向廠房基礎繞滲的影響有較明顯的效果，可以使粉細砂垂直出逸坡降控制在0.30以下。但下游水位下降0.5～1.5 m后，即使采用上述滲控措施，尾水渠局部范圍內(nèi)垂直坡降仍將>0.30，其滲透穩(wěn)定性將依賴于反濾保護。

(4) 廠房后設置有水平混凝土防滲層、廠房與門庫交界處設攪拌樁防滲墻時，廠房、安裝場及門庫上游在進水渠長度范圍內(nèi)有、無防滲鋪蓋對廠房后關鍵區(qū)域滲場分布的影響不大。

(5) 泄水閘壩段壩后粉細砂層出逸坡降，在設計水位和最低尾水位組合條件下<0.20，滲透穩(wěn)定滿足要求；當考慮由于河床下切而出現(xiàn)更低下游水位條件時，將超過0.20，但<0.30。

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(編輯：黃玲)

Seepage Control Measures for the Foundationof Xinglong Hydropower Project

ZHU Guo-sheng1,2, ZHANG Jia-fa1,2, LIU Xiao-jiang3, LI Shao-long1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010,China; 2.National Research Center for Dam Safety Technology, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010,China；3.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan430010, China)

Abstract:Due to deep buried silty fine sand and sand gravel layers of strong permeability in the foundation of Xinglong hydropower project, the stability and seepage problem of the dam foundation are of great concern. By means of 3-D seepage analysis for the foundation of powerhouse segment and sluice segment, we compared the effects of different seepage control measures. Results reveal that under design water level condition, the exit gradient of foundation’s fine sand can be controlled less than 0.30 by taking some seepage control measures. When the downstream water level descents, the exit gradient of foundation fine sand will be larger than 0.30 behind the tail channel of powerhouse, and between 0.20 and 0.30 behind the sluice dam. The seepage stability of foundation fine sand is more relied on filter protection.

Key words:Xinglong hydropower project; seepage control; 3-D seepage analysis; coefficient of permeability; exit gradient

中圖分類號：TV22

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0145-06

doi:10.11988/ckyyb.201510682016,33(05):145-150，154

作者簡介：朱國勝(1972-)，男，湖北荊州人，教授級高級工程師，主要從事水工滲流及地下水環(huán)境研究，(電話)027-82927243(電子信箱)aazhuu@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(41402213)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費(CKSF2014055YT，CKSF2014058YT)；中國地質(zhì)大學教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災害研究中心開放性基金(TGRC201403)

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-20