猴子巖水電站面板堆石壩三維滲流計(jì)算分析

張鳳財(cái)，姜媛媛，竇向賢

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流梯級開發(fā)規(guī)劃“三庫22級”的第9級電站[1]。水庫正常蓄水位1 842 m，總庫容7.06億m3，具有季調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量1 700 MW。攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 848.5 m，最大壩高223.5 m，壩頂總長278.35 m。

該工程攔河壩壩體主要通過混凝土面板、混凝土趾板和面板接縫止水防滲。壩基通過趾板下帷幕灌漿防滲。為防止繞壩滲漏，兩岸壩肩設(shè)置了帷幕灌漿防滲。兩岸趾板建基面大部分置于弱風(fēng)化上段強(qiáng)卸荷巖體上，河床段趾板基礎(chǔ)坐落在回填混凝土上。兩岸趾板采用“定寬趾板+防滲板”，在兩岸趾板下游的基巖面20 m范圍內(nèi)采取網(wǎng)噴混凝土及固結(jié)灌漿等措施以延長滲徑，噴混凝土后面適當(dāng)范圍巖面鋪設(shè)反濾層以控制滲流。壩前1 735 m高程以下為壓重區(qū)，面板等防滲結(jié)構(gòu)不具備檢修條件，且該范圍面板承擔(dān)的水壓力相對較大，一旦面板出現(xiàn)開裂等狀況，將導(dǎo)致大壩滲漏量增加，影響工程經(jīng)濟(jì)效益，甚至危及工程安全，因此在壓重區(qū)范圍面板前鋪填石粉，面板開裂后石粉可迅速充填裂縫，使其自愈。

2 滲流計(jì)算方法及邊界條件

本文計(jì)算采用飽和穩(wěn)定滲流有限元方法[2]，基本微分方程為

(1)

式中，xi，xj為坐標(biāo)，i，j=1，2，3；kij為達(dá)西滲透系數(shù)張量，當(dāng)i=j時(shí)，kij=k，當(dāng)i≠j時(shí)，kij=0；h為總水頭,h=x3+p/γw,其中x3為位置水頭，p/γw為壓力水頭。

微分方程的定解邊界條件：

H|Γ1=h1

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，h1為已知水頭函數(shù)；ni為滲流邊界面外法線方向余弦，i=1,2,3；Γ1為第一類滲流邊界條件，即定水頭邊界條件；Γ2為第二類滲流邊界條件，即流速邊界條件；Γ3為滲流自由面；Γ4為滲流逸出面；vn為法向流速。

在求得滲流場有限元數(shù)值解(各單元結(jié)點(diǎn)水頭值)后，可采用插值網(wǎng)格法計(jì)算任意四邊形斷面的滲流量。待求滲流量的任意四邊形斷面記為S1，面積為A，假設(shè)其沿法線方向偏移距離L得面S2，點(diǎn)1、點(diǎn)2分別為面S1、S2的形心，h1、h2分別為點(diǎn)1、點(diǎn)2處的總水頭，見圖1。當(dāng)偏移距離L相對于截面積A足夠小，即L趨于0時(shí)，根據(jù)達(dá)西定律，通過斷面S1的滲流量可近似為

(6)

式中，kn為法向滲透系數(shù)。

將四邊形斷面S1、S2按同樣的規(guī)則離散成細(xì)密的網(wǎng)格單元，則通過斷面S1的滲流量計(jì)算公式可改寫為

(7)

式中，n為離散后的網(wǎng)格單元總數(shù)；kni為單元的法向滲透系數(shù)；Ai為單元的面積；Δhi為每對離散網(wǎng)格單元形心處的總水頭差。

假設(shè)某個(gè)離散單元的形心為點(diǎn)A，同時(shí)假定已計(jì)算出節(jié)點(diǎn)水頭的單元為空間八結(jié)點(diǎn)六面體等參數(shù)單元，點(diǎn)A在該六面體單元中(見圖2)，則點(diǎn)A的總水頭為

(8)

式中，hi為六面體單元8個(gè)結(jié)點(diǎn)的水頭值；xi(ζ,η,ζ)為用局部坐標(biāo)表示的單元形函數(shù)。根據(jù)上式求出每個(gè)離散網(wǎng)格單元形心處的總水頭，進(jìn)而可求出通過任意四邊形斷面的滲流量。

圖2 八節(jié)點(diǎn)六面體等參數(shù)單元示意

3 計(jì)算參數(shù)、模型及工況

3.1 計(jì)算參數(shù)

表1為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)類比確定的各主要材料滲透系數(shù)。

表1 各主要材料的滲透系數(shù)計(jì)算取值

3.2 計(jì)算模型

將面板、趾板、帷幕及墊層等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模，其余滲透特性相近的材料適當(dāng)合并簡化，模型中裂縫均采用薄實(shí)體單元模擬。

計(jì)算模型底部高程為1 345 m，位于較深的基巖內(nèi)，取為隔水邊界；由于水庫蓄水后，天然地下水對滲流場的影響較小，兩岸山體邊界取為隔水邊界；上游水位取正常蓄水位1 842 m，正常蓄水位以上部分取為隔水邊界；下游水位取一臺機(jī)組發(fā)電時(shí)的水位1 695 m，下游水位以上地表取為可能自由逸出邊界。

圖4 正常工況下大壩滲流場分布(單位：m)

3.3 計(jì)算工況

本文取6種工況進(jìn)行計(jì)算，分別為：①工況1，正常蓄水位穩(wěn)定滲流工況；②工況2，假設(shè)面板在高程1 770 m處出現(xiàn)一條橫向水平裂縫(h1)，縫長約為95 m，縫寬為3 mm；③工況3，假設(shè)面板在0+163.8 m、高程1 760～1 818 m范圍出現(xiàn)一條縱向垂直裂縫(z1)，縫長約為128 m，縫寬為3 mm；④工況4，假設(shè)面板在0+201.5、0+163.8、0+128.7 m，高程1 760～1 818 m范圍內(nèi)分別出現(xiàn)3條縱向垂直裂縫(z2、z1、z3)，縫寬均為3 mm；⑤工況5，假設(shè)面板出現(xiàn)縱向垂直裂縫z1，墊層料滲透系數(shù)取5.5×10-7m/s；⑥工況6，假設(shè)面板出現(xiàn)縱向垂直裂縫z1，墊層料滲透系數(shù)取5.5×10-5m/s。

圖3給出了本文計(jì)算假設(shè)的面板橫向水平裂縫和縱向垂直裂縫位置。

圖3 計(jì)算所假設(shè)的面板裂縫位置

4 分析成果

4.1 正常工況分析

圖4為正常蓄水位穩(wěn)定滲流工況三維計(jì)算所得大壩河床中部的浸潤線和等水頭線分布，從圖4中可以看出，等勢線分布符合一般規(guī)律。由于面板、趾板、趾板基礎(chǔ)帷幕及壩肩帷幕的聯(lián)合防滲作用，河谷部位水位降落達(dá)137.13 m，即河谷段垂直防滲系統(tǒng)削減了93%以上的水頭，左、右岸山體基巖防滲帷幕的防滲效果明顯，幕前高水頭經(jīng)過山體帷幕后明顯折減。通過面板及趾板的滲漏量為3.05 L/s，通過趾板下防滲帷幕和地基的滲漏量為219.38 L/s，兩岸帷幕及山體的繞滲量為66.58 L/s，大壩下游量水堰的滲漏量計(jì)算值為203.54 L/s。整個(gè)防滲體系承受了較大的水力坡降，其中，面板的最大水力坡降達(dá)175.00，防滲帷幕的最大水力坡降達(dá)24.01，面板下游側(cè)的墊層料水力坡降較小，最大值為0.60，壩體堆石料滲透系數(shù)較大，等水頭線稀疏，水力坡降較小，壩基各覆蓋層的水力坡降均未超過允許水力坡降。分析成果表明，設(shè)計(jì)防滲方案滿足滲流與滲透穩(wěn)定性要求。

與水庫實(shí)際運(yùn)行情況對比發(fā)現(xiàn)，堆石區(qū)水位的計(jì)算值和監(jiān)測成果基本吻合，說明防滲系統(tǒng)的施工質(zhì)量較好；計(jì)算過程中由于將裂隙巖體按等效連續(xù)各向同性介質(zhì)來進(jìn)行處理，因此量水堰的滲漏量計(jì)算值(203.54 L/s)比實(shí)測值(176.73 L/s)偏大；三維滲流計(jì)算成果表明，大壩下游的滲水主要來源于壩基及壩肩繞滲，面板滲水很小，現(xiàn)場水樣水質(zhì)簡分析結(jié)果也反映了這個(gè)規(guī)律，證明目前面板性態(tài)良好。

4.2 面板開裂對滲流場的影響

各工況關(guān)鍵部位的水力坡降、相對水位變化及通過面板滲水量見表2。假設(shè)面板產(chǎn)生裂縫后，裂縫下游側(cè)一定范圍均會形成一個(gè)飽和區(qū)，縱向垂直裂縫對應(yīng)飽和區(qū)范圍要大于橫向水平裂縫；堆石區(qū)水位會有不同程度抬高，且水位影響區(qū)會向下游及左右岸延伸相當(dāng)長的距離，單條縱向垂直裂縫引起的水位抬高幅度小于單條橫向水平裂縫，但當(dāng)面板同時(shí)出現(xiàn)多條縱向垂直裂縫時(shí)，堆石區(qū)水位則會大大抬高；墊層料的水力坡降會較面板沒裂縫情況大大提高；完好的混凝土面板幾乎是不透水的，當(dāng)面板出現(xiàn)橫向水平裂縫后，通過面板的滲水量會大大增加，出現(xiàn)縱向垂直裂縫后，通過面板的滲水量增加會更嚴(yán)重?？梢姡姘宄霈F(xiàn)裂縫后，會嚴(yán)重影響工程的蓄水效率，甚至危及工程安全，如何采取妥善可靠的措施盡量避免面板開裂是混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)之一。

4.3 墊層料滲透特性對滲流場的影響

本文以面板出現(xiàn)縱向垂直裂縫z1為例，研究墊層料滲透特性對滲流場的影響。各工況關(guān)鍵部位的水力坡降、相對水位變化及通過面板滲水量見表2。當(dāng)假設(shè)墊層料的滲透系數(shù)縮小10倍，取5.5×10-7m/s時(shí)，相對面板沒出現(xiàn)裂縫的情況，堆石區(qū)水位僅抬高0.74 m，遠(yuǎn)小于工況3的水位抬高值，且此時(shí)裂縫下游側(cè)飽和區(qū)范圍很小；當(dāng)假設(shè)墊層料的滲透系數(shù)放大10倍，取5.5×10-5m/s時(shí)，相對面板沒出現(xiàn)裂縫的情況，堆石區(qū)水位抬高4.40 m，大于工況3的水位抬高值，且此時(shí)裂縫下游側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)很大的飽和區(qū)；此外，其余條件一樣的情況下，當(dāng)墊層料滲透特系數(shù)變化時(shí)，除墊層本身的水力坡降會發(fā)生變化外，帷幕水力坡降及通過面板的滲水量也會隨之發(fā)生一定程度的變化。

因此，墊層區(qū)是混凝土面板堆石壩的關(guān)鍵部位之一，要進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制墊層料的料源及碾壓質(zhì)量，并對其采取可靠的反濾保護(hù)措施，避免面板開裂時(shí)墊層料發(fā)生滲透破壞，進(jìn)而威脅大壩安全。

表2 各工況坡降、水位、滲漏量

5 結(jié) 論

本文對猴子巖水電站混凝土面板堆石壩的正常工況和假設(shè)面板出現(xiàn)不同型式的裂縫等非常工況，分別進(jìn)行了三維滲流穩(wěn)定分析，并以一條縱向垂直裂縫為例，研究了墊層料滲透特性對滲流場的影響，基于計(jì)算成果可得到以下幾點(diǎn)初步結(jié)論：

(1)從正常工況分析的滲流場、關(guān)鍵部位水力坡降、堆石區(qū)水位、滲漏量等成果可知，該工程的防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理可靠的，滿足工程蓄水效率、滲透穩(wěn)定及壩坡穩(wěn)定等要求；大壩運(yùn)行的監(jiān)測成果與計(jì)算成果較為吻合，說明防滲系統(tǒng)的施工質(zhì)量較好，目前面板性態(tài)良好。

(2)完好的混凝土面板幾乎是不透水的，當(dāng)面板局部發(fā)生水平或豎向裂縫時(shí)，裂縫附近的墊層區(qū)中會出現(xiàn)集中的水頭損失和較大的滲透坡降，堆石區(qū)水位抬高，壩體滲漏量增加，會嚴(yán)重影響工程的蓄水效率，甚至危及工程安全。如何采取妥善可靠的措施盡量避免面板開裂是混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)之一。

(3)若混凝土面板出現(xiàn)裂縫，壩區(qū)滲流場及滲流量受墊層滲透系數(shù)的影響較大，應(yīng)特別注意墊層的料源及填筑碾壓質(zhì)量。