三維滲流模擬的觀音閣水庫(kù)壩基滲漏和滲透穩(wěn)定分析

徐 桐

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

0 引 言

水庫(kù)蓄水會(huì)使大壩上、下游之間形成一定的水位差，若透水巖層存在于壩基處，在水壓力作用下庫(kù)水將向下游發(fā)生滲漏。大壩基巖土體的某些顆粒在滲透壓力超過(guò)一定界限值時(shí)，將被滲透水流以流土、管涌、潛蝕等方式?jīng)_刷帶走，從而導(dǎo)致壩基變并形危及水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行[1]。所以，對(duì)壩基滲透穩(wěn)定和滲漏量選用合適的方法進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)于保證水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)值法和斷面流量法為目前較為常用的壩基滲流量計(jì)算方法，其中斷面流量法主要是對(duì)通過(guò)壩下地基斷面的流量利用達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算的方法，而數(shù)值法是將三維和剖面二維滲流模型相結(jié)合確定壩基滲流的方法[3-6]。例如，劉曉慶、曹劍波、姬永尚等分別建立了土石壩、錫崖溝水庫(kù)壩基、新疆某水庫(kù)剖面的二維滲流模擬和有限元計(jì)算模型；任杰、王剛城、王恩志等分別以哈達(dá)山水利樞紐、江雄水庫(kù)壩基、天生橋一級(jí)水電站為例，建立了三維滲流模型；毛海濤、鄭華康等以西北地區(qū)某水庫(kù)大壩、卡拉水電站壩區(qū)為例，構(gòu)建了無(wú)限元三維滲流模型。文章對(duì)觀音閣水庫(kù)壩基滲流穩(wěn)定分析和滲流量計(jì)算引入三維地下水流數(shù)值模型，較為客觀、準(zhǔn)確的反映了垂向上不相同地層分層參數(shù)和底面與周邊邊界的不規(guī)則形狀的非均質(zhì)問(wèn)題，大大提高了滲流計(jì)算模擬精度。

觀音閣水庫(kù)位于太子河干流上，總庫(kù)容21.68億m3，水域控制面積2.795km2，永久性主要建筑物為一級(jí)，樞紐工程為一等，洪水校核為萬(wàn)a一遇，設(shè)計(jì)洪水為千a一遇，與下游70km的葠窩水庫(kù)形成太子河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)。太子河流域地處E122°26'-124°53'、N40°29'-41°39'，主要徑流丹東、撫順、鞍山、遼陽(yáng)等地，境內(nèi)支流有清河、小湯河、細(xì)河、沙河、五道河、臥龍河、小夾河等，地貌結(jié)構(gòu)特征以低山丘陵和平原為主且構(gòu)造層次呈東高西低的變化特征。

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，水庫(kù)大壩由電站壩段、底孔壩段、溢流壩段和擋水壩段組成，正常蓄水位255.2m，年均發(fā)電量為8015×104kW·h。攔河壩壩頂長(zhǎng)1040m，共分為65個(gè)壩段，屬于碾壓混凝土重力壩。除9#、7#、5#、4#壩段外，其他壩段寬均為16m。擋水壩段48個(gè)，壩頂寬10m、壩頂高程267m，最大壩底寬61.30m，最大壩高82m，溢流壩段位于15#-27#壩段，設(shè)12個(gè)凈寬為12m的溢流孔。溢流前緣凈寬144m，中墩厚4m，堰頂最大底寬74m，最大壩高71.2m，堰頂高程255.2m，閘后采用挑流效能，堰頂設(shè)弧形鋼閘門(mén)，尺寸為12m×9m。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 壩區(qū)地質(zhì)

觀音閣水庫(kù)位于泉水向斜中，向斜寬10km、向斜軸長(zhǎng)30km。奧陶系和寒武系中、上統(tǒng)廣泛出露于河谷兩岸，前震旦系中生代火成巖、變質(zhì)巖、震旦系碎屑巖和非可溶性的寒武系中、下統(tǒng)頁(yè)巖連續(xù)分布于以可溶性碳酸巖為主的地層的外圍。庫(kù)區(qū)兩岸高山連綿，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單且分水嶺高程均>400m，封閉條件良好未見(jiàn)通向庫(kù)外的深大斷裂，因此向鄰谷滲漏的問(wèn)題基本不存在。水庫(kù)正常蓄水位低于庫(kù)區(qū)外圍非可溶性巖層中的地下水位，因此蓄水后水庫(kù)不會(huì)產(chǎn)生永久性滲漏。在牛馬臺(tái)溝分水嶺地層處近壩區(qū)白云溝分布紊亂，被斷層錯(cuò)斷，因此在建成后可能會(huì)產(chǎn)生局部滲漏問(wèn)題，對(duì)此采取防滲墻處理措施。庫(kù)區(qū)地震烈度為Ⅵ度，按Ⅶ度設(shè)計(jì)水庫(kù)大壩，極端情況下推算的地震影響上限為4級(jí)最大可能的水庫(kù)地震。根據(jù)地震震源極線(xiàn)，4級(jí)地震的震中烈度在巖溶地區(qū)的可達(dá)Ⅶ度。

1.2 壩址區(qū)地質(zhì)

壩址區(qū)兩岸呈“U”型不對(duì)稱(chēng)橫向河谷，左岸地形完整而山高坡陡；右岸地形不完整且溝谷發(fā)育，高程一般不超過(guò)300m，南北展布的低矮單薄山脊，兩岸防滲帷幕與壩基銜接可構(gòu)筑封閉式帷幕。壩址區(qū)保留Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三級(jí)階地，屬于構(gòu)造構(gòu)造剝蝕低山區(qū)。壩址位于小市和泉水兩向斜連接部的倒轉(zhuǎn)地層上，壩基以鮞狀灰?guī)r和張夏結(jié)晶灰?guī)r為主，壩踵多為崮山組灰頁(yè)巖互層，巖體強(qiáng)度能夠符合混凝土壩要求。河床和左岸巖體完整、構(gòu)造簡(jiǎn)單，右岸斷層多且構(gòu)造復(fù)雜。F1與F58斷層為構(gòu)造復(fù)雜帶，斷裂密布，斷層間地層紊亂。自左向右壩基巖體風(fēng)化深度加劇，建基面未見(jiàn)較大溶洞、多維條狀巖溶。鳳山與長(zhǎng)山組之間的10m頁(yè)巖為較好的相對(duì)隔水層，透水率在3Lu以下。

1.3 水文地質(zhì)特征

根據(jù)介質(zhì)類(lèi)型及其賦存形式可將工程區(qū)地下水分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩類(lèi)，其中基巖裂隙水主要由大氣降水補(bǔ)給，呈脈絡(luò)狀分布于太子河干流兩岸的基巖山體內(nèi)。地下水位不穩(wěn)定，徑流流程短且隨季節(jié)性變化較大，多以泉水形式直接補(bǔ)給于第四系孔隙潛水或排泄于地表河流。

現(xiàn)代河谷內(nèi)主要分布著第四系孔隙潛水，第四系沖洪積砂礫卵石層為含水層，其厚度在32-80m之間。階地中和河漫灘地下水位埋深分別在5-18m、0.7-1.6m之間。在基巖裂隙水和大氣降水補(bǔ)給作用下，地下水沿河谷方向往下游徑流。根據(jù)巖心采取率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，勘探孔沿壩軸線(xiàn)設(shè)置，其中分層壓水或抽水試驗(yàn)鉆孔為4個(gè)，按自上而下的次序?qū)位拭鎰澐譃?個(gè)層次，各層次底板埋深分別為8-10m、15-21m、30-35m、60m和80m左右，相應(yīng)的滲透系數(shù)為5-10m/d、18-65m/d、12-22m/d、4-8m/d、20m/d。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，工程區(qū)水質(zhì)較好，可直接灌溉、飲用，地下水礦化度為0.54g/L。

2 壩基滲漏數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)條件概化

1)模擬計(jì)算區(qū)域。以壩軸線(xiàn)為基準(zhǔn)分別向水庫(kù)上、下游外推500m和200m，沿河流長(zhǎng)700m范圍作為模擬計(jì)算區(qū)域。各個(gè)部位的河流寬度存在一定差異，不同位置的河段實(shí)際寬度不同，模擬寬度取500m，模擬計(jì)算面積為285100m2。

2)含水層結(jié)構(gòu)概化。根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果壩基巖層最大厚度為82.5m，且以卵、礫石層為主。按自上而下的原則可將巖層分為5層，由于成因和密實(shí)度的不同各層之間的透水性存在一定差異，且在垂直方向和水平方向上同一層的滲透性也不盡相同，礫石層均為墻透水層。所以，觀音閣水庫(kù)壩基含水層屬于非均質(zhì)各向異性。當(dāng)水庫(kù)蓄水并達(dá)到255.2m的正常水位時(shí)，地下水滲流形成穩(wěn)定性且滲流無(wú)內(nèi)無(wú)源匯項(xiàng)，因此以穩(wěn)定滲流作為地下水概化結(jié)果。由于壩基防滲處理采取的防滲墻措施，地下水形成三維繞流，所以以三維穩(wěn)定滲流作為地下水最終的概化結(jié)果。

3)邊界條件概化。在庫(kù)區(qū)底部和兩側(cè)存在的松散堆積物與不發(fā)育的基巖接觸，因此隔水邊界可概化為底層與兩側(cè)的邊界；上游邊界的定水頭邊界取水庫(kù)正常設(shè)計(jì)水位，并且考慮水庫(kù)蓄水位實(shí)際情況；下游邊界定水頭邊界為水庫(kù)大壩的地面高程。庫(kù)區(qū)內(nèi)頂部定水頭邊界為水庫(kù)正常設(shè)計(jì)水位；零流量邊界為大壩下游的頂部邊界。

觀音閣水庫(kù)的正常設(shè)計(jì)水位為255.2m，因此取255.2m作為上游各層定水頭邊界地下水位和庫(kù)區(qū)內(nèi)第一模擬層定水頭。設(shè)置定水頭邊界作為下游邊界處各層地下水位，接近于地表取232.0m。

4)水文地質(zhì)概念模型。計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)概念模型經(jīng)地質(zhì)條件概化處理為：具有一、二類(lèi)邊界三維穩(wěn)定流的松散巖類(lèi)含層組成的非均質(zhì)各向異性模型。

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用下述計(jì)算式作為地下水滲流數(shù)學(xué)模型，并用于壩基滲漏的計(jì)算分析，即：

(1)

H(x,y,x)|Γ1=H1(x,y,x);(x,y,x)∈Γ1

(2)

(3)

式中：H1、H分別為滲流區(qū)域一類(lèi)邊界和含水層地下水位；Kz、Kh分別為含水層垂直、水平房名的滲透系數(shù)；G、n分別為計(jì)算區(qū)域和邊界外法線(xiàn)；Γ1、Γ2分別代表第一、第二類(lèi)邊界。

2.3 計(jì)算區(qū)剖分

對(duì)模擬區(qū)域按照長(zhǎng)方體網(wǎng)格剖分，沿河流方向、垂直方面分別剖分為長(zhǎng)40m、30m的30列網(wǎng)格，將含水層剖分為8層，各層厚10m。通過(guò)以上剖分可將計(jì)算區(qū)域劃分為7200個(gè)基本單元，有效單元數(shù)為3750個(gè)。

2.4 確定模型參數(shù)

根據(jù)水文地質(zhì)條件概化結(jié)果和水文地質(zhì)勘探相關(guān)資料，在離散的8個(gè)模型中垂向滲透性較為接近的有4、5、6層，在7、8層中的滲透性也相差不大，各層中模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各層滲透系數(shù)值 m/d

2.5 滲漏量模擬結(jié)果

對(duì)壩基滲流量按照以上參數(shù)設(shè)置和模型概化結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 滲漏量計(jì)算結(jié)果

防滲墻深/m0102030405060滲漏量/m3·s-17190565218408722305115260118529250

2.6 壩基滲透穩(wěn)定分析

根據(jù)觀音閣水庫(kù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，水力坡降最大允許值在壩基礫石處為0.13。水力坡度值在壩基不同部位存在一定差異，壩地板以下徑流段的水利坡度較壩后出溢段和壩前入滲段小。隨著距離壩基深度和距壩腳距離的增大水力坡度呈減少趨勢(shì)，因此壩腳處接近地表的底層為壩后實(shí)際水力坡度最大處。

觀音閣水庫(kù)攔河壩壩頂長(zhǎng)1040m，除9#、7#、5#、4#壩段外，其他壩段寬均為16m。擋水壩段48個(gè)，壩頂寬10m、壩頂高程267m，最大壩底寬61.30m，最大壩高82m，溢流壩段位于15#-27#壩段。為確定最上層頂板和地板水位對(duì)不同深度防滲墻進(jìn)行模擬計(jì)算，由此計(jì)算出溢段水力坡度在壩后壩腳近地表層中的數(shù)值，如表3。

表3 出溢段水力坡度

結(jié)合上述分析結(jié)果，將防滲墻深度設(shè)置在50m以上方可有效防止水庫(kù)發(fā)生滲透變形。

3 結(jié) 論

1) 對(duì)觀音閣水庫(kù)大壩的滲透穩(wěn)定分析和壩基滲流量利用三維地下水流模型進(jìn)行模擬計(jì)算，較好的解決了垂向上地層非均質(zhì)問(wèn)題和地面與周邊邊界的不規(guī)則問(wèn)題，該模型具有較高的計(jì)算精度。

2) 模擬滲流量在布設(shè)防滲墻深度為20、40、50m時(shí)分別為71905、40872、15260、11852m3/s，將防滲墻深度設(shè)置在50m以上方可有效防止水庫(kù)發(fā)生滲透變形。