西霞院水庫電站廠房壩段三維滲流計算分析

張俊霞，李 莉，朱登峰

西霞院反調(diào)節(jié)水庫是黃河小浪底水利樞紐配套工程，該工程規(guī)模為大（2）型，屬II等工程。電站廠房壩段位于混凝土建筑物壩段的北側(cè)，由4臺發(fā)電機組及安裝間組成，電站裝機容量140 MW；該壩壩段長179 m，寬73．3 m，最大壩高49．0 m。電站尾水采用底流消能，尾水護(hù)坦段長55．0 m（壩下0＋64．3～壩下0＋119．3），護(hù)坦底板厚2．0 m（底板頂面高程99．48 m，底部高程97．48 m）；海漫段長16．7 m（壩下 0＋119．3～壩下0＋136．0），海漫底板厚0．6 m（底板頂面高程99．48 m，底部高程98．88 m）。

1 水文地質(zhì)概況

電站廠房位于右岸灘地，其北側(cè)安裝間鄰近黃河，距黃河岸邊約150 m，灘面高程一般為124．0～124．4 m。

電站廠房段地基主要屬第四系覆蓋層和下伏的上第三系地層。上第三系黏土（巖）與散（微膠結(jié)）砂層互層，并被多條斷層切割，地層的性質(zhì)十分特殊，無論層次或產(chǎn)狀等均較雜亂，砂層為透水層，而黏土巖為相對隔水層，形成了比較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。電站廠房段地基中第四系砂卵石層的平均滲透系數(shù)為20．0～30．0 m／d；上第三系地層砂類地層的平均滲透系數(shù)為1．0～2．0 m／d。

壩址區(qū)黃河水位為120．0～12l．0 m，左岸地下水位低于黃河水位，一般在112．0～l14．0 m之間，主要接受黃河水的補給；右岸地下水水位普遍高于黃河水位，在右岸河漫灘部位，地下水水位120．0～122．0 m。

2 電站廠房壩段滲流控制措施

電站廠房段地質(zhì)條件比較復(fù)雜，從電站廠房基坑揭露的情況看，上第三系地層的小構(gòu)造比較復(fù)雜。根據(jù)工程所處的地質(zhì)情況，該段工程的地基處理采用水平放置的“［”形混凝土防滲墻防滲。混凝土防滲墻進(jìn)入上第三系地層1．5～3．0 m，臨河面截滲墻長度155．1 m（包括排沙洞部分），兩側(cè)向下游方向的防滲墻至壩下0＋64．3處結(jié)束，順河向下游方向長64．3 m，防滲墻底部高程均為60．0 m。

3 滲流場計算

滲流場計算的目的是為了對電站廠房壩段的地下水運動規(guī)律、滲流控制措施的作用進(jìn)行計算分析，獲取滲流要素的定量指標(biāo)，驗證滲控設(shè)計方案的效果，為工程施工設(shè)計提供參考依據(jù)。

3．1 三維滲流有限元法計算原理及實施

3．1．1 基本原理

有限元法計算主要是求解滲流場內(nèi)水頭函數(shù)，確定滲流場內(nèi)的自由面和滲流量等滲流參數(shù)。有限元法即把微分方程和邊界條件按變分原理轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€泛函求極值的問題。首先把連續(xù)體或研究域離散劃分成有限個單元體，然后形成代數(shù)方程組，在計算機上求解。求解滲流場中水頭函數(shù)H的方程一般形式為

式中：［K］為滲透矩陣；｛H｝為未知待求的水頭列向量；｛f｝為自由項列向量。

3．1．2 滲流量的計算

滲流量的計算采用中斷面法選取單元的中斷面A為過水?dāng)嗝妫瑒t通過一個單元的滲流量為

式中n為A的外法向。

通過滲流場中某一截面的滲流量Q（該截面上由n個單元組成的中斷面）由通過這些單元滲流量的代數(shù)和組成，即

3．1．3 程序設(shè)計中有關(guān)問題的處理

（1）滲流場的剖分：滲流場的剖分采用八節(jié)點六面體等參數(shù)單元作為計算分析的基本單元，離散采用網(wǎng)格自動剖分。

（2）滲出段的確定：由于計算程序采用了自動剖分網(wǎng)格的方法，因而給滲出段的確定帶來了方便。程序中安排了3種確定滲出段的方法：①沿上、下節(jié)點連線方向壓縮或拉伸的方法；②重新剖分網(wǎng)格的方法；③上述兩種方法的結(jié)合。這3種方法可結(jié)合實際工程的不同特點選用。亦即對可能成為滲出帶上的節(jié)點，在前處理程序中，由程序自動找出相應(yīng)水平向的相鄰內(nèi)部節(jié)點；在計算過程中，用內(nèi)部節(jié)點的壓力值來判斷相應(yīng)邊界點的性質(zhì)，以實現(xiàn)出滲段節(jié)點的可逆轉(zhuǎn)換。

3．2 計算條件與計算參數(shù)

計算條件為無任何抽排情況下，兩岸土壩段壩前沒有淤積的正常運用工況，上游水位134．00 m，下游水位120．03 m。計算參數(shù)見表1所示。

表1 滲流計算參數(shù)表Table 1 Seepage calculation parameters

4 電站段滲流計算及防滲效果分析

4．1 混凝土防滲墻的防滲效果

綜觀電站廠房壩段的滲流場計算結(jié)果（圖1）可知：水庫蓄水后在正常運用工況水位134．0 m作用下（下游水位120．03 m），電站廠房段臨河面基礎(chǔ)砼防滲墻削減水頭達(dá)60%左右，墻后剩余水頭達(dá)40%左右。

圖1 電站廠房壩段地下水位等線分布圖Fig．1 Distribution of head－cut of the groundwater of the powerhouse

4．2 電站壩段尾水護(hù)坦及海漫底板揚壓力計算

電站廠房壩段尾水護(hù)坦段及海漫段底板揚壓力水頭計算值見表2所示，4臺發(fā)電機組中心線上的揚壓力分布如圖2、圖3及圖4（圖中單位均為m）。

由揚壓力水頭值計算結(jié)果及揚壓力線分布圖可以看出：尾水護(hù)坦段上游端（壩下0＋64．3）最大揚壓力水頭為2．60 m，護(hù)坦段下游端（壩下0＋119．3）最大揚壓力水頭為1．57 m；海漫段上游端（壩下0＋119．3）最大揚壓力水頭為1．57 m，海漫段下游端（壩下0＋136．0）最大揚壓力水頭為0．90 m。

4．3 電站廠房段滲透坡降計算

工程實踐結(jié)果表明，在透水性基礎(chǔ)上筑壩，采用砼防滲墻防滲是一種行之有效的滲流控制措施。它能比較徹底地截斷強透水層，控制壩基滲流量，使絕大部分勢能削減在防滲墻內(nèi)，使壩基滲透坡降控制在允許范圍內(nèi)，以保證其滲透穩(wěn)定性。電站廠房段的滲透坡降計算結(jié)果（表2）也證明了這一點。從電站廠房段的滲透坡降計算結(jié)果可以看出，接觸滲透坡降及下游出口坡降有超出允許坡降的現(xiàn)象（大于J允許＝0．1），如圖4所示。

表2 電站廠房壩段尾水護(hù)坦段及海漫段底板揚壓力水頭計算表Table 2 The uplift pressures of tail water apron and apron extension of the powerhouse

圖2 尾水護(hù)坦及海漫段底板揚壓力等值線分布圖（單位：m）Fig．2 Isopleth distribution of uplift pressure of the apron and apron extension（unit in m）

圖3 尾水護(hù)坦及海漫段底板揚壓力矢量圖Fig．3 u Vectorgraph of plift pressure of apron and apron extension

圖4 電站廠房壩段4臺機組中心線剖面尾水護(hù)坦段及海漫段底板揚壓力水頭分布圖（單位：m）Fig．4 Isopleth distribution of uplift pressure of the apron and apron extension at centerline cross－section of generating set No．4（unit in m）

5 結(jié) 語

（1）電站廠房段的滲流控制措施的選擇和布置，從整體上看比較合理，考慮了樞紐區(qū)的工程、水文地質(zhì)特點?；A(chǔ)防滲采用砼防滲墻截斷了透水層，有效地控制了壩基滲流，對于降低消力池底板的滲透壓力，起到了一定的作用。

（2）從揚壓力等值線分布圖來看，電站廠房段的尾水護(hù)坦段及海漫段均處于承壓狀態(tài)。尾水護(hù)坦段底板所承受的滲透壓力值在2．60～1．57 m之間（水的密度約為1．0 t／m3），相對于尾水護(hù)坦段砼底板的壓重（厚度2．0 m，鋼筋砼容重約2．5 t／m3），底板所承受的滲透壓力值在安全范圍內(nèi)；海漫段底板所承受的滲透壓力在1．57～0．90 m之間，相對于海漫段砼底板的壓重（厚度0．6 m），顯然是處于臨界狀態(tài)。因此建議，設(shè)計施工中要充分考慮尾水護(hù)坦段及海漫段的滲透壓力，對于海漫的砼底板厚度進(jìn)行漸變加厚處理，亦即海漫段上游端至下游端，底板厚度由1．0 m漸變至0．60 m，從而確保電站廠房壩段的安全運行。

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