熱合曼·喀迪爾，鄭澄鋒

(1．新疆塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 庫爾勒 841000；2．南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

1 工程概況

大石峽水利樞紐工程位于新疆阿克蘇市溫宿縣與烏什縣交界的阿克蘇河一級支流庫瑪拉克河上，是《新疆阿克蘇河支流庫瑪拉克河河段水電規(guī)劃報告》推薦的庫瑪拉克河在境內(nèi)河段上4級水電站的龍頭水庫。壩址位于大石峽峽谷出口處，距下游在建的小石峽壩址約11 km，距協(xié)和拉水文站約14 km，距阿克蘇市約100 km。

工程為I等大(1)型工程，攔河壩為1級建筑物，擬采用混凝土面板砂礫石壩，壩高247 m，壩軸線長584 m，正常蓄水位1 700.00 m，死水位1 590.00 m。電站裝機容量750 MW，3臺機，校核洪水位下水庫庫容12.74億m3[1]。

2 大壩壩體分區(qū)和防滲帷幕設(shè)計

2.1 壩體分區(qū)設(shè)計

充分利用砂礫石料抗變形能力強和堆石料滲透性強、靜動抗剪強度高的優(yōu)點，考慮水庫運行消落大(最大消落深度110 m)，在排水體上游死水位1 590 m高程以下仍然采用抗變形能力強的砂礫料，但是從S4料場優(yōu)選滲透性較強的砂礫料填筑，1 590 m高程以上直至壩頂采用透水強堆石料填筑；既強化了死水位以上填筑料的排水能力，又提高了死水位以下砂礫料的滲透性，滿足水庫大變幅下的快速排滲；同時也提高了上游壩坡和壩頂在地震情況下的抗滑穩(wěn)定安全性。壩體從上游至下游分為11個區(qū)，分別為上游防滲補強區(qū)(1A、1B)、墊層區(qū)(2A)、特殊墊層區(qū)(2B)、過渡區(qū)(3A)、壩頂堆石料區(qū)(3C1)、反濾過渡料區(qū)(3E)、“L”型排水區(qū)(3F)、主砂礫石料區(qū)(3B)、下游堆石料區(qū)(3C2)、下游塊石護坡(3D)(見圖1)。

2.2 防滲帷幕設(shè)計

大石峽下壩址趾板線3 Lu帶下限埋深75～145 m，1 Lu帶下限埋深比較大。根據(jù)趾板線水文地質(zhì)條件，結(jié)合規(guī)范規(guī)定并參考國內(nèi)已建、在建工程經(jīng)驗，大石峽混凝土面板砂礫石壩帷幕灌漿控制標(biāo)準(zhǔn)為帷幕深入弱透水(q=3 Lu)帶下限以下5 m。

壩基范圍防滲帷幕軸線與趾板控制線平行布置，位于趾板中部，右岸垂直岸坡向岸里布置灌漿平洞，左岸沿山脊方向向岸里布置灌漿平洞。根據(jù)大石峽下壩址面板壩趾板軸線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)剖面，壩址兩岸天然地下水位向岸里抬升坡度較緩，在兩岸岸里400 m處，天然地下水位仍遠低于水庫正常蓄水位1 700 m，帷幕延伸長度按與兩岸基巖弱透水(q=3 Lu)帶下限銜接，左岸大約在距壩頭380 m、右岸約350 m處，基本可以實現(xiàn)全封閉。

圖1 大石峽混凝土面板砂礫石壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿基本按主、副帷幕兩排布置(左岸灌漿平洞以內(nèi)按單排，右岸灌漿平洞50 m之后按單排)，帷幕孔間距2 m，排距1.5 m，主帷幕深入弱透水(q=3 Lu)帶下限以下5 m，副帷幕孔深取主帷幕孔深的1/2。帷幕穿越斷層、破碎帶等可能存在集中滲漏部位時，帷幕孔適當(dāng)加密。

3 滲流計算參數(shù)、邊界條件和計算工況

3.1 計算參數(shù)

計算中所采取的各種材料的滲透系數(shù)根據(jù)可研、初設(shè)階段試驗結(jié)果和地勘資料選取，對允許坡降，墊層料2A、砂礫石堆石區(qū)3B的根據(jù)試驗得到的臨界坡降分別除以安全系數(shù)3和4，其他則根據(jù)經(jīng)驗確定(見表1)。

3.2 計算邊界條件

模型上下游邊界自壩軸線向上、下游800 m；左岸邊界自左壩頭(壩左右0+000.00)向左500 m；右岸邊界自右壩頭(壩右0+584.00)向右350 m。模型基礎(chǔ)邊界為1 062.5 m標(biāo)高，模型頂部高程為壩頂高程。

三維有限元網(wǎng)格模型如下所示(見圖2)。計算域四周截取邊界條件分別假定為：

(1)計算域的上游截取邊界、下游截取邊界以及底邊界均視為隔水邊界面。

表1 計算采用的滲透系數(shù)

(2)對于地表邊界、壩軸線上游側(cè)、低于河或庫水位的地方為已知水頭邊界(上游正常蓄水位為1 700.00 m，校核洪水位為1 701.5 m)，高于河或庫水位的地方為滲流可能逸出面。在壩軸線下游側(cè)，同樣低于下游水位的地方為已知水頭邊界條件(正常尾水位1 484.77 m,校核洪水位時的尾水位為1 485.14 m)，高于下游水位的地方均為可能滲流逸出面。

圖2 大石峽混凝土面板砂礫石壩三維有限元滲流分析網(wǎng)格模型

3.3 計算工況

設(shè)置如下10種工況進行三維滲流計算分析(見表2)：

(1)基本工況。正常蓄水位、校核水位兩種基本運行工況。

(2)止水失效影響分析工況。為了分析周邊縫止水損壞對滲流場的影響，設(shè)置了止水失效影響分析工況，計算時假定周邊縫止水全部損壞，周邊縫縫寬20 mm，滲透系數(shù)1×10-1cm/s；該工況又分為兩種情況，考慮了排水區(qū)有效與失效對滲流場的影響。

(3)非正常運行工況。假定無混凝土面板或面板防滲完全失效，此時混凝土面板滲透系數(shù)按5×10-1cm/s考慮；該工況也分為兩種情況，考慮了排水區(qū)有效與失效對滲流場的影響。

(4)度汛工況。根據(jù)大壩運行實際情況，進行初期導(dǎo)流和中期導(dǎo)流滲流分析，此時混凝土面板滲透系數(shù)按5×10-1cm/s考慮；該工況也分為兩種情況，考慮了排水區(qū)有效與失效對滲流場的影響。

表2 滲流計算工況

4 滲流計算成果分析

各種工況下的滲透流量計算結(jié)果如下所示(見表3)，壩體內(nèi)的最大滲透坡降以及防滲體系的滲透坡降如下所示(見表4)，下游壩坡最高逸出點高程和出逸坡降如下所示(見表5)，關(guān)鍵部位的水頭如下所示(見表6)。圖3給出了工況1的地下水位和斷面位勢分布(見圖3)。

4.1 三維滲流場形態(tài)

由平面等水位線圖3(a)可知，大壩蓄水后，庫水不僅通過壩基透水帶向下游河床滲漏，更主要通過兩岸透水帶繞過左右壩肩向河床和下游滲漏。根據(jù)河床及左右岸壓水試驗結(jié)果表明基巖具有一定透水性，因此在蓄水后大壩出現(xiàn)基礎(chǔ)滲漏和壩肩繞滲，設(shè)計采用帷幕灌漿防滲方案是合適的。

(a)平面水頭等值線圖

(b) 0+275剖面滲流場分布

表3 不同工況下的滲透流量

表4 壩體內(nèi)各材料區(qū)的最大滲透坡降

表5 不同工況下下游壩坡最高逸出點高程及出逸坡降

表6 不同工況下關(guān)鍵部位水位

4.2 左、右岸繞壩滲流的不均衡性

從表3計算成果可以看出，右岸流量較左岸流量大，主要是由于左岸的基巖滲透性較低，滲徑較短，右岸沿山體布置長度長，總體滲透能力較左岸大。

4.3 基本運行工況滲控措施效果和滲流安全性分析

(1)在正常運行狀態(tài)下，設(shè)計的面板、趾板、高趾墻以及帷幕灌漿等主要防滲措施形成一個整體，可以有效地截斷壩體上部滲流，截滲效果較好。

(2)正常蓄水位下面板后自由面水頭為1 498.27 m，面板起到較好的防滲作用。此時面板承受的最大滲透坡降為177.34，小于允許滲透坡降225，滿足設(shè)計要求。

(3)正常蓄水位下趾板最大滲透坡降最大值為170.18，發(fā)生在與面板的交界部位，滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。

(4)高趾墻滲透坡降最大值為6.50，滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。高趾墻是滲控系統(tǒng)中的重要一環(huán)，連接趾板及基礎(chǔ)內(nèi)的帷幕灌漿，具有較大的防滲作用。

(5)防滲帷幕以最大斷面處承受的滲透坡降最大，為7.45，起到了較好的防滲作用。

(6)3B砂礫料區(qū)最大滲透坡降為0.069，發(fā)生在與反濾料區(qū)的交界部位，小于允許坡降0.15，在基本工況下3B砂礫料區(qū)不會發(fā)生滲透破壞。

(7)滲流控制措施防滲效果明顯，防滲體系后自由面有較明顯的降低，蓄水后大壩下游地下水位也較低，河床段下游出逸高程很低，較下游尾水位略高，正常蓄水位下下游壩坡出逸高程為1 485.39 m，出逸坡降為0.08；校核洪水位下下游壩坡出逸高程為1 485.81 m，出逸坡降為0.08。因此，下游壩坡出逸處不會發(fā)生滲透破壞。

4.4 止水失效影響分析(工況3～4)

(1)在發(fā)生周邊縫止水失效情況下，庫水通過周邊縫滲向下游，抬升了壩體內(nèi)的滲透水流，使得整個防滲系統(tǒng)的作用大大降低，工況3面板后水位比工況1抬升了9.14 m，通過壩區(qū)總體滲漏量達到182.67 L/s，比工況1增加了108.95 L/s，可見周邊縫發(fā)生局部破壞時，對整體的水頭分布有較大的影響。

(2)工況4為排水區(qū)3F1/3F2失效工況，其與工況3相比由于壩體中排水系統(tǒng)不起作用，壩體滲水無法順利排出，造成壩體內(nèi)水位升高，滲流量減?。幻姘搴笏槐裙r3高13.88 m，滲漏量比工況3降低了45.4 L/s。

(3)面板、趾板、高趾墻及防滲帷幕等防滲系統(tǒng)以及壩體填筑材料的滲透坡降均有增加，但滲透坡降均小于允許坡降，不會發(fā)生滲透破壞。

4.5 無面板擋水工況分析(工況5～6)

(1)由于壩體內(nèi)水位升高，導(dǎo)致左右壩肩水位總體抬升，左、右壩肩防滲帷幕的截滲作用也明顯降低。此時壩體防滲系統(tǒng)主要靠粘土鋪蓋、墊層及防滲帷幕等，正常蓄水位下總體滲漏量達到2 692.37 L/s；當(dāng)排滲失效時，總體滲漏量降低為2 262.79 L/s。

(2)正常蓄水位下，壩體上游側(cè)墊層2A中滲透坡降最大值達到10.05，主堆3B的滲透坡降達到0.42，已超過允許滲透坡降。由于滲透變形的試驗水流方向是自下而上且沒有考慮各分區(qū)的聯(lián)合防滲，故試驗的允許滲透坡降值會偏小很多。對面板壩來說，即使在無面板擋水情況下，壩體也不會發(fā)生整體滲透破壞。

(3)與工況1相比，工況5和工況6的下游壩坡最高逸出點高程升高為1 507.70 m和1 513.60 m，升高了22.31 m和28.21 m，出逸坡降分別為0.62和1.15左右。此時雖然壩體不會發(fā)生整體破壞，但存在發(fā)生局部出逸破壞的可能性，在出逸部位的下部需采取一定的反濾保護措施。

4.6 度汛工況分析(工況7～10)

(1)在度汛情況下，壩體各分區(qū)的滲透坡降均超過允許坡降，墊層區(qū)2A的最大滲透坡降達到13.12，已超出墊層料的允許坡降，因此有必要設(shè)置過渡反濾區(qū)，以防止墊層區(qū)在度汛水頭下發(fā)生滲透破壞。此外，在度汛前應(yīng)對墊層迎水面進行必要的防護，度汛后應(yīng)對墊層質(zhì)量進行檢查，以確保其在度汛后未發(fā)生滲透破壞。

(2)在排水體有效情況下，初期導(dǎo)流和中期導(dǎo)流情況下出逸坡降分別為0.33和0.48，均小于允許坡降，不會發(fā)生出逸破壞。

5 結(jié) 語

(1)大石峽混凝土面板砂礫石壩在滲控措施有效及周邊縫止水失效的情況下，在正常蓄水位和校核蓄水位下壩體內(nèi)各分區(qū)的滲透坡降和出逸坡降均小于允許坡降，大壩滲透穩(wěn)定性滿足要求。

(2)對主堆3B區(qū)砂礫料，在無面板擋水情況下，最大滲透坡降為0.42，上水頭法滲透變形試驗得到的S3砂礫料平均線的臨界坡降為0.82，仍有一定的安全裕度；可以認(rèn)為在無面板擋水情況下主堆3B砂礫料的滲透穩(wěn)定性仍是有保障的。

(3)對墊層區(qū)灰?guī)r料，上水頭法滲透變形試驗得到的臨界坡降為2.17，在有過渡反濾料保護的情況下臨界坡降為12.1。設(shè)置過渡層后，在墊層直接擋水情況下不會發(fā)生滲透破壞。

(4)在無面板擋水情況下，出逸坡降已大于允許坡降，建議在下游坡1 510 m高程以下采取一定的反濾保護措施。