QMS水電站前池二維沉降與滲流復核計算分析

趙姍姍

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

QMS 水電站位于新疆維吾爾自治區喀什地區莎車縣境內，距莎車縣約82 km。工程主要由攔河引水樞紐（土石壩、泄洪建筑物、引水閘）、輸水建筑物（輸水渠道）、前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。水庫正常引水位1 550.0 m，校核洪水位1 551.30 m；相應庫容577萬m3，最大壩高14.5 m，主電站發電流量358.0 m3/s，生態電站發電流量41.2 m3/s，前池正常水位1 547.334 m，主電站裝機容量200 MW，生態電站裝機容量3 MW，多年平均發電量6.20 億kW·h，裝機利用小時數3054 h。QMS 水電站工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。

QMS 水電站為徑流式電站，采用引水式開發，開發任務是水力發電。壓力前池位于輸水渠道樁號11+480.810 m 處，主要由連接段、前室、進水室、沖沙閘、泄水排冰閘、泄水陡坡及側堰等建筑物組成。壓力管道采用正面進水單機單管布置形式，壓力管道共4根，由砼管和鋼管組成，管徑均為5.4 m，其中砼管長292 m、鋼管長166 m。發電廠房為引水式地面廠房，位于縣道X504 公路南側，主、副廠房呈平行排列布置，尾水渠向下游延伸約396.4 m 與葉爾羌河主河道相接。

2 計算分析背景

2021 年1 月21 日21 時42 分葉城縣發生4.6 級地震，隨后相關人員對水電站建筑物進行震后安全運行狀況全面檢查。檢查發現壓力前池左岸樁號0+000重力式擋墻與扶壁式擋墻之間的結構縫有流水聲響。隨后對該處進行回填土開挖，發現結構縫高程1 545.5 m左右出現噴射狀水流，當時前池運行水位1 547.31 m；同時發現壓力前池進水室右側建筑物與填筑體結合部出現4 處直徑約40 cm 孔穴，其外圍填筑邊坡樁號0+096～0+119、高程1 539.5～1 549.5 m范圍內網格梁局部拱起；前池右岸填筑體交通平臺表面出現不同程度的裂縫；前池兩進水室之間的結構縫累計張開20～40 mm。

隨即對現場進行了施工地質補充勘察工作。在壓力前池基礎探坑內取4組粗粒土樣進行了物理力學性能試驗，天然干密度為2.21～2.23 g/cm3，相對密度為0.72～0.83，結構密實，滲透系數為2.0×10-3cm/s，為中等透水層；在壓力前池基礎探坑內取8 組細粒土進行了物理力學性能及化學性試驗，天然干密度為1.40～1.67g/cm3；壓力前池基礎3 個探坑內不同深度取8組細粒土原狀樣進行濕陷試驗，200 kPa壓力下的濕陷系數為0.0 174～0.0 290，濕陷性輕微。

3 沉降及滲流穩定計算

3.1 沉降計算

3.1.1 計算模型

基礎砂礫石、換填砂礫石沉降計算均采用Dun?can-EB模型。砂礫料采用鄧肯（Ducan）E-B非線性模型模擬，Duncan非線形彈性E-B模型采用切線彈性模量Et、體積模量B、彈性模量Eur3 個彈性參數，相應的彈性矩陣的形式為：

確定Et、B和Eur的主要公式如下：

其中

式中：K為初始模量，kPa；Pa為大氣壓強，Pa；n反映變形模量和圍壓關系（無量綱）；Rf破壞比（無量綱）；c為粘聚力，kPa；Sl為應力水平；Kb為初始模量基數，kPa；m為反映初始模量隨圍壓變化的速率；Kur為回彈模量，kPa；c′為抗剪斷黏聚力，kPa；φ′為抗剪斷摩擦角。

3.1.2 計算參數選擇

砂礫料采用鄧肯（Ducan）E-B非線性模型模擬，混凝土采用線彈性模型模擬，其相關參數見表1，壓力前池基礎細粒土物理力學性能試驗成果見表2。

表1 Duncan-EB模型非線性材料相關參數

表2 壓力前池基礎細粒土物理力學性能試驗成果表

根據上述試驗參數考慮粉土在飽和情況下壓縮模量衰減值，計算粉土飽和后濕陷性。

3.1.3 計算結果

擬定4 種工況：實際、前池底部部分換填、全部換填、地下水在1 520.0 m 時粉土濕陷變形工況，按擬定的工況運行時對前池的沉降分別進行計算，計算成果見表3和圖1～圖4。

表3 前池底板沉降變形計算成果表

圖1 實際工況豎向沉降等值線云圖

圖2 底部部分換填工況豎向沉降等值線云圖

圖3 底部全部換填工況豎向沉降等值線云圖

圖4 粉土濕陷變形工況豎向沉降等值線云圖

3.2 滲流計算

分析河床明渠粉土顆分資料可知，粉土不均勻系數Cu為5.94，曲率系數Cc為68.46，為級配不連續土，粉土控制粒徑d70、d60、d30、d10分別為0.0 455、0.0 309、0.0 110、0.0 052 mm。土中的細粒含量Pc以質量百分率計，以細粒含量Pc分析判斷管涌土、流土及過渡型土，在不均勻系數大于5 的不連續級配土判別方式為：

管涌土：Pc＜25%

流土：Pc≥35%

過渡型土：25%≤Pc＜35%

土中粗粒和細粒的界限粒徑df按df=計算，經計算得df為0.015 mm。根據顆分曲線査得細粒含量Pc為38.9%，因此判定明渠粉土滲透破壞形式為流土型。

模擬1 520.0 m 水位時前池沿壓力管道至廠房滲流場分布情況，選擇前池周邊滲流最不利地形斷面進行滲流計算。

3.2.1 計算理論

計算方法采用各向異性連續介質滲流控制方程式，對各向異性連續介質，其達西定理可寫為ui=-kijh,j，將其代入連續方程ui,j=0，可得無源恒定滲流控制方程，即廣義拉普拉斯方程(kijh,j),j=0。若給定邊界條件求水頭的分布，稱滲流分析的正問題。若給定若干點的水頭值或部分邊界條件，求滲透張量及未知邊界條件，稱為滲流分析的逆問題。

3.2.2 邊界條件

滲流計算邊界示意圖見圖5。

圖5 滲流計算邊界示意圖

（1）第一類邊界條件，給定水頭，如ab邊界水頭為h=h1，de邊界為h=h2。

（2）第二類邊界條件，給定流速，如ae邊界上給定法向流速為零，un=0。

（3）自由水面邊界條件，同時給定水頭及流速，如bc′邊界h=x3，un=0，但位置未知。

（4）可能出逸面邊界條件，圖5 中的cd為水流的可能出逸面，在cd上最初給定第一類邊界條件（h=x3）進行計算滲流場，若此邊界上某點計算流量為負值（表明由域外向域內流），應調正給定水頭，使其略小于高程，再重復計算直至收斂。

3.2.3 計算參數

根據區域內ATS工程滲透及反濾試驗，并考慮地質、水文資料及鉆孔壓水實驗資料，基礎含土砂礫石、換填砂礫石滲透參數取值分別為7.1×10-3、1.0×10-3cm/s。

3.2.4 計算成果

滲流計算成果見圖6～圖8。

圖6 前池沿壓力管道至廠房滲流場孔隙壓力分布圖

圖7 廠房后邊坡滲流場孔隙壓力分布圖

圖8 前池沿壓力管道至廠房滲流場滲透壓力分布圖

經計算，當前池底部水位在1 520.0 m 時，浸潤線距離地表最近處位于廠區后邊坡坡腳處，距地面2～3 m，不會發生滲透破壞。

4 結語

（1）根據目前壓力前池變形及滲漏水情況，經前池沉降及滲流分析，判定建筑物產生破壞和失穩的可能性不大，工程是安全的，但應引起足夠重視，及時處理前池變形和滲漏問題。

（2）應加強前池平臺沉降、周圍填筑體沉降、結構縫變形觀測，加強前池滲壓管及壓力管道滲壓監測，加強渠道沉降變形及滲水觀測。

（3）建議前池放空后對結構縫引水面進行加強處理。