王圪堵水库左坝肩下游护坡反滤设计

2014-03-28，

杨凌职业技术学院学报 2014年2期

，

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001)

1 工程概况

王圪堵水库位于陕西省榆林市横山县境内黄河一级支流无定河中游，是一座以供水、拦沙为主，兼顾灌溉等综合利用的Ⅱ等大(2)型水利枢纽工程。水库总库容3.89亿m3，坝后电站装机3.75 MW。王圪堵水库枢纽工程由碾压均质土坝、泄洪排沙洞、溢洪道、放水洞和坝后电站五部分组成。均质土坝坝顶高程1 054 m，最大坝高46.0 m，坝长950 m，坝顶宽度8.0 m，大坝上游坝坡坡比1∶3.0，在高程1 024 m处设一级马道，马道宽2 m。下游坝坡坡比1∶2.5，在高程1 030 m处设一级马道，马道宽2 m。左岸段和河床段采用混凝土防渗墙和帷幕灌浆作为垂直防渗体截断强透水层，右岸段采用截水槽和帷幕灌浆作为垂直防渗体截断强透水层，坝后设置水平排水带和排水棱体，形成上防下排的防渗体系。

2 工程地质

王圪堵水利枢纽工程坝址地层主要以第四系地层为主。左岸岸坡被第四系松散层覆盖，岸坡地形较陡，自然坡度30°～40°左右，由上更新统冲湖积和全新统坡积物组成，松散覆盖层可分为6个工程地质单元层，分别为①层人工堆积(Q4s)粉细砂，②层全新统坡积(Q4dl)粉细砂夹粉质壤土，④层全新统冲积(Q42-3al)细砂，⑤层全新统冲积(Q41al)粉细砂夹壤土薄层，⑥层上更新统风积(Q32eol)黄土，⑧层上更新统冲湖积(Q31al+l)粉细砂和砂壤土；基岩由侏罗系砂岩和泥岩组成，以砂岩为主、泥岩次之，强风化厚度2～5 m。

左岸岸坡砂层具强透水性，渗透系数K=3.35×10-3cm/s，允许渗透比降为0.14～0.16，需进行防渗处理；基岩透水率q1～35 Lu，透水率q大于5 Lu应进行防渗处理，左岸根据地层渗透稳定、渗漏总量控制及地质条件综合确定。

3 大坝左坝肩下游坡坡脚冒水问题分析

目前主体工程已经建成，开始蓄水至死水位1 027 m，发现靠近左坝肩下游坡坡脚出现冒水现象。

根据现场观测资料分析：①防渗墙前后水位突降7～9 m，防渗墙防渗效果明显；②左坝肩防渗墙后水位逐渐降落，根据计算左坝肩下游坡综合水力坡降约0.02～0.05小于左坝肩砂层的允许水力坡降0.15，不会发生渗透破坏；③冒水时大时小，均为清水。

按照上游水库死水位1 027 m，下游1 008 m进行绕坝渗流复核计算，渗流复核计算成果与观测资料基本吻合，出逸点处不会产生渗透破坏。

从以上分析说明冒水现象不可能是库区渗漏水造成，但目前左坝肩下游坡坡脚实际出现冒水现象，主要原因是左坝肩为深厚砂层，透水性较强，受左侧地下水补给影响，时大时小，加之河床较低，水往低处流，符合自然规律。

4 加固措施

左坝肩下游坡脚出现少量清水渗透现象是正常的，但当渗透水流的渗透坡降超过允许渗透坡降0.15时，水流将逐渐带走左坝肩下游坡及坡脚的细小颗粒，致使左坝肩下游坡产生具有危害性的渗透变形，因此为了防止左坝肩下游坡及下游坡坡脚发生渗透破坏，保证左坝肩下游坡和坡脚安全，需进行反滤设计。

按照上游水库正常蓄水位1 054 m，下游1 008 m进行绕坝渗流复核计算，渗流复核计算最不利工况(渗径最短处)，出溢点高程1 011.26 m，距坝下(移民道路)110 m处，溢出点高程为1 008.5 m，移民道路下游则不出露。故左坝肩下游坡坡脚处理范围为坝下移民道路以上至大坝下游坡脚处。设计采用贴坡式排水，顶高程1 013 m，在临近坝坡10 m范围内由1 013 m渐变到1 011 m，与大坝下游坡坡脚处排水棱体衔接，底高程自移民道路至大坝下游坡脚由1 008 m渐变到1 007 m，与坝下游坡脚排水沟衔接。为满足防冻要求贴坡排水上铺设砂层，顶高程1 015 m，顶宽6 m，坡比1∶2.5，砂层厚度保证不小于1.5 m。具体断面形式见图1。

图1

5 反滤设计

为了防止左坝肩下游坡及下游坡坡脚发生渗透破坏，保证左坝肩下游坡和坡脚安全，需进行反滤设计。

5.1 被保护土料资料

根据《王圪堵水库初步设计地勘报告》试验成果及颗粒分析，曲线特征值见表1。

表1 曲线特征值

5.2 被保护土分类

根据《碾压式土石坝设计规范》条文说明表8进行被保护土分类，以通过200号筛(0.075 mm)粒径的百分数为标准，从图1中分析通过0.075 mm粒径的百分数约为7.5%≤15%属4类土。

5.3 反滤料级配设计

左坝肩护坡设计采用砾石砌护，设计砾石最大粒径50 mm, d85=40 mm，d15=10 mm,含泥量小于5%。砾石和左坝肩细沙层之间不满足反滤要求，需设反滤层。

5.3.1 第一层反滤设计第一层反滤被保护土为左坝肩细沙层。

(1)按滤土要求确定反滤层允许最大D15值。根据《碾压式土石坝设计规范》条文说明表9，对4类土最大D15≤4d85。从表1中知粉细砂d85为0.23 mm，细沙d85为0.25mm，粉细砂最大D15≤4d85=4×0.23=0.92 mm，细沙最大D15≤4d85=4×0.25=1.0 mm，取最大D15值为0.9 mm。

(2)按排水要求确定反滤层允许最小D15值。根据《碾压式土石坝设计规范》条文说明表10，对所有类别土最小D15≥4d15，从表1中知粉细砂d15为0.083 mm，细沙d15为0.085 mm，故最小D15≥4d15=4×0.083=0.332 mm。取最小D15值0.35 mm。

(3)最大D15值与最小D15值调整。最大D15值与最小D15值比值小于5，不需调整，原计算的最大和最小D15分别作为控制点1和2。

(4) D60值确定。最大D10=最大D15/1.2=0.75 mm。最大D60=最大D10×6=0.75×6=4.5 mm，此点作为控制点3。最小D60=最大D60/5=5/5=0.9 mm，此点作为控制点4。

(5)最小D5与最大D100的确定。根据《碾压式土石坝设计规范》条文说明表12最大最小粒径准则，确定反滤料最小D5与最大D100，对所有类别最小D5<0.075 mm,最大D100<75 mm，分别作为控制点5和6。

(6)最小D10与最大D90的确定。最小D10=最小D15/1.2=0.35/1.2=0.29 mm。

根据《碾压式土石坝设计规范》条文说明表13，最大D90=20 mm，此点作为控制点7。

(7)反滤料上下包线的确定。将以上控制点绘制于被保护料颗粒级配曲线图上，连接控制点4、2和5确定反滤料的上包线，连接控制点6、7、3和1，确定反滤料的下包线，将上下包线延至100%即反滤料级配设计成果。反滤料上下包线见图2。

5.3.2 第二层反滤设计第二层以上述第一层反滤层为保护土体，从图2中上下包线中取第一层反滤料d15=0.40 mm，d85=10 mm，左坝肩护坡采用砾石(D85=40 mm，D15=10 mm)。按照太沙基滤土和排水准则，以D15/d15=10/0.4=25≥5和D15/d85=10/10≤4～5，满足要求。可不设第二层反滤。