出居溝水電站深覆蓋層閘基滲透穩(wěn)定評(píng)價(jià)

，

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610047)

1 工程概況

出居溝水電站位于四川省寶興縣境內(nèi)的寶興河一級(jí)支流西河上，是西河梯級(jí)規(guī)劃的龍頭水庫，為低閘引水式電站。水庫正常蓄水位1806.00m，總庫容32.3萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量85MW，為單一發(fā)電工程，無灌溉、防洪等要求。擋水建筑物為閘壩結(jié)構(gòu)，最大壩高22m。

2 閘基覆蓋層工程地質(zhì)特性

閘(壩)基河床覆蓋層最大厚度大于85.15m，可分為三大層，閘(壩)基持力層結(jié)構(gòu)不均一，顆粒大小懸殊，以粗粒～巨粒土為主，少量細(xì)料充填于粗顆粒之間的空隙中，滲透性強(qiáng)，抗?jié)B性較差，存在滲透變形問題。上部第Ⅲ層漂(塊)卵(碎)石層的滲透變形類型為管涌破壞；中部第Ⅱ?qū)臃圪|(zhì)粘土透水性微弱，抗?jié)B性好，其滲透變形破壞形式為流土破壞；下部第Ⅰ層泥碎礫石層，組成物質(zhì)仍以粗粒土為主，雖結(jié)構(gòu)較密實(shí)，具中等透水性，但滲透變形破壞形式仍以管涌破壞為主。

壩軸線工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

3 滲流計(jì)算方法及邊界條件

本文計(jì)算方法采用飽和非穩(wěn)定滲流有限元方法，非穩(wěn)定滲流問題的數(shù)學(xué)模型如下：

圖1 壩軸線工程地質(zhì)剖面

其中：xi為坐標(biāo)，i=1，2，3；kij為達(dá)西滲透系數(shù)張量；h=x3+P/r，為總水頭，x3為位置水頭，P/r為壓力水頭；Q為源或匯項(xiàng)(本次計(jì)算為降雨入滲量)；Ss為貯水系數(shù)(穩(wěn)定滲流計(jì)算時(shí)為0)。

邊界條件：

h|Γ1=h1

其中：hi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；Γ2為第二類滲流邊界條件；Γ3為滲流自由面；Γ4為滲流逸出面；qn為法向流量，流出為正。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

通過三維滲流計(jì)算，研究閘基滲流場分布以及覆蓋層滲透穩(wěn)定性。

4.1 模擬范圍及邊界條件

4.1.1 模型范圍

截取邊界：X方向，順河向自上游指向下游取約400m；Y方向，沿壩軸線自右岸指向左岸截取約400m；Z方向，以高程為坐標(biāo)，底高程截至1650.00m，頂高程截至1808.00m。

4.1.2 模型邊界

計(jì)算模型中邊界類型主要有已知水頭邊界、不透水邊界兩種：①已知水頭邊界包括壩區(qū)上下游水位淹沒線以下的定水頭邊界；②壩體按不透水介質(zhì)處理，即建基面為不透水邊界。

4.1.3 水力條件

上游水位取正常蓄水位1806.00m，根據(jù)地質(zhì)提供的地下水資料以及對(duì)下游水位的敏感性分析，考慮安全余度，下游截取邊界水位1784.00m。

有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

4.2 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)類比確定的各壩料分區(qū)和壩基的水平和豎直滲透系數(shù)。

4.3 計(jì)算結(jié)果與分析

出居溝電站閘基覆蓋層深度超過80m，對(duì)比類似工程，采用懸掛式防滲墻，防滲墻伸入第②層粉質(zhì)粘土層，閘基防滲效果主要取決于防滲墻深度。研究中，分別選取防滲墻底部高程為1741.00m和1751m進(jìn)行比選。

壩區(qū)典型剖面滲流場(防滲墻底高程為1741.00m)分布如圖3所示，由于Ⅱ?qū)酉鄬?duì)Ⅰ、Ⅲ層滲透系數(shù)較小，Ⅱ?qū)映袚?dān)了消減水頭的作用；在防滲墻底部下游側(cè)(第Ⅱ?qū)觾?nèi)部)其最大滲透坡降可達(dá)1.831，以防滲墻底部為中心向外輻射狀減小。在防滲墻周圍一定范圍內(nèi)Ⅱ?qū)油令w粒可能啟動(dòng)進(jìn)入上層土體，但還不至于有大量土體顆粒的移動(dòng)，在該層頂部滲透坡降小于允許滲透坡降，因而總體來說滲透穩(wěn)定還是比較安全的；第Ⅰ層最大滲透坡降可達(dá)0.15，位于防滲墻底部與Ⅱ?qū)咏唤缣?，其余部位坡降均小于允許坡降；Ⅲ層在閘底出口段坡降較大，最大為0.245，小于臨界坡降(0.62～0.70)，采取反慮排水措施可達(dá)到滲透穩(wěn)定的要求。壩區(qū)總滲流量為4809.0m3/d(0.056m3/s)，其中閘基滲流量占總滲流量的93.3%?；跐B流量較小，考慮將原設(shè)計(jì)防滲墻抬高10m(防滲墻底高程為1751.00m)滲流場分布如圖4所示，其兩岸滲漏量變化不大，閘基滲漏量增加到原來的4.34倍。因此防滲墻底高程設(shè)計(jì)為1741.00m。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)

表2 不同防滲墻底高程滲流量成果

圖3 典型斷面等勢線分布(防滲墻底高程1741.00m)

圖4 典型斷面等勢線分布(防滲墻底高程1751.00m)

5 結(jié)論

(1)閘基存在連續(xù)相對(duì)不透水層時(shí)，水頭消減主要集中在該層，其滲透坡降較大，滲透穩(wěn)定性需重點(diǎn)關(guān)注；

(2)上覆漂砂卵礫石層的砂層滲透特性試驗(yàn)

表明，地基深部粉質(zhì)粘土層在上覆漂砂卵礫石層的保護(hù)下的聯(lián)合抗?jié)B透變形能力明顯提高。說明在對(duì)深部覆蓋層進(jìn)行滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮其上部的壓覆保護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)

〔1〕毛昶熙，段祥寶，李祖貽，等.滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社，1999.

〔2〕劉 杰.砂礫石地基上閘壩滲流控制原理與方法[J].水電站設(shè)計(jì)，1997(4)：12-19.

〔3〕周正義，謝杰華.振沖碎石樁在處理液化地基中的應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，26(3)：19-21.

〔4〕呂 衡.太平驛水電站閘基覆蓋層滲透及滲透變形試驗(yàn)研究[J].水電站設(shè)計(jì)，1995(3)：111-115.

■