瀑布沟大坝下游量水堰防渗方案可行性分析

裴广超，冉从勇

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

我国水力资源丰富，水电在中国电力发展战略中承担着相当重要的任务，由于土石坝对地基条件具有良好的适应性，我国土石坝数量众多，渗流问题引起的大坝病害与险情严重危及土石坝的运行安全［1-2］。特别是在深厚覆盖层上建筑高坝的工程，由于覆盖层深厚、实施难度等因素，很多工程在修建过程中并未设置量水堰。随着国民经济的不断发展，对大坝运行安全提出了更高的要求，增设大坝下游量水堰以动态观测大坝渗控安全势在必行。量水堰设计需要结合布置位置、顶高程选择、基础防渗方案、下游洪水位及对坝坡稳定的影响等因素综合考虑。不同量水堰设置高程（也就是量水堰以下防渗方案的上下游水头差）对相应的量水堰下部坝基覆盖层防渗布置及标准影响较大，同时下游量水堰的修建往往会抬高坝体下游水位，对下游坝坡稳定性不利，需在设置高程上做对比分析。本文通过瀑布沟水电站量水堰防渗方案分析，及下游水位抬高对坝坡稳定的影响，论证量水堰布置可行性及合理性。

1 工程概况

瀑布沟水电站位于四川省汉源县和甘洛县境内，是大渡河中游控制性水库工程。工程具有发电、梯级补偿、防洪、拦沙等综合效益。枢纽工程由拦河大坝、泄洪与放空建筑物、引水发电系统及尼日河引水入库系统组成。2012年11月工程通过峻工安全鉴定，2013年1月通过枢纽工程专项验收。

2020年12月29 日，瀑布沟大坝安全首次定期检查发现，心墙坝轴线个别位置渗压水位偏高，虽然高渗压点下游区域的渗透坡降小于心墙料渗透允许值，但长期高渗透压力运行存在渗透稳定风险，且坝下游未设置量水堰，综合瀑布沟大坝重要性、大坝心墙监测存在的问题及安全监测新要求，有必要在大坝下游设置有防渗要求的量水堰。

2 量水堰防渗方案初拟

2.1 量水堰防渗平面位置拟定

根据工程坝区施工阶段地质条件及现状地形条件，结合工程布置及坝脚堆渣等情况进行量水堰防渗体系的布置，以达到安全、经济的目的。

一般情况下，工程大坝下游量水堰布置需结合下游围堰防渗体进行设计，瀑布沟下游围堰情况特殊，具体为：瀑布沟下游围堰防渗墙采用悬挂式，坝基覆盖层深厚，透水性强，施工期下游渗水量较大；在大坝建设过程中，因5·12汶川地震提高大坝设防基岩峰值加速度，大坝下游压重延长并抬高，因此下游围堰埋在压重体内，其防渗墙顶埋深较深；施工过程中，为提高下游坝坡深层抗滑稳定，破坏了围堰防渗墙，且破坏高程低于坝脚下游水位。基于上述因素，本工程量水堰防渗方案不推荐结合下游围堰防渗墙设计，拟在下游弃渣平台处布置量水堰的防渗体系。

2.2 量水堰防渗布置条件

量水堰位于大渡河与尼日河交汇口上游，直线距离瀑布沟水电站大坝轴线约522 m，该处两岸山体完整，岩性为澄江期花岗岩，区内岩体多呈弱风化～微风化，其中两岸山体风化卸荷深度较大，一般为80～100 m，河床底部深度较小，一般约在20～30 m之间。该河段谷床相对较窄，呈“V”型谷，两岸基岩裸露，自然边坡坡度40°～50°。河床覆盖层最大勘探厚度66.55 m，自下而上由②卵砾石层（Q14-1）、③含漂卵石层（）和④漂（块）卵石层（Q24）三大层组成，覆盖层及岩体物理力学性指标见表1～2。

表1 量水堰工程岩体物理力学性指标建议值

表2 量水堰覆盖层物理力学性指标建议

水文地质试验成果表明，河床覆盖层渗透系数一般为60～90 m/d，局部架空结构部位可达140～540 m/d。故河床覆盖层具强透水性，局部架空结构具极强透水性。

大坝下游水位主要受瀑布沟电站溢洪道泄洪、尼日河汇入的影响，下游尾水出流及泄洪洞泄洪对大坝下游坝脚的水位影响较小。大坝下游坝脚水位变化较为复杂，大坝下游、尼日河汇口下游沙洲断面处不同频率入库洪水下的洪水位成果见表3。

表3 量水堰下游沙洲断面洪水位计算方案及水位估算成果

2.3 量水堰防渗顶高程初判

本工程量水堰位于大坝下游坝脚，为大坝建筑物的一部分。考虑大坝下游水位抬高对下游坝坡抗滑稳定不利，故防渗高程不宜过高；受运行期大坝下游水位波动大的影响，为保证量水堰大部分时间能监测到大坝的渗漏量变化，下游洪水标准不宜过低。根据瀑布沟近10年溢洪道泄洪情况，2020年共计运行34 d，集中于7—9月，2019年共计运行23 d，集中于7月、9月，2018年共计运行35 d，主要集中于7月。从几年运行情况看，溢洪道平均泄量在1 100～1 200 m3/s。经瀑布沟水库调蓄后，2～20年一遇洪水情况下，溢洪道泄洪1 400～3 540 m3/s，下游水位差异大。尼日河50年一遇洪水流量为1 090 m3/s。结合溢洪道运行情况，以及尼日河洪水情况，并考虑瀑布沟渗流量较小，量水堰上下游水位差不宜过大，大坝运行需要尽量降低下游水位，因此量水堰洪水标准按大坝下游断面2年一遇洪水考虑，故防渗顶高程应大于677.29 m（量水堰过流断面底高程）。

2.4 防渗方案初拟

瀑布沟量水堰防渗系统由混凝土防渗墙、基岩灌浆帷幕组成。由于枯水期大坝水位较低，基本在672 m左右。目前瀑布沟渗流量较小，要监测大坝小渗流量需考虑封闭防渗断面，坝基覆盖层防渗采用全封闭式混凝土防渗墙。结合瀑布沟两岸帷幕灌前压水试验情况，认为量水堰两岸及坝基基岩透水性较强，均为可灌基岩，建议对大于20 Lu以上区域灌浆。下游围堰防渗墙及初拟防渗墙剖面位置见图1。

图1 下游围堰防渗墙及初拟防渗墙剖面位置示意

3 量水堰防渗方案渗流计算

假定在量水堰修建后不影响大坝总体渗流场的前提下，对量水堰防渗体系进行渗流计算分析，对比分析量水堰渗流总量与大坝渗流总量间关系，从而确定量水堰防渗顶高程最大值，并结合下游两年一遇洪水位，明确量水堰防渗顶高程区间。经综合考虑，尽量减小下游水位抬高对下游坝坡稳定产生的影响，得到量水堰防渗顶推荐高程。

3.1 瀑布沟大坝渗流计算成果

由于河床覆盖层渗透性强，瀑布沟大坝采用全封闭防渗墙处理，坝基及两岸坝肩岩体需进行防渗帷幕灌浆处理（透水率不大于3 Lu控制）以减少渗漏量和确保抗渗稳定性。正常蓄水位稳定渗流期通过坝体心墙、坝基覆盖层中防渗帷幕以及基岩的渗漏量见表4。坝轴线全长540.50 m，则大坝渗漏总量（三维渗流计算值）为11 771 m3/d。

表4 堆石坝各部位渗漏量计算成果 单位：m3/（d·m）

3.2 量水堰防渗方案渗流计算

由2.2节分析可知，防渗顶高程宜大于677.29 m，根据大坝渗流计算成果，瀑布沟渗流量较小，要监测大坝小渗流量需考虑封闭防渗断面，坝基覆盖层防渗采用全封闭式混凝土防渗墙，对基岩大于20 Lu以上区域灌浆。为对比不同水位对渗漏量影响，分别取上游水位677.50 m、678.00 m、679.50 m，下游水位672.00 m进行渗流计算分析。材料参数取值见表5。

表5 渗流计算参数取值

量水堰上游水位677.50 m、678.00m、679.5 m，相应下游水位672.00 m。计算成果对比见表6。

表6 渗流计算成果对比

经计算，当量水堰上游水位为677.5 m、678.00 m时，渗漏总量分别约为3 626.1 m3/d，10 251.0 m3/d，小于大坝渗漏总量11 771 m3/d，则量水堰可以监测出部分渗漏量。当量水堰上游水位为679.5 m时，渗漏总量约为14 118.8 m3/d，大于大坝渗漏总量11 771 m3/d，则量水堰可能存在无法监测渗漏量的情况，量水堰防渗顶高程宜在677.5～678.00 m之间。同时结合下游水位抬高对坝体稳定的影响，量水堰防渗顶高程宜取低值，故初步拟定量水堰顶高程为677.50 m。

4 量水堰对大坝坝坡稳定的影响分析

大坝下游坝脚设置量水堰后，大坝下游坝体内部水位抬高，这对大坝下游抗滑稳定不利，因此根据量水堰设置高程，对大坝下游抗滑稳定进行了复核。坝坡稳定复核计算采用水科院陈祖煜的“土石坝边坡稳定计算程序STAB2008”［3］，该程序计算方法满足NB/T 10872—2021《碾压式土石坝设计规范》［4］有关规定。

量水堰防渗墙顶高程为677.5 m，相应大坝下游水位由原670.00 m提高到677.50 m，为了分析下游水位抬高后对瀑布沟砾石土心墙堆石坝下游坝坡稳定的影响，根据前期成果［5］，对大坝正常蓄水位稳定渗流期遇8度地震工况下的下游坝坡稳定性进行计算分析。

选取河床中部典型剖面作为计算剖面。计算参数为大坝技施阶段相关参数，各材料计算指标见表7。

表7 各种计算工况对应心墙坝稳定计算参数

滑裂面位置先用穷举法，再用最优化法进行搜索。计算地震工况时，垂直地震力分别计算向上和向下两个方向，计算成果取安全系数较小的方向（向上）。

坝坡稳定计算结果见表8和图2（下游水位677.50 m）。

图2 正常蓄水位遇设计地震（0.225 g）上下游坝坡危险滑弧示意

表8 心墙坝稳定计算安全系数（下游坝坡）

下游水位抬高后，用简化毕肖普法计算圆弧形滑面，下游坝坡稳定都能满足设计要求，且安全系数较规范规定值有较大的富裕。用摩根斯顿-普赖斯法计算沿砂层滑动的折线滑动面，各工况大坝下游坝坡稳定安全系数均小于用简化毕肖普法计算圆弧形滑面的安全系数，但均能满足设计要求。

当量水堰防渗顶高程为677.50 m时，大坝下游坝坡稳定安全系数能满足规范要求，且有一定富裕度，量水堰顶高程设置是合理的。

5 结 论

瀑布沟大坝下游量水堰设计综合考虑了布置位置、顶高程选择、基础防渗方案、下游洪水位及对坝坡稳定的影响等因素，得到如下结论：

（1）根据瀑布沟电站枢纽布置特点、多年溢洪道运行情况、下游设计洪水成果，确定大坝下游量水堰防渗顶高程应大于677.29 m。

（2）坝基覆盖层防渗采用全封闭式混凝土防渗墙，两岸及坝基基岩采用帷幕灌浆防渗，基岩灌浆范围在大于20 Lu以上区域时，结合大坝三维渗流计算成果、不同水位下渗流计算成果，当量水堰上游水位为677.50 m、678.00 m时，量水堰可以监测出部分渗漏量；当量水堰上游水位为679.5 m时，量水堰可能存在无法监测渗漏量的情况，则量水堰防渗顶高程宜在677.5～678.00 m之间；同时结合下游水位抬高对坝体稳定的影响，初步拟定量水堰顶高程为677.50 m。

（3）当下游水位由原技施阶段的670.00m抬高到677.50 m时，大坝下游水位的抬高对下游坝坡稳定不利，但仍满足规范要求。

综上，瀑布沟大坝下游量水堰设计方案能够满足动态观测大坝渗流量，且能够满足大坝下游坝坡稳定安全要求，由此，瀑布沟大坝下游量水堰设计方案是可行的。