燕云水電站重力壩壩基滲透穩(wěn)定影響分析

徐 彬，盧發(fā)周，李巖松

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210022；2.淮安市水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 213001）

燕云水電站重力壩壩基滲透穩(wěn)定影響分析

徐 彬1，盧發(fā)周1，李巖松2

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210022；2.淮安市水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 213001）

以擬建燕云水電站重力壩為例，采用有限元法計(jì)算了壩基在水位下降過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變特性，研究了在水位下降過(guò)程中壩基破壞模式、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、滲流場(chǎng)和壩基垂直有效應(yīng)力分布等4個(gè)方面的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：上游水位下降對(duì)該重力壩壩基破壞模式影響顯著，上游水位較高時(shí)為表層滑動(dòng)，死水位時(shí)為淺層滑動(dòng)；水位下降還將導(dǎo)致重力壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)增大，壩基最大滲流速度和滲漏量也逐漸降低，壩基防滲墻底部最大垂直有效應(yīng)力逐漸增大，壩趾垂直有效應(yīng)力則逐漸減小，壩踵應(yīng)力水平均較低，不存在受拉現(xiàn)象，滿(mǎn)足規(guī)范要求。研究成果對(duì)工程建設(shè)的順利開(kāi)展有一定指導(dǎo)意義。

水電站；重力壩；有限元法；壩基滲流；穩(wěn)定系數(shù)

1 工程概況

規(guī)劃擬建燕云水電站位于四川省阿壩州松潘縣燕云鄉(xiāng)境內(nèi)，屬岷江河右岸一級(jí)支流開(kāi)發(fā)的第一級(jí)，電站主要任務(wù)是防洪和發(fā)電。電站由首部樞紐、輸水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三大部分組成。水庫(kù)總庫(kù)容82萬(wàn)m3，屬小（2）型水庫(kù)，為碾壓混凝土重力壩。大壩壩軸線長(zhǎng)125m，最大壩高25m，壩頂寬4.5m，背坡1∶0.7，迎水面垂直。為了防止壩基滲流，設(shè)計(jì)了混凝土防滲墻，深入透水性較弱的新鮮基巖2m。

在大壩設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于考慮了重力壩壩體上游不同水位工況下壩基底部巖體內(nèi)的滲流作用，特別是進(jìn)行地基承載力計(jì)算時(shí)需同時(shí)考慮孔隙水壓力的影響，這給大壩設(shè)計(jì)過(guò)程中的穩(wěn)定性驗(yàn)算帶來(lái)困難。為此，本文提出采用有限元法為計(jì)算方法，從該重力壩壩體的破壞模式、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、滲流場(chǎng)分布和壩基垂直有效應(yīng)力分布等4個(gè)方面分析上游不同特征水位時(shí)重力壩的應(yīng)力應(yīng)變特性，為該重力壩工程的設(shè)計(jì)和后期施工提供借鑒和參考。

2 滲流理論、模型構(gòu)建及計(jì)算工況

2.1 滲流理論

根據(jù)達(dá)西（H.Darcy）［1-3］在垂直圓管中裝砂進(jìn)行的滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透量Q除了與斷面面積A直接成正比外，其正比水頭損失hw，反比于滲徑長(zhǎng)度L，滲透坡降J為hw與L的比值，引入決定土粒結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)的一個(gè)滲透系數(shù)k，則達(dá)西滲透定律為：

2.2 模型構(gòu)建

計(jì)算選取該工程水電站重力壩最大設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行建模分析，斷面最大壩高25m，壩頂寬4.5m，背坡1∶0.7，迎水面垂直。為克服重力壩模型邊界效應(yīng)的影響，設(shè)置重力壩模型壩基長(zhǎng)55m，高16m，模型包含3種巖體材料，表層為碎石土，中部為微透水泥巖層，底部為新鮮砂巖層。本文初始應(yīng)力考慮自重應(yīng)力，由于缺乏初始地應(yīng)力資料，故暫不考慮巖層中的初始地應(yīng)力。

先在CAD中建立好模型，再導(dǎo)入有限元軟件PLAXIS.V.B中進(jìn)行計(jì)算，巖體材料模型為修正摩爾—庫(kù)倫模型，考慮了巖體間非線性特性，修正的摩爾—庫(kù)倫彈塑性模型可以模擬應(yīng)力增量隨應(yīng)變逐漸減小的硬化現(xiàn)象，更符合實(shí)際情況。

為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，將壩體與壩基及防滲墻附近巖體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，模型含778個(gè)單元，7426個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1。

圖1 重力壩模型

依據(jù)工程地質(zhì)勘查巖芯取樣及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，得到重力壩模型各部分有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)。一般情況下巖石滲透系數(shù)很小，常規(guī)計(jì)算可以忽略不計(jì)。但由于本文主要研究對(duì)象是重力壩壩基的滲透穩(wěn)定，因此需考慮壩基巖石的滲透作用。根據(jù)燕云電站現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的壓水試驗(yàn)結(jié)果，可以獲得重力壩壩基各巖層的呂榮值（q），呂榮值可定義為1MPa壓力作用下1m試段內(nèi)每分鐘注入1L水量（L/min）。根據(jù)壓水試驗(yàn)的呂榮值，換算得到壩基各巖層的滲透系數(shù)。由于本文研究對(duì)象為壩基，因此暫不考慮大壩壩體的滲透性。重力壩和壩基有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 重力壩和壩基有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)

重力壩壩基模型中設(shè)有防滲墻，位于壩踵下游1m，深度5m，單獨(dú)采用PLAXIS軟件中的板單元進(jìn)行模擬，為彈塑性材料，且具有不透水性質(zhì)，重力壩壩基中的防滲墻厚度1m。軟件中板單元兩側(cè)設(shè)置界面單元，用于模擬防滲墻與巖體間的相互接觸作用［4-7］。

2.3 計(jì)算工況

重力壩壩基穩(wěn)定計(jì)算工況主要包括上游蓄水位從校核洪水位開(kāi)始，下至設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位和死水位等4種水位工況。4種不同工況上、下游水位設(shè)置如表2。

表2 各計(jì)算工況水位設(shè)置 單位：m

3 結(jié)果分析

3.1 破壞模式及穩(wěn)定

隨著重力壩上游水位的逐漸下降，靜水壓力和壩基揚(yáng)壓力隨之減小，重力壩壩基抗滑穩(wěn)定性也將隨之改變。文中采用PLAXIS軟件中自帶的有限元強(qiáng)度折減法［11-13］（極限破壞板塊）計(jì)算，得到了重力壩上游水位從校核洪水位降低至設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位和死水位時(shí)壩基的破壞模式，結(jié)果如圖2。

分析發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位3種水位時(shí)，重力壩壩基的破壞模式基本相同，滑裂面為折線形，滑裂面起于上游壩踵以上5m處，終止于從下游壩基，剪切出口距離壩趾10m，且均屬于表層滑動(dòng)；②當(dāng)水位降低至死水位時(shí)，滑裂面為圓弧形，圓弧起于上游壩踵以上2m處，中間與泥巖層和砂巖層分界線相切，從壩趾下游10m處剪出，此時(shí)的重力壩壩基破壞模式屬于淺層滑動(dòng)。

圖2 壩基極限破壞模式

由于本工程地質(zhì)上不存在軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，故在計(jì)算過(guò)程中未發(fā)生深層滑動(dòng)問(wèn)題，與實(shí)際情況一致。

綜上表明：上游水位下降對(duì)于重力壩壩基破壞模式存在顯著影響，上游蓄水位較高時(shí)為表層滑動(dòng)，上游蓄水位較低時(shí)為淺層滑動(dòng)。為定量表述不同工況下重力壩壩基的穩(wěn)定性大小，根據(jù)重力壩壩基極限破壞時(shí)有限元法穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，得到了4種特征水位下重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，如圖3。

圖3 抗滑穩(wěn)定系數(shù)

分析可知，隨著上游水位降低，重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有增大的趨勢(shì)，在校核洪水位時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為2.89，大于DL5018—1999《碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（下文簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范）允許值［2.8］，水位降低至設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位時(shí)安全系數(shù)分別為3.05和3.18，大于規(guī)范允許值 ［3.0］，而在死水位時(shí)安全系數(shù)為5.06。

造成以上結(jié)果，是隨著重力壩上游蓄水水位的下降，壩體受水平向右的推力也同時(shí)減小，相應(yīng)的揚(yáng)壓力和滲流力也相應(yīng)減小，故重力壩壩基抗滑穩(wěn)定性大大提高，抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。

3.2 滲流

圖4給出了水位下降過(guò)程中壩基滲流流速分布情況。從圖4和圖5可以看出，大壩壩趾位置的滲流流速最大，且水位的下降將導(dǎo)致最大滲流流速的減小，校核洪水位時(shí)最大滲流速度9.72×10-6m/d，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)最大滲流速度9.55×10-6m/d，正常蓄水位時(shí)最大滲流速度9.39×10-6m/d，死水位時(shí)降至4.22×10-6m/d。說(shuō)明隨著重力壩上游蓄水位的降低，壩基最大滲流速度也逐漸降低。

進(jìn)一步分析圖5中的滲流路徑，可以發(fā)現(xiàn)滲流軌跡線繞過(guò)防滲墻，滲徑得到延長(zhǎng)，有效的降低了壩趾附近的單寬滲流量，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的防滲墻是合理的。

圖4 不同特征水位壩基滲流流速

圖5 正常蓄水位時(shí)壩基滲流矢量

3.3 應(yīng)力

重力壩壩基應(yīng)力計(jì)算主要計(jì)算各巖層的垂直應(yīng)力，并與地基允許承載力進(jìn)行比較。由于各工況均考慮了水壓力作用的影響，地基巖土內(nèi)存在孔隙水壓力，故應(yīng)力計(jì)算按照有效應(yīng)力進(jìn)行設(shè)置。本文規(guī)定有效應(yīng)力中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖6給出了4種特征水位下重力壩壩基的垂直有效應(yīng)力分布情況，可知各工況時(shí)最大的垂直有效應(yīng)力均分布在防滲墻底部一定范圍內(nèi)巖體上，說(shuō)明設(shè)置的防滲墻可有效傳遞壩體的應(yīng)力至新鮮砂巖層，從而降低了中部泥巖受力。

圖6 不同特征水位壩基垂直有效應(yīng)力

（1）在校核洪水位時(shí)，最大垂直有效應(yīng)力612.09kPa，壩底部最大垂直有效應(yīng)力位于壩趾，為450kPa，越往上游壓應(yīng)力越小。

（2）在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，最大垂直有效應(yīng)力653.17kPa，壩底部最大垂直有效應(yīng)力位于壩趾，為400kPa，越往上游壓應(yīng)力越小。

（3）在正常蓄水位時(shí)，壩基防滲墻底部最大垂直有效應(yīng)力增大到720.85kPa，壩底部最大垂直有效應(yīng)力區(qū)位于壩趾以上4m長(zhǎng)的區(qū)域，為350kPa。

（4）當(dāng)上游水位降低至死水位時(shí)，壩基防滲墻底部最大垂直有效應(yīng)力增大到1.13MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上3種工況，但小于砂巖的允許承載力2.1MPa，故設(shè)計(jì)滿(mǎn)足地基承載力要求。

分析結(jié)果表明：隨著上游蓄水位的逐漸降低，壩基防滲墻底部最大垂直有效應(yīng)力逐漸增大，壩趾垂直有效應(yīng)力則逐漸減小，壩踵應(yīng)力水平均較低，但不存在受拉現(xiàn)象，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文選取擬建燕云水電站重力壩為計(jì)算案例，研究了重力壩在上游蓄水位下降過(guò)程中壩基破壞模式、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、滲流場(chǎng)分布和壩基垂直有效應(yīng)力分布等4個(gè)方面的變化趨勢(shì)，得到以下結(jié)論：

（1）上游水位下降對(duì)于該重力壩壩基破壞模式影響顯著，上游水位較高時(shí)為表層滑動(dòng)，降低至死水位時(shí)為淺層滑動(dòng)，水位下降將導(dǎo)致重力壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)增大。

（2）隨著重力壩上游蓄水位的降低，壩基最大滲流速度和滲漏量也逐漸降低。滲流軌跡線繞過(guò)防滲帷幕，滲徑得到延長(zhǎng)，有效地降低了壩趾附近的單寬滲流量。

（3）隨著上游蓄水位的逐漸降低，壩基防滲墻底部最大垂直有效應(yīng)力逐漸增大，壩趾垂直有效應(yīng)力則逐漸減小，壩踵應(yīng)力水平均較低，但不存在受拉現(xiàn)象，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）驗(yàn)證了燕云水電站重力壩在不同水位下的滲透穩(wěn)定性均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

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Influence research on foundation stability of a concrete gravity dam of water level drop of Yanyun Hydropower Station

XU Bin1，LU Fa-zhou1，LI Yan-song2
（1.Nanjing Water Conservancy Planning Design Institute Co，Ltd，Nanjing 210022，China；2.Huaian Water Survey and Design Institute co.，LTD，Huaian 213001，China）

In order to study the foundation stability influence of gravity dam when upstream water level dropped，taking the Yanyun hydropower station dam as an example，the stress and strain characteristics of dam foundation in the process of water level decline is calculated by finite element method，we research four aspects of change trends during the water level decline：dam failure mode，the anti sliding stability，seepage field and the stress distribution of dam foundation vertical effective stress.The results show that the upstream water level decreased has significant influence on the dam foundation failure mode，the surface is sliding when the upstream water level higher，the shallow is sliding when at the dead water level；water level decline will lead to increase the anti sliding stability coefficient of gravity dam，dam foundation seepage and leakage rate is gradually reduced，the maximum vertical effective stress gradually increase at the bottom of the dam foundation impervious wall，the dam toe vertical effective stress decreases，the dam heel stress level was low，but there is no tension phenomenon，can meet the requirements of specification.The research results have certain guiding significance for the smooth development of engineering construction.

hydropower station；gravity dam；finite element method；seepage；stability factor

TV642.3

B

1672-9900（2017）05-0088-05

2017-07-27

徐 彬（1981-），男（漢族），江蘇靖江人，工程師，主要從事水利工程項(xiàng)目管理工作，（Tel）18662707149。

（責(zé)任編輯：王艷肖）