路紅英

(山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院 276000)

1 工程概況

臨沂市小埠東橡膠壩攔河樞紐工程位于臨沂市蘭山區(qū)小埠東村東的沂河干流上，控制流域面積10287km2，干流長度 227km，河床比降約 1/2000，河道斷面寬約1200m。小埠東橡膠壩攔河樞紐于1995年12月開工建設(shè)，1997年6月建成蓄水，樞紐工程包括:東、西兩岸調(diào)節(jié)閘各5孔，橡膠壩16節(jié)，東引水閘，西引水閘，東、西兩岸泵站及橋頭堡。

本次研究主要結(jié)合橡膠壩壩袋更換，擬實施二期加固工程，在上游采用高壓旋噴成墻截滲。研究上游截滲墻對墻后水流及結(jié)構(gòu)物的影響。在工程施工之前，對施工前后的橡膠壩滲流情況進行分析計算，以保證二期加固效果。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘測資料，按有無截滲墻的情況、上下游水位高低、沙礫石層相對厚度的極端情況進行計算分析。

2 現(xiàn)狀滲流分析

2.1 現(xiàn)狀水流流向圖

從圖1可以看出，由于上游沒有截滲墻的作用，水流流向自上游向下基本成穩(wěn)態(tài)分布，在靠近上游鋪蓋處以及橡膠壩基礎(chǔ)部位水流方向稍有變化，但不影響整體的水平層流特點。由此得出:在進行基礎(chǔ)設(shè)計時，對于橡膠壩底板應(yīng)做好相應(yīng)的抗沖刷處理。下游蓋板的末端應(yīng)有相對較高的強度?？梢宰鲆欢ǖ纳暗[石墊層，防止上游壩體內(nèi)部的細顆粒流失。

圖1 現(xiàn)狀水流流向

2.2 水流云圖

由圖2可以看出，隨著壩體深度的增加，水流流速是逐漸增大的。在上游鋪蓋附近，可以看到等勢面向右凸出，由于水流方向與等勢面是垂直的，因此此處水流有向下流動的趨勢，一定程度上減緩了水流對上游結(jié)構(gòu)物的沖刷作用，可見上游鋪蓋的作用還是較為明顯的。

圖2 水流云

2.3 等勢線分布圖

圖3 主要反映了壩體內(nèi)部等勢線的分布規(guī)律以及等勢線的數(shù)值標簽，可以看出整個壩體的等勢線分布還是較為均勻的，由數(shù)值標簽可以看出在二級消力坡處的數(shù)值有明顯的增大現(xiàn)象。因此，在二級消力坡處需要作一定的溢流處理，以降低此處的水壓力，保證結(jié)構(gòu)物的安全使用。

圖3 等勢線分布

2.4 固定截面流量圖

從圖4可以看出，自上游到下游，通過固定截面的水流流量越來越大，二級消力坡與一級消力坡之間的水力梯度變化值大于二級消力坡與下游蓋板之間的水力梯度變化值，因此前者之間的水流流量變化幅度也大于后者。可見，通過固定截面的水流流量與此界面前后的水力梯度差值成正比關(guān)系。

2.5 滲流路徑圖

從圖5可以看出，角礫層中的滲流路徑線較為密集，說明水流主要從下部角礫層中溢出，水力坡降主要在角礫層中消散。水流以水平流為主，下游砂層滲流溢出處水流有向上的移動趨勢，下游角礫層中水流流向基本上不發(fā)生變化。

圖4 固定截面流量

圖5 滲流路徑

2.6 水位線分布圖

從圖6可見看出，水壓力的產(chǎn)生主要是由于上下游水位差的存在，可見水壓力主要存在于一級消力池下游部位以及二級消力坡部位。因此在二級消力坡處應(yīng)作相關(guān)的處理。

圖6 水位線分布

3 高壓旋噴截滲后滲流分析

在高水位有截滲墻的情況下，上游水流流向在截滲墻部位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在截滲墻之后水流向下經(jīng)下部地層向下游補給，壩基內(nèi)部的滲流對下游的影響明顯有所降低。同時，在橡膠壩基礎(chǔ)下部突起部位，水流的流向變化也基本以水平層流為主，沒有了無截滲墻情況下的流向向上部突變的情況，這樣對基礎(chǔ)凹面也有很大的保護作用。在二級消力坡部位的水流整體流向也更加平緩，減弱了內(nèi)部土體對消力坡混凝土蓋板的向上的滲流力。

等勢面主要集中于截滲墻上部黏土層，下部基巖和截滲墻中，截滲墻上游壩體和下游壩體基本分別處于相同的等勢線范圍內(nèi)。截滲墻的存在使上下游的水力坡降主要消散于下部基巖和截滲墻中。對截滲墻下游結(jié)構(gòu)起到很好的保護作用。

有截滲墻情況下，相同截面處的水流流量明顯小于沒有截滲墻的情況(相差兩個數(shù)量級)，截滲墻的存在使墻后截面流量明顯減小。

流線垂直于等勢線，水頭分布均勻，平均消耗在壩基地層中，沒有局部大水力坡降。截滲墻對于改變土體內(nèi)部的水流流態(tài)效果明顯。

水壓力在經(jīng)過截滲墻的作用后在壩址下部區(qū)域呈現(xiàn)水平趨勢，截滲墻對于降低水壓力的作用效果明顯，水流對二級消力坡的作用減緩。然而水壓力在截滲墻部位的改變量較大，截滲墻、周圍土體以及上游鋪蓋間的連接要求較高，需要在施工中加以注意，防止此部位出現(xiàn)過大的滲透流速。

4 結(jié)語

a.上游截滲墻的存在使上下游的水力坡降消散在墻體和基巖中，無截滲墻的工況計算中可以明顯看出壩后出滲，而且局部水力坡降較大;而存在截滲墻的工況壩后水力坡降明顯減小，壩后滲流量與水力坡降均減小。說明截滲墻對保護壩后坡面變形有明顯作用。

b.上下游水位的高差不同對壩體和下游的沖刷會有所不同。水位高時水流對壩體和下游的沖刷作用明顯。

c.砂層與角礫層厚度的不同，對滲流計算的結(jié)果有明顯影響，上述計算只代表幾種極端的工況。計算發(fā)現(xiàn)，在下層角礫石層較厚的剖面位置壩基較安全，而在礫石層較薄的位置，由于水頭消耗在上部砂層中，安全系數(shù)相對較低。

d.計算與試驗?zāi)M類似，都得到上游水位的上升將導(dǎo)致壩體邊坡體內(nèi)滲流場的變化，進而引起其失穩(wěn)破壞。上游水位上升過程中壩基內(nèi)部水位線的位置變化和相應(yīng)的滲流參數(shù)的計算均表明:由于上部砂層的滲透系數(shù)小于下部角礫層的滲透系數(shù)，角礫層部位的流速、壓力水頭等滲流流量的變化速度滯后于上部砂層。