瀑布溝水電站量水堰防滲墻深度優化分析

李 先 能

(國能大渡河瀑布溝水力發電總廠,四川 雅安 625000)

0 引 言

防滲墻是水庫最重要的組成部分[1]。壩體防滲墻可以有效降低壩體內部浸潤線高度,浸潤線在心墻處驟降,使浸潤線降至下游排水體中[2]。量水堰是指設在渠道、水槽中用以量測水流流量的溢流堰。最常用的是具有特制缺口的薄壁堰;有些國家還使用由混凝土等材料直接建成的寬頂堰、三角堰、截頭三角堰等[3]。量水堰位置處于厚度較厚且滲透性較強的覆蓋層,為使量水堰能夠檢測到壩基滲水,在量水堰下端設置防滲墻是必要的;但是要考慮到盡可能減短防滲墻長度的布置原則和最小的投資原則[4-5]。

筆者通過分析瀑布溝大壩目前的壩基滲流監測、水位長觀孔監測成果、壩腳下游水位以及壩基地質條件,確定了上下游計算水位。首先對比了相同堰頂高程下不同深度的防滲墻滲控效果,然后對不同堰頂高程下不同深度的防滲墻滲控效果進行優化比選,并綜合考慮經濟成本投入給出最優化設計方案。

1 工程概況

瀑布溝水庫正常蓄水位850.00 m,死水位790.00 m,總庫容53.37億m3。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高186.0 m,壩頂高程856.00 m,壩頂長540.5 m,壩頂寬度14.0 m。上游壩坡1∶2和1∶2.25,下游壩坡1∶1.8,壩體斷面分為四個區,即礫石土心墻、反濾層、過渡層和堆石區。上、下游圍堰作為壩體堆石的一部分。地震設防烈度為Ⅷ度。

2002年12月25日國務院正式批準瀑布溝水電站立項。2005年11月22日工程截流。2009年9月通過蓄水安全鑒定。2009年11月1日下閘蓄水。2010年12月蓄水至正常蓄水位。2013年1月通過樞紐工程專項驗收。

2 瀑布溝水電站樞紐區三維滲流計算模型

2.1 滲流控制方程及有限元分析

滲流水力學認為,當滲透介質中水流流速不大時,可認為地下水運動服從不可壓縮流體的飽和穩定達西滲流規律。筆者結合各向異性多孔介質連續介質模型的有限元進行闡述。

2.1.1 達西定律

在多孔介質中,水流運動為層流狀態,服從線性達西定律。

vi=-kijJj=-kijhj(i,j=1,2,3)

(1)

式中:vi為流速分量;kij為介質的滲透張量;J為水力坡降;h為水頭。

2.1.2 穩定滲流基本微分方程

將上式代入滲流連續性方程vi,i=0,可得穩定滲流基本控制微分方程。

(kij,hj)i=w(i,j=1,2,3)

(2)

式中:采用張量指標記法,w為恒定降雨入滲或蒸發量。

2.1.3 微分方程的定解條件

(1)第一類邊界條件(Dirchlet條件)又稱定水頭邊界條件。

H(x,y,z)=φ(x,y,z)|(x,y,z)∈Γ1

(3)

(2)第二類邊界條件(Neuman邊界)。

(4)

式中:Γ1為具有給定流入流出流量的邊界段;N為Γ2的外法線方向。

(3)混合邊界條件,即水頭差與過流量之間保持一定的線性關系。

(5)

式中:α,β為常數。

2.2 三維滲流有限元網格模型

2.2.1 地層參數及邊界條件

(1)模擬的地層及地質結構。包含深厚覆蓋層(Q41-1)、深厚覆蓋層(Q41-2)、深厚覆蓋層(Q42-1)、深厚覆蓋層(Q42-2)和深厚覆蓋層(Q32)。

覆蓋層下覆巖體水文地質分區為:透水率1 Lu線以上巖體、透水率3 Lu線以上巖體和透水率10 Lu線以上巖體。在剖分有限單元時嚴格按水文地質分區進行。

(2)模擬的水工建筑物。壩體結構部分:黏土心墻、反濾排水層、反濾保護層、棄渣重區、下游圍堰。水工結構:導流洞、溢洪洞、防滲墻、量水堰、防滲帷幕等。

(3)邊界條件。四周垂直截取邊界:均設置為隔水邊界。地表邊界:壩軸線上游側低于庫水位的地方設為已知庫水位邊界,高于庫水位的岸坡為可能出滲邊界;壩軸線下游側低于下游河水位的地方設為已知水位邊界,高于下游水位的岸坡設為可能出滲邊界。模型底部截取邊界:設為隔水頭邊界。

2.2.2 三維模型建立

有限元網格模型生成采用河海大學滲流實驗室開發的基于AUTOCAD軟件的斷面節點控制自動剖分方法[6-7]。該方法生成的單元為六面體八節點等參有限單元,局部區域采用四面體單元或五面體單元過渡銜接。該模型整個庫區由44個建模剖面控制自動剖分生成,共生成69 683個單元和69 001個節點。為確保計算精度,考慮到壩體結構相對兩岸山體和壩基更為復雜,因此在壩體處進行了網格加密處理。圖1為瀑布溝水電站樞紐區整體三維有限元網格模型。建立的三維滲流有限元網格模型較為準確地反映了瀑布溝水電站樞紐區壩體結構、灌漿帷幕、溢洪洞及導流洞、發電廠房的分布、位置及范圍。

圖1 瀑布溝水電站樞紐區整體三維有限元網格模型圖

3 量水堰滲控方案計算分析

根據設計方案,量水堰滲控措施主要包括:沿量水堰軸線,在覆蓋層地層打防滲墻,20 Lu以上巖體進行帷幕灌漿。瀑布溝水電站上游正常蓄水位為850.0 m,瀑布溝水電站壩腳為大渡河干流與尼日河支流匯口處,根據尼日河支流匯口上游方向961.24 m處水位站(2020年建設)監測資料,查詢最低水位685.53 m,到壩腳河道平均比降1.25%。推算下來壩腳最低水位約673.51 m,因此確定了上游水位為850.0 m,下游計算水位為673.5 m。根據上述反演建立的大壩三維滲流分析模型,開展了上游水位850.0 m和下游水位673.5 m條件下,在不同堰頂高程、不同防滲墻深度條件下三維滲流場計算,并比選量水堰滲控最優方案。

3.1 堰頂高程675.0 m條件下量水堰滲控方案

在堰頂高程675.0 m條件下,堰頂高程比下游水位673.5 m高1.50 m。從表1(堰頂高程675.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果)中可以看出:不同深度的防滲墻會使墻前地下水位有所抬升,抬升值越大,說明防滲墻的阻水作用越大。當量水堰堰頂高程高于下游水位1.50 m時,防滲墻深度到達60.0 m時,防滲墻前水位剛剛到達堰頂高程,少量地下水進入量水堰。由于設置60 m深的量水堰防滲墻投資成本過高,因此堰頂高程為675.5 m的工況不符合設計理念。

表1 堰頂高程675.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果 /m

3.2 堰頂高程674.5 m條件下量水堰滲控方案

在堰頂高程674.5 m條件下,堰頂高程674.5 m比下游水位673.5 m高1.0 m。從表2(堰頂高程674.5 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果)中可以看出:當量水堰堰頂高程高于下游水位1.0 m時,防滲墻深度到達40.0 m時,防滲墻水位剛好到達堰頂高程,少量地下水進入量水堰。由于在量水堰下部設置40 m防滲墻同樣存在投資成本過高的問題,因此堰頂高程為674.5 m的工況不符合設計理念。

表2 堰頂高程674.5 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果 /m

3.3 堰頂高程674.0 m條件下量水堰滲控方案

在堰頂高程674.0 m比下游水位673.5 m高0.50 m。從圖2(堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的浸潤線)和表3(堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果)中可以看出:當量水堰堰頂高程高于下游水位0.50 m時,浸潤線在量水堰防滲墻深度在18.0 m時比無防滲墻時有小幅度提升,防滲墻深度到達18.0 m時防滲墻前水位高于堰頂高程0.16 m,少量地下水進入量水堰;因此,堰頂高程674.0 m時建設較淺的防滲墻既可達到量水堰的預警作用,投資成本也相對較低。

表3 堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果 /m

圖2 堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的浸潤線

4 結 語

通過大量的計算結果可以總結如下規律:地下水能否進入量水堰取決于兩個控制因素:(1)堰頂高程與下游水位之差;(2)防滲墻深度。堰頂高程與下游水位之差越小,地下水越容易進入量水堰;防滲墻深度約大,地下水越容易進入量水堰。

在下游水位為673.50 m時,量水堰高程為675.0 m和674.5 m時,量水堰防滲墻深度分別達到60 m和40 m,量水堰才能發揮預警作用,投資成本過高;量水堰高程為674.0 m時設計較淺的防滲墻量水堰即可發揮預警作用。

確定瀑布溝大壩壩后新增量水堰采用懸掛式防滲墻結構,防滲墻底部深入原河床地面線以下10 m,量水堰底高程為673 m,頂高程為674 m,實施過程中根據瀑布溝大壩下游新增設的六個長觀孔測量水位變化和現場施工情況進行適當調整。