尼泊爾KGG水電站泄洪閘滲流及抗滑穩(wěn)定分析

楊云超，張惠軍

(中國長江三峽集團上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

尼泊爾KGG水電站工程位于尼泊爾的卡利甘達基河谷中，工程的主要任務是發(fā)電。工程為三等工程，由2孔泄洪閘、3孔沖砂閘及左、右岸連接建筑物等組成，工程正常蓄水位1 841.0 m，設計及校核洪水位分別為1 828.02 m及1 831.09 m。

泄洪閘位于主河槽至左岸山坡腳，河床覆蓋層為第四系沖積層，河底高程1 816.00～1 818.00 m。下伏為④1層松散～稍密狀的粘質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土，層厚8.2～13.3 m，土體相對軟弱；④2層砂質(zhì)粉土夾粉細砂和薄層粉質(zhì)粘土，稍密～中密狀，層厚14.0～14.9 m，以弱透水性為主，局部微透水性；④2層以下為中密～密實的砂礫石、漂卵礫石或漂石層，層厚較大。

考慮泄洪閘建基面下④1層承載力較低且存在局部液化問題，設計采用卵礫石進行換填處理。閘基布置懸掛式防滲墻，防滲墻長32 m，厚0.8 m，底部位于中密～密實的⑤1層粉細砂層上，下游護坦段底板底部按照直徑100 mm，間距1 m設置排水管，典型剖面圖如圖1所示。

1 軟件介紹及其計算原理

GeoStudio[1]是一套功能強大、適用于巖土工程模擬計算的軟件，在地質(zhì)工程、水利工程、巖土工程、地下水分析中已經(jīng)得到了廣泛應用。軟件中包含了多個分析模塊，所有模塊都可以在同一環(huán)境下運行，在一個模塊里定義的模型邊界條件和材料特性以及計算結果都可以應用到其他模塊中。

軟件中SEEP/W模塊基于有限元方法進行土體滲流模擬計算，對單寬剖面壩基滲流路徑、不同部位的流速、滲流量、等水頭線和各個節(jié)點的孔隙水壓力值等問題進行分析。

軟件中SLOPE/W模塊基于極限平衡理論對不同土體類型、復雜地層、滑移面形狀及孔隙水壓力狀況等巖土工程問題進行建模分析，可利用Bishop法、簡化Janbu法、Morgenstern-Price法、Sarma法等多種方法進行滑動面搜索及安全系數(shù)計算。

圖1 泄洪閘典型剖面圖

2 計算模型及參數(shù)

本工程閘基滲流和抗滑穩(wěn)定性分別采用軟件中SEEP模塊和SLOPE模塊進行計算分析。計算模型范圍[1]考慮向上游取3倍壩高，向下游取2倍壩高，沿壩基深度取2倍壩高，并賦予不同的材料參數(shù)即建立實體模型，再根據(jù)實體模型劃分有限元網(wǎng)格，有限元模型如圖2所示。由于閘室尾部的混凝土防沖墻對于滲流防沖有利，對于抗滑穩(wěn)定作用不明顯，為了分析最不利情況，建模時未考慮防沖墻的影響。材料參數(shù)見表1所示，上游混凝土鋪蓋及防滲墻可近似認為不透水材料。護坦下的排水管通過設置水頭邊界條件等于下游總水頭來進行模擬。

因設計洪水位和校核洪水位均低于正常蓄水位，滲流計算考慮最不利計算工況如下：上游采用正常蓄水位1 841.00 m，對應下游水位1 818.00 m。

3 計算結果分析

3.1 滲流計算

計算結果如圖3～圖5所示，從圖3～圖5中可以清楚直觀的了解閘基總水頭、流速矢量及滲透比降的分布規(guī)律。通過設置流體截面計算得到閘基單寬滲流量為9.68e-5 m3/s，總滲漏量1 224 m3/d，占有效庫容的0.17%。混凝土防滲墻對于延長滲徑、消減水頭的作用比較明顯，并且最大滲透比降集中分布在防滲墻處，滲流出口處滲透比降小于0.1。排水管將閘基滲水排出后有效降低了護坦底板的滲流壓力。計算結果符合達西滲流規(guī)律，并且閘基滲漏量在允許范圍內(nèi)、滲透比降均小于土層的允許比降，不會發(fā)生滲透破壞，說明了防滲方案的有效性。

圖2 泄洪閘滲流計算有限元模型

土層容重γ/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角?/°粘聚力C/kPa滲透系數(shù)k/(cm·s-1)允許比降④1粘質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土172561.25e-40.45～0.50④2砂質(zhì)粉土夾粉細砂16.52652.9e-40.35～0.40④3砂卵礫石21.53503.5e-30.12～0.18⑤1粉細砂16.253006.5e-40.25～0.30⑤2漂卵礫石20.53505e-30.15～0.20卵礫石換填層173505e-30.25～0.30

圖3 總水頭等勢線圖

圖4 流速矢量分布圖

3.2 穩(wěn)定計算

在GeoStudio軟件的SEEP分析模塊下新建SLOPE模塊，進行閘室抗滑穩(wěn)定性分析。GeoStudio的優(yōu)點是由滲流分析計算的孔隙水壓力值可直接應用到穩(wěn)定性分析模塊中，無需另外再設置孔隙水壓力。SLOPE模塊中穩(wěn)定分析基于極限平衡理論，計算采用畢肖普圓弧滑動法。

因設計洪水位和校核洪水位均低于正常蓄水位，穩(wěn)定性計算考慮最不利工況如下。

工況一(正常工況)：上游正常蓄水位1 841.0 m，對應下游水位1 818.0 m。

圖5 滲透比降分布圖

工況二(地震工況)：上游正常蓄水位1 841.0 m，對應下游水位1 818.0 m，并伴隨Ⅷ度地震。

各土層計算參數(shù)見表1所示，由于④2砂質(zhì)粉土夾粉細砂層相對較弱，因此考慮將④2層以下設置為不滑動層從而搜索沿該層的最危險滑動面，最終搜索到的圓弧直線組合式滑面安全系數(shù)最小，如圖6所示，計算成果見表2。計算安全系數(shù)均小于允許安全系數(shù)[2]，表明閘室抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

圖6 整體抗滑穩(wěn)定計算結果圖

項目正常蓄水位地震抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)2.1761.379允許安全系數(shù)1.251.05

4 結 語

1)針對該沖積層地層結構，采用懸掛式防滲墻能有效延長滲流路徑，降低閘基滲透比降，排水管將滲水排出后有效降低了底板的滲流壓力。

2)通過指定滑動面的方式搜索到沿軟弱粉土層滑動的安全系數(shù)最小且滿足抗滑穩(wěn)定要求。