新疆ZG水電站覆蓋層上泄洪沖沙閘滲流計(jì)算分析評(píng)價(jià)

吉永軍

(新疆自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

1 概 述

水閘是水利工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用的一種水工建筑物，滲流是工程設(shè)計(jì)、施工以及安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素，地基滲流控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致閘壩發(fā)生滲流事故和破壞，從而誘發(fā)重大質(zhì)量安全事故[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當(dāng)導(dǎo)致失事的水閘和大壩，約占失事工程的25%[5-7]。另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉陷太大或滑動(dòng)等因素導(dǎo)致的[8-9]。因此，河道段深厚覆蓋層上建筑物的滲流控制成為目前設(shè)計(jì)階段研究?jī)?nèi)容重要部分。滲流分析為選擇合理滲流控制措施以及評(píng)價(jià)閘壩工程的安全可靠性提供必要的依據(jù)[10-12]。滲流分析一般采用分段法、改進(jìn)阻力系數(shù)法以及有限元法進(jìn)行計(jì)算。分段法是一種計(jì)算任意地下水系統(tǒng)水流和壓力的近似解析方法。改進(jìn)阻力系數(shù)法通過簡(jiǎn)化基礎(chǔ)區(qū)域并進(jìn)行劃分，計(jì)算出各個(gè)分段的沿程阻力系數(shù)，再進(jìn)行求和得出閘室各段滲流要素[2]。有限元法的解算原理是把計(jì)算區(qū)域離散為有限個(gè)單元，求解結(jié)點(diǎn)處的插值點(diǎn)，求出各個(gè)結(jié)點(diǎn)滲流要素[13]。ABAQUS軟件被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，其滲流模塊能夠求解多孔介質(zhì)的飽和滲流、非飽和滲流及二者的混合問題[14-15]。計(jì)算過程中可以考慮流體重力的作用，并能夠求解流體總體的孔隙壓力或超孔隙壓力，滲透定律可采用達(dá)西定律或更廣泛的非線性定律。

本文采用大型商用該軟件ABAQUS，建立泄洪沖沙閘、連接板、防滲墻、護(hù)坦的三維滲流有限元計(jì)算模型，通過滲流模塊研究泄洪沖沙閘在設(shè)計(jì)階段滲流控制情況[15-18]。

2 工程概況

ZG水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級(jí)開發(fā)中的第1級(jí)電站，為引水式電站，其上游為阿爾塔什水利樞紐，下游為恰木薩水電站。ZG水電站位于新疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)境內(nèi)，攔河樞紐距廠房9 km，廠房距莎車縣約97 km。目前，工程區(qū)右岸沿現(xiàn)有道路可達(dá)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)，霍什拉甫鄉(xiāng)現(xiàn)有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區(qū)左岸利用甘加特溝道路可達(dá)阿爾塔什進(jìn)場(chǎng)道路，可至莎車縣；左右岸施工對(duì)外交通比較便利。

水庫(kù)正常蓄水位1 611 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容1 656.1×104m3；死水位1 608 m，死庫(kù)容1 045.1×104m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容611×104m3，工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。泄洪沖沙閘的主要任務(wù)是：①泄洪，保證攔河引水樞紐運(yùn)行安全；②沖沙，確保發(fā)電引水閘和生態(tài)電站進(jìn)水口門前清。進(jìn)口底板高程1 595.00 m，河床平均底高程為1 594.5 m，略高于河床底高程0.5 m，以利于汛期泄洪沖沙。

泄洪沖沙閘共設(shè)20孔胸墻式水閘，孔口尺寸4.0 m×4.0 m(寬×高)。壩0+344.88 m～壩0+456.58 m段共布置18孔，采用三孔一連的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為18.6 m，共分為6個(gè)結(jié)構(gòu)段。壩0+519.20 m～壩0+533.00 m段布置2孔。閘進(jìn)口底板高程1 595.00 m，閘頂高程1 614.30 m?？紤]閘門啟閉空間及閘墩頂部交通等因素，閘室長(zhǎng)度取21 m，為C25、F300鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚2.0 m，中墩厚1.8 m，三孔一連閘室邊墩厚1.5 m，兩孔一連閘室邊墩厚2.0 m，泄洪沖沙閘標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖見圖1。泄洪沖沙閘防滲系統(tǒng)為防滲墻+連板板+閘室，防滲墻深度覆蓋層底部入巖1 m，具體防滲結(jié)構(gòu)大樣見圖2。

圖1 泄洪沖沙閘標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

圖2 泄洪沖沙閘防滲系統(tǒng)大樣

3 基本地質(zhì)條件

ZG水電站壩址區(qū)位于西昆侖山東部中低山區(qū)，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉(zhuǎn)為較順直段，流向近北東向。壩址為寬U形河谷，左岸有Ⅰ～Ⅳ級(jí)階地分布，Ⅲ、Ⅰ級(jí)階地分布不連續(xù)，Ⅱ、Ⅳ級(jí)階地分布相對(duì)而言較連續(xù)，總體坡度在30°～35°，地形相對(duì)較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°～55°?，F(xiàn)代河床500 m左右，發(fā)育漫灘、心灘。河床覆蓋層為第四系沖積砂卵石，最大厚度55 m為深厚砂礫石覆蓋層，主要為砂卵礫石層夾有多層缺細(xì)粒充填卵礫石(強(qiáng)滲層)，為強(qiáng)透水層。

4 有限元計(jì)算模型

根據(jù)規(guī)范要求[19]，水閘地基在各種運(yùn)用情況下均應(yīng)滿足滲透穩(wěn)定的要求。由于本工程的泄洪沖沙閘位于深厚覆蓋層上，閘室屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)泄洪沖沙閘結(jié)構(gòu)和覆蓋層等條件，模型向左右岸延伸40 m，順河向上下游延伸至80 m，深厚砂礫石覆蓋層55 m，向下延伸30 m至基巖層，左右兩側(cè)及底部為不透水邊界。在確定上述模型邊界下，建立本工程三維滲流有限元網(wǎng)格模型，見圖3，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為20 688個(gè)，單元總數(shù)為14 887個(gè)。護(hù)坦結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 806個(gè)，單元總數(shù)為1 220個(gè)，防滲墻結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 184個(gè)，單元總數(shù)為1 500，以上所有單元類型均為C3D8P單元，滲流應(yīng)力耦合單元。

圖3 泄洪沖沙閘段模型的有限元離散圖

4.1 計(jì)算工況

通過三維滲流分析，確定閘室底部覆蓋層浸潤(rùn)線及其下游出逸點(diǎn)的位置及出逸比降，同時(shí)繪制覆蓋層等勢(shì)線分布圖，估算整個(gè)覆蓋層滲流量。對(duì)應(yīng)水庫(kù)各個(gè)特征水位為，正常蓄水位1 611.00 m時(shí)，下游水位為1 595.00 m；設(shè)計(jì)洪水位1 611.27 m時(shí)，下游水位為1 600.08 m；校核洪水位(P=0.1%)1 612.96 m時(shí)，下游水位為1 600.81 m。

4.2 有限元計(jì)算方法及成果分析

根據(jù)以往工程及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模型中泄洪沖沙閘、連接板層、防滲墻、覆蓋層、基巖滲流計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型材料參數(shù)表

4.3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

通過二維穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算閘室覆蓋層在有防滲墻時(shí)的正常蓄水位、設(shè)計(jì)水位以及校核水位時(shí)，出逸點(diǎn)及基礎(chǔ)滲透比降均小于砂礫石的允許滲透比降，正常運(yùn)行工況最大滲流量為3.3×10-5m3/s·m，閘室平均寬度350 m，可估最大滲流量為1.2×10-2m3/s。設(shè)計(jì)洪水位最大滲流量為1.8×10-5m3/s·m，閘室平均寬度350 m，可估最大滲流量為6×10-3m3/s。校核洪水位最大滲流量為1.9×10-5m3/s·m，閘室平均寬度350 m，可估最大滲流量為7×10-3m3/s。正常蓄水位工況、設(shè)計(jì)水位工況、校核水位工況覆蓋層滲透比降均小于允許比降，因此泄洪沖沙閘及覆蓋層在各個(gè)工況下的滲透穩(wěn)定均能滿足允許比降要求要求，計(jì)算成果見表2。上述3種工況滲漏量均很小，表明防滲系統(tǒng)的防滲效果較好。各個(gè)蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)等勢(shì)線、孔隙壓力、速度矢量場(chǎng)分布符合一般滲流規(guī)律，現(xiàn)只列出正常蓄水位泄洪沖沙閘與基礎(chǔ)的滲流要求計(jì)算成果圖，見圖4-圖6。

表2 穩(wěn)定滲流期計(jì)算結(jié)果表

圖4 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)等勢(shì)線(單位：m)

圖5 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)孔隙壓力(單位：kPa)

圖6 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)流速矢量場(chǎng)(單位：m/s)

5 結(jié) 論

本工程為Ⅲ等中型工程，對(duì)整個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)較大。鑒于深厚覆蓋上防滲墻+連接板+泄洪沖沙閘滲流問題對(duì)整個(gè)工程安全運(yùn)行至關(guān)重要，通過大型商用軟件ABAQUS滲流模塊對(duì)該段泄洪沖沙閘進(jìn)行三維有限元滲流分析，得出各個(gè)工況下閘室基礎(chǔ)覆蓋層等勢(shì)線、孔隙壓力、速度矢量場(chǎng)、出逸點(diǎn)比降等水利要素的分布情況及整個(gè)斷面的滲漏量等成果，可以清晰地對(duì)結(jié)構(gòu)、地基的滲透穩(wěn)定性及單寬和整體滲漏量進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，通過有限元法計(jì)算分析此類工程，為今后研究閘壩類工程的滲透穩(wěn)定性及滲漏量提供借鑒。