堆龍河下游梯級水閘庫區滲流場分析及滲控研究

2022-12-15 14:50:42丁晶晶蔡明光

水電站設計 2022年4期

馬林，丁晶晶，蔡明光

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611730）

0 前言

堆龍德慶區堆龍河兩岸綜合治理工程（下游）位于西藏自治區拉薩市堆龍新區境內的堆龍河干流上。工程根據河道輸沙、小范圍內集中清沙的河道功能要求，并結合水生態、城市居民親水性等需要，自上游向下游方向設置了4座梯級生態蓄水閘。根據地質勘探，工程河段存在較厚的強透水砂卵石覆蓋層，生態蓄水閘工程建成蓄水后，庫區水位抬高，必然造成庫區滲流場變化，導致庫岸浸沒、滲透穩定及庫區生態蓄水平衡等工程問題［1-2］。堆龍河生態蓄水閘蓄水后形成的水庫屬城市型水庫，庫岸兩側已建成或待建大量建筑，庫岸地下水位抬升引起的浸沒問題勢必對這些建筑物基礎產生不利影響，而滲透穩定及庫區蓄水平衡問題則直接影響水庫的安全及蓄水效果。關于滲流及防滲技術的研究已有大量文獻記錄［3-6］，本文結合工程河段地質條件及工程設計成果，擬開展相關滲流分析及滲控方案研究工作，為工程設計提供理論依據。

1 有限元計算模型及計算方案

基于滲流場與溫度場在基本理論、微分方程、初始條件及邊界條件的相似性，滲流計算采用ANSYS的熱分析模塊。已有的案例［7-9］顯示該熱分析模塊應用于滲流場模擬，具有較好的可行性及可靠性。

1.1 有限元計算模型

根據堆龍河擬建閘壩庫區地形地貌、水文地質條件及劃分出的兩岸浸沒區范圍，確定三維滲流場有限元計算模型范圍為：自4號閘壩軸線取至上游約740m，自1號閘壩軸線取至下游約160m，順水流方向共3600m；左岸自3號閘壩中心往左岸約1250m，右岸自3號閘壩中心往右岸約1050m，模型橫河向長度約為2300m；在高程方向模型從地表覆蓋層到基巖（相對不透水層）的完整地層，模型平均厚度約150m（見圖1）。

圖1 三維有限元模型

1.2 計算方案及計算參數

庫區初步設計防滲措施為：①閘前水平防滲由上游側膨潤土防水毯、鋪蓋、閘底板三部分共同組成；②堤岸垂直防滲形式采用塑性混凝土防滲墻方案。

為了深入研究建閘蓄水后堤岸垂直防滲與閘前水平防滲措施的滲控效果，優化閘壩防滲措施（閘前水平防滲毯、閘基垂直防滲墻），初擬以下3種滲控方案開展建閘后最高蓄水位條件下的滲流計算研究。滲控計算方案見表1，庫岸各地層滲透系數見表2。

表1 計算方案

表2 庫岸各地層及防滲墻滲透系數

2 模型驗證

根據堆龍河區域水文地質條件的綜合分析，三維有限元模型在天然平水期的計算邊界按如下方法確定：①底邊界取為隔水邊界；②地表邊界，主要確定主河床水位，主河床水位根據BZK2鉆孔及BZK3鉆孔水位確定相應河道斷面處的水位及河道水面坡降；③上下游邊界、左右岸邊界取為第一類邊界條件，即定水頭邊界條件，具體水頭值將通過天然滲流場反演分析各鉆孔水位確定，鉆孔位置及鉆孔水位見圖2和表3。

為論證計算模型邊界選取的合理性，提取水位觀察鉆孔部位的水位計算值與觀察值進行對比分析如表3所示。從表3中可知，滲流反演計算得出的鉆孔水位與實際觀察水位的絕對誤差均值小于0.5m，相關系數約0.991，說明反演滲流場能夠較客觀地反映河道鉆孔區域的滲流特性。

表3 鉆孔水位計算值與觀測值對比分析結果

3 結果及分析

3.1 庫岸浸沒影響分析

圖3為庫岸區域蓄水前后滲流場分布及地下水位等高線及流勢，圖4為各方案蓄水工況區域地下水位變化值等值線。由圖3～4看出，堆龍河在擬建多級閘段兩岸地形較為平緩，從地下水滲流趨勢來看，區域天然平水期的地下水總體呈上游向下游補給為主，兩側向河床補給為輔的趨勢；蓄水后，由于河床水位抬高，堆龍河區域的地下水大致呈上游向下游補給、河床向兩岸流失的趨勢；在最高蓄水位期沿岸未設垂直防滲措施時，較天然平水期的地下水位抬升最大值達2.84m。

圖3 庫岸區域地下水位等高線及流勢

圖4 各方案區域地下水位變化值等值線

各方案下，垂直防滲墻形式以及閘壩防滲措施（上游水平防滲毯及閘基垂直防滲墻）對于庫區總體滲流場的地下水位影響程度有限，對地下水位的影響值最大不超過4cm，這是由于庫區的主要滲透通道為包括河床內外的最大厚度大于80m的強透水松散-密實卵石層，而懸掛式防滲墻深度8m，無法完全截斷河道向兩岸的滲漏通道，故防滲墻對于庫岸區域的整體地下水水位影響并不顯著。

3.2 庫區水量平衡分析

建閘蓄水后，因庫區地層組成物質主要為強透水的卵石層，庫區易發生排泄型滲漏，滲漏程度直接影響庫區的蓄水效果。經計算，各方案庫區最高蓄水位期較天然平水期的庫區總滲漏量差見表4。

表4 各計算方案庫區最高蓄水位較天然平水期的庫區滲漏量差

由表4可知，堤岸無垂直防滲墻措施時，四級閘庫區的總滲漏量約為4.82m3／s，略大于河道枯水期最小來水量4.7m3／s，不能滿足建閘后的河道綜合治理蓄水要求。在設置沿堤岸8m深防滲墻方案下，庫區最高蓄水位較天然平水期的庫區滲漏量差均小于枯水期平均最少來水量4.7m3／s。相較于堤岸不設防滲墻工況，如設置沿堤岸8m深塑性混凝土防滲墻，河道內總滲量減小41.68%；設置沿堤岸8m深高壓旋噴防滲帷幕后，使河道內總滲量減小32.53%。方案四在閘壩處防滲措施采取閘底垂直防滲墻后，使河道內總滲量減小44.39%，與方案二的防滲效果相比只提升了2.71%，可見閘基的水平防滲和垂直防滲措施對河床的總滲漏量影響較小。

3.3 河床覆蓋層及閘壩結構滲透穩定分析

最高蓄水位工況下，河道內水位升高，可能引起河床覆蓋層滲透比降增大，當滲透比降大于覆蓋層允許滲透比降時，會威脅到工程結構的安全穩定性。結合滲流計算結果在工程區域選取4個橫河向剖面（見圖5中剖面A-A′、B-B′、C-C′、D-D′）和4個順河向剖面（見圖5中剖面1-1′、2-2′、3-3′、4-4′），分析不同滲控方案下典型剖面的地層和防滲結構的滲透比降分布規律。圖5為上述剖面在有限元模型研究范圍內的布置示意。

圖5 典型剖面布置示意

各滲控方案下工程區域防滲結構及典型剖面地層最大滲透比降見表5。從表5中可以看出，最高蓄水位工況下，方案一未設置垂直防滲措施，堤岸下方土層內局部區域滲透比降最大值可達到0.64，遠超允許滲透比降0.15～0.20，該情況下堤岸土層極有可能發生滲透破壞。

表5 各滲控方案下工程區域防滲結構及典型剖面地層最大滲透比降匯總

堤岸塑性防滲墻與高噴防滲墻對減小堤岸土層滲透比降均有顯著效果，能有效避免地基發生滲透破壞。施作防滲墻后，閘基地層最大滲透比降分布在與閘前防水墊層前緣或閘室底板前緣接觸部位，堤岸最大滲透比降分布在與堤岸防滲墻接觸區域，最大滲透比降均在允許滲透比降0.15～0.2范圍內，但從滲透比降的角度比較，懸掛式塑性防滲墻與旋噴灌漿式防滲墻存在一定差異，施作高噴防滲墻的情況下，墻體周圍地層滲透比降略大，導致滲流量有所提高。