引汉济渭黄池沟拦渣坝防渗设计

王民侠

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

引汉济渭工程秦岭输水隧洞进口位于黄金峡水利枢纽泵站出水池，出口位于黄池沟沟口上游0.8km 处，隧洞为明流洞，全长98.3 km，设计流量70 m3/s，多年平均输水量15 亿m3。黄池沟渣场的任务是堆置引汉济渭勘探试验洞出口35.46 万m3开挖弃渣，其拦渣坝是引汉济渭工程的重要附属建筑物。综合考虑水保、环保、投资及河道泄洪安全等问题，黄池沟渣场采用滞洪式沟道型弃渣场，既解决了隧洞施工废渣堆置问题，又可以降低下游村镇及输水工程的洪水风险，还可以在库区渣面上形成景观水面，具有较好的经济、环境和社会效益。

拦渣坝位于周至县黑河金盆水库下游右岸黄池沟内，距黄池沟沟口约1.3 km，坝下0.5 km 为秦岭隧洞出口，坝址以上控制流域面积20.6km2，河道长9.8km，河床平均比降80.8‰。选用渣料中岩性较好的11.15 万m3弃渣填筑坝体，其余24.31 万m3弃渣自下而上堆置在库区，按粗渣堆下，细渣堆上的原则进行堆渣。

1 项目概况

黄池沟拦渣坝总库容33.61 万m3，其中堆渣24.31 万m3，滞洪库容9.3 万m3，拦渣库为Ⅴ等小（2）型工程，拦渣坝为5 级建筑物。拦渣坝采用土工膜心墙防渗，坝顶宽6 m，坝顶高程557.0 m，最大坝高30.14 m，坝顶总长163.3 m。近坝处堆渣面高程为549.00 m，远端堆渣高程557.00 m。渣面以上积水采用竖井式溢洪道泄洪，竖井式溢洪道堰顶高程550.50m，直径7.5m，溢洪道下游接长度125 m 的城门洞形排水涵洞，涵洞比降1∶25，尺寸为（宽×高）3.5 m×5.25 m，圆拱中心角180°，C25 钢筋砼衬砌厚度为0.6 m，最大覆土厚度为23 m。拦渣坝设计洪水位551.80 m，校核洪水位552.10 m。工程区地震动峰值加速度为0.139 g，地震动反应谱特征周期为0.39 s，地震基本烈度为Ⅶ度，设防烈度Ⅶ度。拦渣坝库区属中低山区，地形封闭，两岸山体雄厚，无单薄分水岭存在。库盆为二云石英片岩、绿泥石片岩夹中～厚层钙质石英岩，由弱透水性岩体组成，地下水补给河水，不存在永久性渗漏问题。

2 拦渣坝洪水标准选取

拦渣坝为5 级建筑物，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），设计洪水标准应为20年～30年一遇，校核洪水标准应为200年～300年一遇。拦渣坝下游0.5km 为引汉济渭秦岭隧洞出口，布置有出水控制闸和引汉济渭水量调度管理站，控制闸下游有已建的西安黑河引水工程黄池沟渡槽。控制闸为1 级建筑物，洪水标准按50年一遇设计、200年一遇校核。综合考虑设防对象，将拦渣坝设计洪水标准提高为50年一遇，相应洪峰流量126 m3/s；校核洪水标准取200年一遇，相应洪峰流量176m3/s。

3 拦渣坝防渗设计

3.1 坝顶高程确定

拦渣坝为5 级建筑物，校核洪水位为552.10 m，设计洪水位为551.80m，工程以拦渣为主，不设正常蓄水位。坝顶高程由水库静水位与坝顶超高之和确定。依据《碾压式土石坝设计规范》第5.3 节规定，分别按以下运用情况进行计算，取其最大值。

（1）设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高；

（2）校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高。

采用《碾压式土石坝设计规范》附录A，莆田试验站公式计算风浪爬高。对于5 级坝，取累计概率P=5%的爬高值R5%作为设计爬高值。

计算采用参数：吹程为0.1km；

非常运用采用多年平均最大风速16.5m/s。

正常运用采用多年平均最大风速的1.5 倍，即24.75m/s；

坝顶超高由下式计算确定：

式中：Y 为坝顶超高，m；R 为波浪爬高，m；e 为最大风壅高度，m；A为安全加高，m。

坝顶高程计算结果见表1，表中安全加高A，依据规范按正常情况、非常情况分别取0.5m、0.3m。

从表1 可知，设计洪水位为控制工况，计算坝顶高程为552.91 m，但由于上游渣顶高程为557.0m，为防止上游堆渣滑塌危及坝坡安全，确定拦渣坝坝顶高程为557.0m。

表1 坝顶高程计算成果表 单位：m

3.2 大坝渗流计算

3.2.1 均质渣坝渗流分析

（1）计算工况

大坝渗流计算包括以下4 种工况：

①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；

②上游设计洪水位与下游相应的水位；

③上游校核洪水位与下游相应的水位；

④库水位降落时上游坝坡稳定最不利的水位组合。

本工程主要功能为拦挡堆渣，不设正常蓄水位，无须考虑工况一；校核洪水总历时为23 h，涨洪历时为5.2 h，堆渣料渗透系数为1×10-3cm/s，在校核水位涨洪期浸润线深入坝体仅4.49 m，难以形成稳定渗流条件，可不考虑工况三；设计洪水位551.8 m 距竖井式溢洪道堰顶高程550.5 m 相差1.3 m，水位降幅较小，随着水位不断降低溢洪道泄流能力逐渐变小，水位降速较慢，小降幅慢降速的水位降落工况一般不控制工程设计，加之渣坝渗透系数较大，储水能力差，形成水流渗出的饱和范围较小，故可不考虑工况四。

根据以上分析，渗流计算仅考虑工况二，即上游设计洪水位与下游相应水位时稳定渗流分析。渗流计算上游水位按设计洪水位551.8m 考虑，下游水位按坝脚高程526.86m 考虑。

（2）计算模型

拦渣坝有限元分析模型包括坝体和近域坝基，在坝体上、下游各1 倍坝高范围内截取顺河向计算长度，坝基深度取1 倍坝高，计算断面选取最大坝高断面。均质渣坝渗流计算简图见图1。

图1 均质渣坝渗流计算简图

（3）计算参数

坝基岩石主要为云母石英片岩，以弱风化为主，强风化厚度小于1.5m～2.3m。筑坝渣料为引汉济渭秦岭隧洞出口段开挖渣料。坝体及坝基的渗透系数见表2。

表2 坝体及坝基渗透系数表

（4）计算方法

渗流计算软件采用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土计算程序》，计算方法采用有限元分析法。

（5）计算结果

均质渣坝渗流计算结果见表3，浸润线位置及等势线见图2。

图2 均质渣坝浸润线位置及等势线图

表3 均质渣坝渗流计算结果表

设计洪水位时纵剖面长度为150 m，均质渣坝每米每天宽渗流量5.732m3，每天渗漏量为860 m3，渗流出溢处比降为0.19，大于堆渣料允许水力比降0.11，设计洪水位时将发生渗透破坏，故必须进行防渗设计。

3.2.2 渣坝防渗型式选择

拦渣坝坝体升高速度受限于隧洞开挖进度及其岩石情况，防渗型式考虑了砼面板堆石坝、粘土心墙坝、土工膜心墙石渣坝、土工膜斜墙石渣坝四种型式，考虑到拦渣坝填筑速度取决于洞渣开挖施工工期，且要选用岩性较好石渣进行渣坝填筑，施工工期为3年，若采用砼面板堆石坝和土工膜斜墙石渣坝方案，坝体填筑期无法进行防渗体施工，只有渣坝填筑完成后才可进行防渗体施工，3年工期中遭遇洪水可能造成拦渣坝渗透破坏，且后施工上游防渗体影响坝前堆渣进度，故采用可随堆渣高度及时升高的心墙防渗方案。工程地处秦岭山区，附近防渗土料料场均为耕作层，采用粘土心墙坝将占用耕地，不利环保，且粘土心墙设置将占用堆渣容积，增加工程占地，故采用复合土工膜心墙作为防渗材料。

利用复合土工膜代替粘土心墙设置在坝体中部，由复合土工膜将均质填渣隔开，当坝体承受上游水头时，复合土工膜以其优越的防渗性能可阻止渗水。利用复合土工膜心墙在本工程中可起到降低工程造价、缩短工期、保护耕地等优点，同时施工简便、劳动强度低，受气候影响较小，冬季能在一定负气温下施工，雨季施工干扰也较少。渣坝施工可与隧洞开挖同步，保障了施工强度的均匀性、连续性。

3.2.3 土工膜心墙拦渣坝渗流分析

计算工况与计算模型选取与均质渣坝一致，土工膜心墙拦渣坝渗流计算简图见图3。

图3 土工膜心墙拦渣坝渗流计算简图

（1）计算参数

将土工膜换算为1m 厚粘土层进行计算，土工膜渗透系数一般可取1×10-11cm/s，代换为1m 厚粘土后渗透系数可取1×10-9cm/s，考虑到土工膜及其施工中不可避免存在缺陷，再将其渗透系数加大100 倍，即按k＝1×10-7cm/s 的1m 厚土层进行渗流量和水头分布的数值计算。

坝体及坝基各区渗透系数见表4。

表4 土工膜心墙拦渣坝给区渗透系数表

（2）计算结果

土工膜心墙拦渣坝渗流计算结果见表5，浸润线位置及等势线见图4。

表5 土工膜心墙渣坝渗流计算结果表

图4 复合土工膜心墙防渗浸润线位置及等势线图

设计洪水位时纵剖面长度为150m，土工膜心墙拦渣坝每天每米宽渗流量0.295m3，每天渗漏量为44 m3，渗流出逸处比降0.05小于堆渣料允许比降0.11，拦渣坝渗透稳定满足要求。渗漏量仅为不设防渗体时的5.1%，土工膜心墙防渗后有利于库区蓄水形成景观水面。

4 拦渣坝坝体断面拟定

拦渣坝采用复合土工膜心墙防渗石渣坝，坝顶宽6 m，坝顶高程557.0m，最大坝高30.14m，坝顶总长163.3 m。大坝上下游坝坡坡比均为1∶2.2，上游坡不设马道，下游在高程542.0 m 处设宽2.0m马道。坝体上游面采用40 cm 厚M7.5 浆砌石框格内嵌干砌石护坡，框格为菱形，轴线尺寸4 m×4 m，框格横截面尺寸为0.4 m×0.4 m，上游护坡自坝顶护至堆渣面以下1.0m（高程548.00m）。坝体下游面采用40cm 厚M7.5 浆砌石拱格内植草皮，轴线尺寸4 m×5 m（宽×高），拱框为圆拱直墙型，净宽3.4 m，净高4.4 m，直墙高2.7 m，圆心角180°，半径1.7 m，除拱端外框格厚度0.6 m，下游护坡自坝顶护至坡脚，上下游护坡下均设置30cm 厚粗砂垫层。

在坝轴线上游1.5m 处设置复合土工膜防渗心墙，复合土工膜采用两布一膜型式，规格为300（g/m2）/PE0.5（mm）/300（g/m2），心墙顶高程为552.50m，下部与混凝土结合槽相连。

复合土工膜平行于坝轴线且沿坝高呈“之”字形铺设，折坡高度按石渣料碾压层厚度确定为40cm，坡比1:1.6。心墙两侧铺各设0.6m厚（等代厚度，施工中可随土工膜形状展铺）粗砂垫层，下游侧设2m 厚过渡层（5mm

5 土工膜心墙细部衔接设计

加强土工膜心墙与坝下涵洞、结合槽等细部连接处设计，是确保土工膜心墙防渗可靠的关键环节。

5.1 土工膜与涵洞连接

涵洞衬砌时沿防渗轴线预留Φ25 锚杆，锚杆间距1.5 m，长度1.4m～2.9m。距涵洞衬砌外缘0.5m 处布置宽80mm 扁钢与锚杆焊接，土工膜平行扁钢布设，每0.5m 设置一处螺栓连接点，连接点自左向右分别为φ16 螺帽、80 mm 宽扁钢压条（δ=6mm）、一氯丁橡胶垫片、复合土工膜（300g/PE0.5mm/300g）、一氯丁橡胶垫片、φ16 螺帽，连接牢固后，沿连接面浇筑宽2m、高1.3m 砼后浇带，土工膜与涵洞连接处位于砼浇筑带内，与下部基岩连为一体，保证了防渗体的可靠性和连续性。

土工膜与坝下涵洞连接细部见图5。

图5 土工膜与坝下涵洞连接细部图

5.2 土工膜与结合槽连接

土工膜与坝肩、坝基结合槽连接见图6。

图6 土工膜与结合槽砼连接细部图

6 结语

引汉济渭黄池沟土工膜心墙拦渣坝2017年建成至今已运行5年，历经多次洪水考验，运行安全可靠，渗漏量较小，与渗流分析结论基本一致。采用土工膜心墙防渗方案后，大坝出逸处比降由0.19 减小到0.05，小于渣体允许水力比降0.11，坝体渗漏量由860 m3/d 减少为44 m3/d，渗漏量减少了94.9%，为滞洪蓄水创造了良好条件，已成为秦岭腹地居民休闲娱乐的一大去处。复合土工膜的防渗效果主要取决于土工膜的物理力学指标、接缝的质量及细部衔接，为确保土工膜防渗效果良好，设计中一定要做好细部连接设计，施工时要精细施工，加强管理，只有建设各方精诚合作、紧密配合，才会按设计目标实现项目功能，创造良好的经济、环境和社会效益。土工膜心墙石渣坝具有防渗性能优、工程投资小、生态环境好、施工工期短等优势，值得在同类工程中推广应用。