夹岩水利枢纽工程上游高土石围堰设计

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

1 工程概况

1.1 基本概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）位于乌江支流六冲河七星关区与纳雍县界河段，坝址距离毕节市约50 km，距离七星关区田坝镇约2 km。该工程以供水和灌溉为主，兼顾发电，并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件。工程属Ⅰ等大（一）型工程，水库正常蓄水位1 323.0 m，坝顶高程1 328.0 m，总库容13.23亿m3，电站总装机容量90 MW。枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、坝后发电系统和伏流泄洪洞等组成［1］。

该工程施工导流采用河床一次拦断，上、下游围堰挡水，左岸导流洞泄流的方式。采用10 a一遇全年洪水标准，相应洪峰流量1 570 m3/s［1］。

1.2 水文气象条件

该流域暴雨多出现在5～9月，尤以6，7月为最多，大多数暴雨是中小量级的暴雨。流域内地形复杂，全流域性的大暴雨较少，量级大的暴雨呈驼峰型分布。暴雨在地区上的分布与年降水的分布基本一致，西北部为低值区，东南部为高值区，一次暴雨持续时间一般为1～2 d。流域地处高原山区，地形起伏大，地势较高的高原面与地势较低的河谷气候有明显差异，昼夜温差大，常形成夜雨。

六冲河流域的洪水具有以下特性：大多集中发生在5～8月，由暴雨形成，较大的洪水过程涨水历时一般约为24 h，退水历时3～5 d或更久，一次洪水的洪量主要集中在前3 d，洪水陡涨缓落，水位变幅较大。洪水过程多为单峰型，洪水峰高，但量不大。

1.3 地形地质条件［1］

坝址位于峡谷出口下游800 m以下河段，河流流向S43°E，其上游有左岸潘家岩脚冲沟，右岸有法拉冲冲沟，下游有右岸的陈家大沟。河谷为一典型“V”型谷，河床高程1 205～1 209 m，河床宽60～75 m。坝址岩层倾向上游，属横向河谷。坝址出露地层为下三迭统下统飞仙关组及永定镇组第一段底部。峡谷出口至潘家岩脚冲沟之间两岸斜坡分布崩塌堆积层；潘家岩脚冲沟下游两斜坡零星分布第四系残坡积层；河床及漫滩分布有第四系冲洪积层［1］。

围堰基础主要由砾（卵）石、细粉砂和淤泥组成，呈现松散-稍密状态，颗粒级配差，差异性大，透水性好。下伏基岩为T1f2-3-3薄至中厚层泥质粉砂岩，层间夹薄层-磷片状砂质泥岩，为中硬岩夹较软岩类，强风化下限为基岩面以下9 m；岩层倾上游，倾角21°～29°，为横向河谷。

2 围堰设计

2.1 设计标准

夹岩工程施工导流采用河床一次拦断，上、下游围堰挡水，左岸导流洞泄流的方式。上游围堰最大高度达44.5 m，堰前库容为9 489万m3，围堰级别选定为4级，挡水标准为10 a一遇全年洪水，相应洪峰流量1 570 m3/s。

2.2 平面布置

根据导流隧洞及大坝平面布置，结合左岸潘家岩脚堆积体治理方案，上游围堰布置于坝轴线上游660 m处，堰顶长149.5 m。

2.3 上游围堰堰顶高程确定

设计时考虑由围堰形成的库容对洪水的削峰作用后，经调洪计算上游水位为1 252.4 m，围堰堰顶高程Hd：

Hd=h+R+δ

式中，h为设计洪水位；R为波浪爬高；δ为安全超高。

根据水文资料计算，围堰设计洪水位为1252.4m，4级不过水土石围堰安全超高为0.5 m，波浪爬高R为0.889 m。

根据计算，上游围堰堰顶高程不低于1253.789m。因此，堰顶高程取值1 254.000 m。

2.4 结构设计

上游围堰为碾压式土工膜心墙堆石围堰，最大堰高44.5 m，采用复合土工膜心墙与灌浆防渗。上游围堰顶宽10.0 m，长149.5 m。截流水位以上部位：迎水面坡度为1∶2.0，背水面坡度为1∶1.75。截流水位以下部位：迎水面和背水面坡度均为1∶1.5。堰体防渗土工膜采用350g/0.8 mm HDPE/350 g的复合土工膜心墙防渗，最大防渗高度29.5 m，土工膜心墙上下游各设1.5 m厚风化料进行保护。围堰上游采用块石进行护坡、防冲。围堰典型结构见图1。

经计算相应截流戗体前水位为1 222.75 m，确定截流堤顶高程为1 224.0 m，并作为灌浆施工平台高程，堤顶宽15 m，最大填筑高度为15.0 m。

2.5 基础防渗处理

砂砾石堰基采用高压旋喷灌浆，双排灌浆，间距1.0 m梅花形布置，深入基岩1 m。

崩塌堆积体堰基采用控制灌浆，双排灌浆，孔径8 cm，间距1.5 m梅花形布置，深入基岩1 m。

左岸潘家岩脚堆积体堰肩采用帷幕灌浆，单排灌浆，孔径8 cm，间距1.5 m，沿防渗体轴线布置，深入基岩1 m。

2.6 填筑料要求

上游围堰堰体水上部分由土石混合料、过渡料和护坡块石等组成。堰体水下部分填料由土石混合料、反滤料和护坡块石料等组成。堰体各种填料的技术要求及来源见表1。

图1 围堰典型结构（单位：m）

表1 堰体各种填料的技术要求及来源

3 渗流及稳定分析

3.1 渗流分析

（1）理正软件计算。围堰上游边界为迎水面，对于设计洪水位，假设水头值稳定且有充足的水量补给，因此设计洪水位以下的迎水面边界取为定水头边界，下游稳定水位为基坑开挖高程，下游边界也为定水头边界。

渗流计算得到采用土工膜+控制灌浆堰体的浸润线图，见图2。从图中可见，防渗体后自由面较为平缓，溢出点基本接近下游地面线，表明采用该防渗方案效果明显。压力水头等值线见图3。

图2 总水头等值线

图3 压力水头等值线（单位：m）

计算可知，渗流量为2.83 m3/d，渗透比降具体如下：上游堰体0.01；下游堰体0.04；防渗体顶部6.43；防渗体中部14；防渗体底部17.91。

（2）有限元计算复核。①模型建立。围堰建基面高程为1 209 m，堰顶高程1 254 m，10 a一遇全年洪水水位1 252.4 m，堰前最大水头43.4 m。计算分析基坑抽水完成（围堰上游最高水位、下游无水）工况下围堰渗流应力，其计算网络模型见图4。②计算结果及分析。围堰稳定渗流应力分析具体成果见图5～7。

图4 围堰计算网格模型

图5 总水头压力等值线分布

图6 渗透压力等值线分布

图7 渗流溢出点位置

围堰基坑抽水完成后，上下游水位差达到43.4 m。从图6可看出围堰上游底部总水头压力最大，最大水头为43.4 m。从图7可看出围堰防渗体防渗效果明显，穿过防渗体渗透压力明显下降。通过渗流流程分析，围堰渗流溢出点位置在下游面底部，溢出点单宽渗流量约为1.262 m3/d。

3.2 稳定分析

（1）理正计算分析。采用SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》中的简化毕肖普法计算，滑裂面形状计算为圆弧滑动法。堰坡安全系数如表2所示。

表2 围堰边坡安全系数计算汇总

根据SL645-2013《水利水电工程围堰设计规范》规定，采用简化毕肖普法计算围堰边坡安全系数≥1.3，本围堰边坡计算稳定。

（2）有限元计算复核。①计算荷载及参数，计算分析基坑抽水完成（围堰上游最高水位、下游无水）工况下围堰堰坡稳定，围堰上下游水位差43.4 m。②计算结果，从上可知，上游围堰边坡稳定安全系数为1.23，根据SL 303-2017《水利水电工程施工组织设计规范》，3级土石围堰边坡安全稳定系数不小于1.2，4～5级土石围堰边坡安全稳定系数不小于1.05，该围堰边坡安全稳定系数满足规范要求。

4 渗流及变形监测［2］

4.1 渗流监测布置

上游围堰安全监测内容有表面变形监测和渗流渗压监测，目前投入正常观测的监测设施见表3。

表3 监测设施统计

4.2 表面变形监测

截至2018年11月13日，上游围堰累计水平合位移9.6～75.3 mm，月变化量-2.5～9.8 mm；累计沉降8.0～104.3 mm，月变化量-2.8～4.0 mm。围堰表面变形测点的水平位移和沉降主要发生在工程区汛期第一次强降雨期间，目前测值变化过程线平稳，变形基本趋于收敛。

各测点累计水平合位移量、累计沉降量变化过程线见图8～9。

图8 围堰水平位移云图

图9 围堰竖向位移云图

4.3 渗流渗压监测

截至2018年11月7日，围堰轴线方向渗压计P1、P7～P10水位高程在1 211.65～1 217.73 m，水位月变化量在-0.49～-0.05 m；上下游方向渗压计P1～P6水位高程在1 209.76～1 214.43 m之间，水位月变化量在-0.2～0.01 m之间。目前各支渗压计实测渗透水位月变化量均较小，未见异常。

围堰渗压计实测渗透水位与堰前水位存在一定的正相关性，同时受降雨入渗和山体地下水影响，渗透水位总体上变幅不大，围堰防渗体系基本正常。变化过程线及分布见图10～11。围堰（上下游方向）及（轴线方向）渗透水位分布分别见图12～13。

图10 累计水平合位移变化过程线

图11 累计沉降变化过程线

图12 围堰（上下游方向）渗透水位分布

图13 围堰（轴线方向）渗透水位分布

4.4 监测结果

（1）表面变形。截至2018年11月13日，上游围堰及累计水平合位移9.6～75.3 mm，月变化量-2.5～9.8 mm；累计沉降 8.0～104.3 mm，月变化量-2.8～4.0 mm。测值变化过程线平稳，变形基本趋于收敛。

（2）渗流渗压。截至2018年11月7日，围堰轴线方向渗压计P1、P7～P10水位高程在1 211.65～1 217.73 m，水位月变化量在-0.49～-0.05 m；上下游方向渗压计P1～P6水位高程在1209.76～1214.43m之间，水位月变化量在-0.2～0.01 m之间。各支渗压计实测渗透水位月变化量均较小，未见异常。

（3）上游围堰水平位移及沉降主要发生在2018年汛期第一次强降雨期间，之后趋于稳定；围堰渗压计实测渗透水位与堰前水位存在一定的正相关性，同时受降雨入渗和山体地下水影响，但渗透水位总体上变幅不大，围堰防渗体系基本正常。

综上，围堰经受住了2018年度汛的考验，当前处于稳定状态。

5 结论

结合围堰变形及渗流监测成果表明，围堰上下游边坡稳定、基坑渗流量小。对高土石围堰工设计，应注意以下几点。

（1）高喷灌浆在砂砾石地层及堆积体的成功运用，减少了截流后防渗透的施工时间，为枯水期大坝填筑及围堰填筑赢得了宝贵时间。

（2）六冲河流域的洪水陡涨缓落，水位变幅较大，具有典型的山区性河流特性。工程采用全年洪水导流方案，且首次在贵州喀斯特山区运用高围堰、大库容的土石围堰，可为类似工程提供借鉴。

（3）引入有限元计算方法，对围堰的渗流及稳定复核，确保围堰结构安全。

（4）围堰埋设表面变形监测、渗流渗压监测计，实时掌握围堰汛期运行状态，为项目安全防洪度汛及项目业主应急抢险预警提供依据。