某水電站鑲嵌式混凝土面板堆石壩滲流分析

楊專家，王開拓，施傅慧

(青海民族大學 土木與交通工程學院，西寧 810007)

我國很早就開始對水進行運用，古有李冰父子修建都江堰，今有三峽大壩等宏偉工程的建造。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水源工程的數(shù)量日益增多[1]。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國目前大小水庫約有80 000×104座[2]，其中大約有6.02×104座水庫屬于病險水庫，數(shù)量如此之多[3]。這些病險水庫對下游人民的生命安全形成隱藏的威脅，因此對水壩進行滲流分析和評價顯得尤其重要[4]。本文選取青海省某水電站中一個鑲嵌式混凝土面板堆石壩為例，研究壩體在穩(wěn)定滲流場和非穩(wěn)定滲流場情況下的變化規(guī)律[5-8]。

1 工程概述

該水電站于21世紀初正式建造，是一座以發(fā)電為主要目的的水利水電樞紐工程，工程規(guī)模為一等大(Ⅰ)型。該水電站壩型為鑲嵌式混凝土面板堆石壩。其壩址正常蓄水位為2 715.0 m，死水位為2 710.0 m。水庫調(diào)節(jié)庫容為2.39×108m3，正常蓄水位時對應庫容為14.724×108m3，死水位時對應庫容為14.724×108m3[9]。水電站中有3臺水輪發(fā)電機組，單機容量均為400 MW，多年平均發(fā)電量為47.406×104kW·h，其發(fā)電量可滿足周邊廣大地區(qū)的用電需求。壩體由兩部分組成，分別是混凝土面板堆石壩和嵌入底部的混凝土重力壩，壩體填筑總方量約為403.68×104m3?；炷撩姘宥咽瘔螇雾旈L度為317 m，壩頂寬度為10 m，壩頂高程2 721.0 m，最大壩高150 m，上游坡比1∶1.4，下游第一級坡比為1∶1.4，其余坡比為1∶1.3，下游壩坡共設有8層10 m寬的上壩道路，綜合坡比為1∶1.98。嵌入底部的混凝土重力壩壩高60 m，頂寬10 m，上游坡比為1∶0.2，下游坡比為1∶0.7，混凝土總方量為12.85×104m3?；炷撩姘宥咽瘔螇误w標準斷面圖見圖1。

圖1 混凝土面板堆石壩壩體標準斷面(單位：m)

2 地質(zhì)條件

水電站壩址區(qū)坐落于某峽谷段，該峽谷長約420 m，黃河以NE60°方向流入壩址區(qū)，流至峽谷出口成接近SN流向。黃河水面較寬，約為30～35 m，水深約為10～15 m，其枯水期水位為2 597.0 m。當達到正常正常蓄水位2 715.0時，谷寬為476 m。兩岸在2 690.0～2 700.0 m高程處兩岸發(fā)育基座階地，階面向上游抬高，略傾向岸外。在該高程以下，河谷呈現(xiàn)V字型，兩邊坡度較陡，平均坡度為53°～58°。在兩岸壩基的基巖中，絕大部分是中厚層變質(zhì)砂巖，只有少量區(qū)域為中薄層砂質(zhì)板巖，其中砂巖所占比例較大，約為80%以上，與砂質(zhì)板巖形成過渡相，但界限并不明顯。河床壩基覆蓋層較厚，厚度約為11 m，該覆蓋層主要是由漂(塊)石砂卵礫石構成，其結構松散，內(nèi)部粗顆粒含量較多，級配不良，為強透水層。趾板基礎中巖體完整性較好，主要以弱風化、微風化中厚層砂巖為主。

3 滲流穩(wěn)定分析

3.1 有限元法

3.1.1 滲流有限元分析基本方程

公式如下：

(1)

式中：[K]為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單位儲水量矩陣；{Q}為流量向量；t為時間。

3.1.2 非穩(wěn)定流有限元基本方程

非穩(wěn)定滲流計算的有限元方程與時間密切相關，通過對時間的控制與差分，可得如下方程：

(ωΔt[K]+[M]){H1}=Δt((1-ω){Q0}+ω{Q1})+([M]-(1-ω)Δt[K]){H0}

(2)

式中：Δt為時間增量；ω為0～1之間的一個系數(shù)；H1為時間增量結束時的水頭值；H0為時間增量開始時的水頭值；Q1為時間增量結束時的流量值；Q0為時間增量開始時的流量值。

取ω=0時，上述方程變?yōu)椋?/p>

(Δt[K]+[M]){H1}=Δt{Q1}+[M]{H0}

(3)

在已知前一個時間步水頭的前提下，按照式(2)遞推，即可求得結果[10]。

3.2 穩(wěn)定滲流分析

3.2.1 計算工況

本文采取3種不同的工況進行壩體穩(wěn)定滲流計算，具體內(nèi)容見表1。

表1 穩(wěn)定滲流計算工況表

3.2.2 計算模型

為了更好地探究壩體在不同工況下的滲流規(guī)律、浸潤線的位置及滲流量的大小，嚴格按照壩體分區(qū)設計，建立計算模型，見圖2。

圖2 穩(wěn)定滲流計算模型

若計算無混凝土面板情況，應去掉土層定義中混凝土面板這一區(qū)域，再進行滲流計算。

3.2.3 計算結果

1) 無混凝土面板情況。見圖3-圖4。

圖3 正常蓄水位(設計洪水位)下準流網(wǎng)圖(無混凝土面板)

圖4 校核洪水位下準流網(wǎng)圖(無混凝土面板)

2) 有混凝土面板情況。見圖5-圖6。

圖5 正常蓄水位(設計洪水位)下準流網(wǎng)圖(有混凝土面板)

圖6 校核洪水位下準流網(wǎng)圖(有混凝土面板)

通過圖3-圖6可以看出，圖5、圖6中浸潤線的分布較復雜，且圖3、圖4中浸潤線的位置高于圖5、圖6中浸潤線的位置，現(xiàn)象較明顯。故可得出，在正常蓄水位(設計洪水位)和校核洪水位兩種不同的情況下，有混凝土面板的壩體浸潤線位置明顯低于無混凝土面板的壩體，可見混凝土面板對降低滲透有顯著的效果。隨著壩體浸潤線的降低，壩體內(nèi)含水土層減少，對上下游壩坡的穩(wěn)定起到重要的作用。

3.2.4 穩(wěn)定滲流綜合分析

滲流計算結果見表2。

表2 滲流計算分析表 /m3·d-1

3.3 非穩(wěn)定滲流分析

3.3.1 計算工況

本文只研究無面板情況，在此基礎上，探究該水電站上游庫水位從正常蓄水位2 715.00 m下降至死水位2 710.00 m時，庫水位下降速度與壩體內(nèi)浸潤線的關系曲線。為了增強準確性，本文采取4種不同方案進行對比研究，具體方案見表3。

表3 非穩(wěn)定滲流計算方案 /m·d-1

基于水位下降量相同的原則下，4種方案采用不同的時間間隔。方案一中以0.25 d為一個間隔，方案二中以0.5 d為一個間隔，方案三中以1 d為一個間隔，方案四中以10 d為一個間隔，選取不同的數(shù)據(jù)進行分析，不同方案下水電站下降水位與時間的變化關系圖見圖7、圖8。

圖7 前3種方案下降水位與時間變化曲線圖

圖8 第四種方案下降水位與時間變化曲線圖

3.3.2 計算模型

非穩(wěn)定滲流的條件下，其計算模型見圖9。

圖9 非穩(wěn)定滲流計算模型

3.3.3 準流網(wǎng)圖

3.3.3.1 穩(wěn)態(tài)期

歸化與異化，是根據(jù)譯者不同的文化立場而呈現(xiàn)出的兩種翻譯策略。歸化采取目的語所習慣的表達方式來傳達原文的內(nèi)容，當源語中出現(xiàn)目的語中的文化盲點或是有文化差異時，要用跨文化的詞語來轉換成讀者熟悉的文化形象，便于目的語讀者理解，避免引起誤解。而異化，則盡可能地在翻譯時遷就外來文化的語言特點，保留譯出語的語言和文化差異，其目的是開拓譯出語的文化形象色彩，在風格和其他方面突出原文本之“異”[3]，多采用源語的表達方式。

在穩(wěn)態(tài)期間，4種方案下的準流網(wǎng)圖均相同，具體圖形見圖10。

圖10 穩(wěn)態(tài)準流網(wǎng)圖

3.3.3.2 水位下降期

1) 第一方案：見圖11-圖12。

圖11 水位下降0.5 d的準流網(wǎng)圖

圖12 水位下降1.0 d后準流網(wǎng)圖

2) 第二方案：見圖13-圖14。

圖13 水位下降1.0 d后準流網(wǎng)圖

圖14 水位下降2 d后準流網(wǎng)圖

3) 第三方案：見圖15-圖16。

圖15 水位下降2 d后準流網(wǎng)圖

圖16 水位下降4 d后準流網(wǎng)圖

4)第四方案：見圖17-圖18。

圖17 水位下降20d后準流網(wǎng)圖

圖18 水位下降40d后準流網(wǎng)

圖11-圖12、圖13-圖14、圖15-圖16、圖17-圖18分別反映4種方案下流網(wǎng)圖的變化。圖中僅畫出一條流線即浸潤線，用等勢線的變化反映流線的變化。故可得，浸潤線隨時間逐漸下降，且土壤飽和度從上游至下游分別為90%、80%、70%、…、30%、20%和10%，呈現(xiàn)減小趨勢。

3.3.3.3. 水位下降穩(wěn)定期

見圖19-圖22。

圖19-圖22反映了不同方案下，水位降至死水位且穩(wěn)定部分天數(shù)后準流網(wǎng)圖的變化情況。從圖19-圖22中可以看出在方案一、方案二、方案三條件下，水位穩(wěn)定部分天數(shù)后的準流網(wǎng)圖差異不大。在方案四的條件下，從圖22中可以得知，90%的占取比例增大。故可得出，當水位下降速度相差較大時，對準流網(wǎng)圖也會產(chǎn)生一定的影響。

圖19 水位穩(wěn)定0.625 d后準流網(wǎng)圖(方案一)

圖20 水位穩(wěn)定1.25 d后準流網(wǎng)圖(方案二)

圖21 水位穩(wěn)定2.5 d后準流網(wǎng)圖(方案三)

圖22 水位穩(wěn)定25 d后準流網(wǎng)圖(方案四)

3.3.4 各時間步的浸潤線變化情況

見圖23-圖26。

圖23 各時間步浸潤線變化圖(方案一)

圖24 各時間步浸潤線變化圖(方案二)

圖25 各時間步浸潤線變化圖(方案三)

圖26 各時間步浸潤線變化圖(方案四)

圖23-圖26集中反映了4種方案下，水位降落過程中浸潤線的變化趨勢。圖23-圖26中均反映出浸潤線的位置一直在下降直至趨于穩(wěn)定，即浸潤線起點從正常蓄水位(2 715.00 m)下降至死水位(2 710.00 m)。

3.3.5 非穩(wěn)定滲流綜合分析

不同方案下浸潤線最高點坐標變化值見表4，各時間步滲流量見表5。

表4 不同方案浸潤線最高點坐標變化值

表5 不同方案各時間步滲流量表

從圖11-圖18即4種方案下的準流網(wǎng)圖可以看出，隨著水位的不斷降低，壩體內(nèi)降浸潤線的起點也隨之有所變化。結合不同方案下各時間步的浸潤線變化情況，從圖23-圖26中可以反映出，當該壩體庫水位從正常蓄水位不斷下降直至到達死水位時，其浸潤線起點的變化趨勢均為一直下降直至趨于穩(wěn)定。同時還可以觀察出，圖23中浸潤線的下降速度明顯高于圖24、圖25、圖26中浸潤線的下降速度，圖24中浸潤線的下降速度又高于圖25、圖26中浸潤線的下降速度。故可得出，壩體浸潤線的位置受庫水位的影響，隨著庫水位的降低而下降，且降落位置的快慢又與庫水位驟降速度密切相關。當庫水位驟降速度較快時，壩體浸潤線位置降落的速度也增加；當庫水位驟降速度較慢時，壩體浸潤線位置降落的速度也隨之減小，但最終都將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。表5反映了兩種方案下各時間步滲流量的變化，由表5并結合表4可得，在總水頭從正常蓄水位水頭127 m開始降落至死水位122 m的過程中，該壩體總滲流量一直減小直至趨于穩(wěn)定。

4 結 論

本文從滲流分析原理出發(fā)，以青海省某水電站鑲嵌式混凝土面板堆石壩為研究對象，運用有限元方法進行穩(wěn)定滲流分析，得出混凝土面板對壩體防滲的重要性，以及水位越高、浸潤線位置越高、滲流量越大的結論。在穩(wěn)定滲流計算基礎上，進一步研究非穩(wěn)定滲流，通過4種方案下的準流網(wǎng)圖和各時間步浸潤線變化圖，得出壩體浸潤線的位置與庫水位有關。隨著庫水位的下降而降低，且降落快慢與庫水位驟降速度成正比，但最終浸潤線變化會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。