尼泊爾KGG水電站泄洪閘滲流及抗滑穩(wěn)定分析

楊云超，張惠軍

(中國長江三峽集團(tuán)上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

尼泊爾KGG水電站工程位于尼泊爾的卡利甘達(dá)基河谷中，工程的主要任務(wù)是發(fā)電。工程為三等工程，由2孔泄洪閘、3孔沖砂閘及左、右岸連接建筑物等組成，工程正常蓄水位1 841.0 m，設(shè)計(jì)及校核洪水位分別為1 828.02 m及1 831.09 m。

泄洪閘位于主河槽至左岸山坡腳，河床覆蓋層為第四系沖積層，河底高程1 816.00～1 818.00 m。下伏為④1層松散～稍密狀的粘質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土，層厚8.2～13.3 m，土體相對軟弱；④2層砂質(zhì)粉土夾粉細(xì)砂和薄層粉質(zhì)粘土，稍密～中密狀，層厚14.0～14.9 m，以弱透水性為主，局部微透水性；④2層以下為中密～密實(shí)的砂礫石、漂卵礫石或漂石層，層厚較大。

考慮泄洪閘建基面下④1層承載力較低且存在局部液化問題，設(shè)計(jì)采用卵礫石進(jìn)行換填處理。閘基布置懸掛式防滲墻，防滲墻長32 m，厚0.8 m，底部位于中密～密實(shí)的⑤1層粉細(xì)砂層上，下游護(hù)坦段底板底部按照直徑100 mm，間距1 m設(shè)置排水管，典型剖面圖如圖1所示。

1 軟件介紹及其計(jì)算原理

GeoStudio[1]是一套功能強(qiáng)大、適用于巖土工程模擬計(jì)算的軟件，在地質(zhì)工程、水利工程、巖土工程、地下水分析中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。軟件中包含了多個(gè)分析模塊，所有模塊都可以在同一環(huán)境下運(yùn)行，在一個(gè)模塊里定義的模型邊界條件和材料特性以及計(jì)算結(jié)果都可以應(yīng)用到其他模塊中。

軟件中SEEP/W模塊基于有限元方法進(jìn)行土體滲流模擬計(jì)算，對單寬剖面壩基滲流路徑、不同部位的流速、滲流量、等水頭線和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力值等問題進(jìn)行分析。

軟件中SLOPE/W模塊基于極限平衡理論對不同土體類型、復(fù)雜地層、滑移面形狀及孔隙水壓力狀況等巖土工程問題進(jìn)行建模分析，可利用Bishop法、簡化Janbu法、Morgenstern-Price法、Sarma法等多種方法進(jìn)行滑動(dòng)面搜索及安全系數(shù)計(jì)算。

圖1 泄洪閘典型剖面圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

本工程閘基滲流和抗滑穩(wěn)定性分別采用軟件中SEEP模塊和SLOPE模塊進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型范圍[1]考慮向上游取3倍壩高，向下游取2倍壩高，沿壩基深度取2倍壩高，并賦予不同的材料參數(shù)即建立實(shí)體模型，再根據(jù)實(shí)體模型劃分有限元網(wǎng)格，有限元模型如圖2所示。由于閘室尾部的混凝土防沖墻對于滲流防沖有利，對于抗滑穩(wěn)定作用不明顯，為了分析最不利情況，建模時(shí)未考慮防沖墻的影響。材料參數(shù)見表1所示，上游混凝土鋪蓋及防滲墻可近似認(rèn)為不透水材料。護(hù)坦下的排水管通過設(shè)置水頭邊界條件等于下游總水頭來進(jìn)行模擬。

因設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位均低于正常蓄水位，滲流計(jì)算考慮最不利計(jì)算工況如下：上游采用正常蓄水位1 841.00 m，對應(yīng)下游水位1 818.00 m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 滲流計(jì)算

計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示，從圖3～圖5中可以清楚直觀的了解閘基總水頭、流速矢量及滲透比降的分布規(guī)律。通過設(shè)置流體截面計(jì)算得到閘基單寬滲流量為9.68e-5 m3/s，總滲漏量1 224 m3/d，占有效庫容的0.17%?；炷练罎B墻對于延長滲徑、消減水頭的作用比較明顯，并且最大滲透比降集中分布在防滲墻處，滲流出口處滲透比降小于0.1。排水管將閘基滲水排出后有效降低了護(hù)坦底板的滲流壓力。計(jì)算結(jié)果符合達(dá)西滲流規(guī)律，并且閘基滲漏量在允許范圍內(nèi)、滲透比降均小于土層的允許比降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，說明了防滲方案的有效性。

圖2 泄洪閘滲流計(jì)算有限元模型

土層容重γ/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角?/°粘聚力C/kPa滲透系數(shù)k/(cm·s-1)允許比降④1粘質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土172561.25e-40.45～0.50④2砂質(zhì)粉土夾粉細(xì)砂16.52652.9e-40.35～0.40④3砂卵礫石21.53503.5e-30.12～0.18⑤1粉細(xì)砂16.253006.5e-40.25～0.30⑤2漂卵礫石20.53505e-30.15～0.20卵礫石換填層173505e-30.25～0.30

圖3 總水頭等勢線圖

圖4 流速矢量分布圖

3.2 穩(wěn)定計(jì)算

在GeoStudio軟件的SEEP分析模塊下新建SLOPE模塊，進(jìn)行閘室抗滑穩(wěn)定性分析。GeoStudio的優(yōu)點(diǎn)是由滲流分析計(jì)算的孔隙水壓力值可直接應(yīng)用到穩(wěn)定性分析模塊中，無需另外再設(shè)置孔隙水壓力。SLOPE模塊中穩(wěn)定分析基于極限平衡理論，計(jì)算采用畢肖普圓弧滑動(dòng)法。

因設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位均低于正常蓄水位，穩(wěn)定性計(jì)算考慮最不利工況如下。

工況一(正常工況)：上游正常蓄水位1 841.0 m，對應(yīng)下游水位1 818.0 m。

圖5 滲透比降分布圖

工況二(地震工況)：上游正常蓄水位1 841.0 m，對應(yīng)下游水位1 818.0 m，并伴隨Ⅷ度地震。

各土層計(jì)算參數(shù)見表1所示，由于④2砂質(zhì)粉土夾粉細(xì)砂層相對較弱，因此考慮將④2層以下設(shè)置為不滑動(dòng)層從而搜索沿該層的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，最終搜索到的圓弧直線組合式滑面安全系數(shù)最小，如圖6所示，計(jì)算成果見表2。計(jì)算安全系數(shù)均小于允許安全系數(shù)[2]，表明閘室抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

圖6 整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖

項(xiàng)目正常蓄水位地震抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)2.1761.379允許安全系數(shù)1.251.05

4 結(jié) 語

1)針對該沖積層地層結(jié)構(gòu)，采用懸掛式防滲墻能有效延長滲流路徑，降低閘基滲透比降，排水管將滲水排出后有效降低了底板的滲流壓力。

2)通過指定滑動(dòng)面的方式搜索到沿軟弱粉土層滑動(dòng)的安全系數(shù)最小且滿足抗滑穩(wěn)定要求。