王 碩, 沈振中,2, 姬 陽, 孫一清,2, 張文兵,2
(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098)
水能資源作為一種高效清潔能源,長久以來在我國的能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中發(fā)揮著重要作用。隨著我國水電工程建設(shè)的不斷發(fā)展,在復(fù)雜地質(zhì)條件上修建水庫大壩已經(jīng)成為水電能源高效利用化進程中不可避免的一項挑戰(zhàn)[1]。庫址區(qū)常見的復(fù)雜工程地質(zhì)條件包括深厚覆蓋層[2-3]、地質(zhì)斷層[4]及巖溶地質(zhì)[5-6]等,其中深厚覆蓋層屬多元結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)松散、各土層顆粒級配及滲透性差異較大等特點,若工程滲流控制措施布置不當(dāng),將會對其上所建大壩的滲流及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[7]。因此,有必要對深厚覆蓋層上的庫區(qū)防滲系統(tǒng)布置進行深入的研究。修建防滲帷幕是對深厚覆蓋層上的大壩進行防滲的一種有效技術(shù)手段[8],帷幕的設(shè)計尺寸等參數(shù)通常參考類似工程經(jīng)驗選取,但在實際工程中往往需要因地制宜,庫區(qū)不同區(qū)域的帷幕尺寸會因覆蓋層深度等地質(zhì)復(fù)雜性的影響產(chǎn)生差異,進而影響整體防滲效果,同時帷幕尺寸也會影響施工進度及工程造價,因此在庫區(qū)滲流控制效果達標(biāo)的基礎(chǔ)上探究防滲系統(tǒng)優(yōu)化的可能性這一課題具有重要的工程應(yīng)用價值。目前,許多學(xué)者對防滲系統(tǒng)優(yōu)化問題進行了不同程度的研究。沈振中等[9]建立了察汗烏蘇水電站工程的三維有限元模型,從帷幕灌漿效果及巖體滲透性角度對壩區(qū)防滲系統(tǒng)優(yōu)化問題進行了研究。劉杰等[10]構(gòu)建了某深厚覆蓋層上砂礫石大壩樞紐工程的三維有限元模型,探究了左岸防滲墻及右岸防滲帷幕在不同布置方案下的庫區(qū)滲流場分布特性并對防滲系統(tǒng)進行了一定的優(yōu)化。Zhang等[11]借助MODFlow軟件從防滲體的滲透性及布置深度等方面開展研究,并提出了某水庫的滲流控制措施優(yōu)化方案。
本文采用課題組自主研發(fā)的三維滲流分析有限元程序CNPM[4-5,9-10,12-13],依托某深厚覆蓋層上引水式電站工程的實際情況,基于等效連續(xù)介質(zhì)模型并采用Galerkin逼近有限元法建立該庫區(qū)的三維有限元模型網(wǎng)格,同時根據(jù)飽和-非飽和滲流基本理論并采用截止負壓方法對設(shè)計防滲方案下的庫區(qū)滲流場分布性態(tài)進行迭代求解以論證設(shè)計防滲方案的可行性[14-15],最后在此基礎(chǔ)上探討了不同防滲系統(tǒng)方案下的庫區(qū)主要建筑物及整體滲漏量的變化趨勢并據(jù)此提出了該庫區(qū)的防滲系統(tǒng)優(yōu)化方案,以期在庫址區(qū)整體滲漏量得到有效控制的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低防滲經(jīng)濟成本。
非飽和滲流在物理上屬多因素耦合過程,影響因素涉及土骨架體變、溫度、可溶含量等,非飽和土的滲透系數(shù)在不考慮密度變化時與飽和度有關(guān)。假設(shè)達西定律對非飽和滲流同樣適用,則非飽和滲流基本微分方程可參考飽和滲流類比推出[16]。非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流基本微分方程如下:
(1)
2.2定解條件
方程式(1)的定解條件如下[17-20]:
(1)初始條件
hc(xi,0)=hc(xi,t0) (i=1,2,3)
(2)
(2)邊界條件
hc(xi,t)|Γ1=hc1(xi,t)
(3)
(4)
(5)
(6)
式中:ni為邊界面外法線方向余弦;t0為初始時刻,s;hc1為已知水頭,m;qn為已知流量,m3/s;qr(t)為降雨入滲流量,m3/s;hc(t0)為初始時刻t0的滲流場水頭;Γ1為已知水頭邊界;Γ2為已知流量邊界;Γ3為飽和出逸邊界;Γ4為降雨入滲邊界。
2.3滲流量計算方法
通過某斷面S的滲流量q可按下式計算[19]:
(7)
式中:h為滲流場水頭,m;n為斷面正法線單位向量;S為過流斷面;kn為n方向上的滲透系數(shù)。
圖1為滲漏量計算單元示意圖。在空間上取任意八結(jié)點六面體單元,選擇中斷面abcda作為過流斷面S,將過流斷面S在XOY、YOZ和XOZ3個平面上的投影分別記為Sz、Sx、Sy,則通過該單元中斷面的滲漏量為:
圖1 滲漏量計算單元示意圖
(8)
因此三維滲流分析有限元模型中的任一斷面的滲流量求解過程可作如下表述:首先截取該斷面上的一排單元,之后組合各單元中斷面并令其作為該模型斷面的滲流量計算斷面,則通過該計算斷面的滲流量等于通過這些單元中斷面的滲流量之和。
某引水式水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi),水庫正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位分別為2 070.00、2 070.00和2 071.00 m,正常蓄水位以下庫容約為415.9×104m3。首部樞紐攔河建筑物軸線(壩軸線)全長261.66 m,自左岸至右岸的建筑物布置分別為生態(tài)小機、1孔沖沙閘、3孔泄洪閘、土工膜防滲砂礫石大壩。壩頂高程為2 074.00 m,最大壩高為28.40 m,全長155.66 m。右岸大壩的典型剖面見圖2。
圖2 實例工程土工膜防滲砂礫石大壩典型剖面圖(單位:m)
該工程地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)前期鉆孔及抽水試驗結(jié)果可知,壩址區(qū)壩基河床覆蓋層深厚(厚度一般在30~46 m,最大可達50 m),并且顆粒粒徑組成差異較大,屬強透水層;兩岸基巖淺表部存在易傾倒、變形巖體,屬弱~強透水層,局部張裂縫易形成集中滲漏通道。該工程的整體防滲體系由攔河建筑物、基礎(chǔ)防滲墻、墻下防滲帷幕及兩岸壩肩帷幕灌漿組成:河床砂礫石基礎(chǔ)采用“墻幕結(jié)合”式防滲措施,設(shè)計防滲墻為嵌固式,厚度為1 m,入巖深度為1 m;左、右岸灌漿洞長分別為40和50 m;設(shè)計防滲方案下庫區(qū)各部位的防滲帷幕深度均為伸入微透水層(q≤3 Lu)以下5 m。
根據(jù)滲流計算分析的基本原則并結(jié)合該工程實際情況,在笛卡爾坐標(biāo)系建立有限元數(shù)值分析模型。選取大地坐標(biāo)X=7 045.986 9 m,Y=3 123.424 3 m作為計算坐標(biāo)系原點o;上游邊界取至上游壩腳向上約100 m,下游邊界截至距壩軸線約220 m;左、右岸邊界分別截取至左、右岸帷幕灌漿洞末端向外約100 m;基礎(chǔ)邊界截至微透水層(q≤3 Lu)以下50 m,邊界高程為1 936 m。該模型考慮了大壩的各種材料分區(qū)、水閘段和生態(tài)小機的底板主要構(gòu)造及其下基礎(chǔ)部分,其余部分按實際地形模擬。該有限元模型依據(jù)伽遼金有限元理論,采用“控制斷面超單元有限元自動剖分”技術(shù)將全部計算區(qū)域離散成互不重疊或交叉的空間八結(jié)點六面體等參單元,最終模型共包含27 033個結(jié)點和25 633個單元。圖3為該三維穩(wěn)定滲流分析有限元模型的邊界截取范圍和主要考慮建筑物以及用來劃分超單元的13個主要結(jié)構(gòu)控制斷面,圖4為最終生成的三維有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖。
圖3 有限元模型平面范圍及控制斷面選取
圖4 三維有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖
本文所采用的三維穩(wěn)定滲流分析有限元模型邊界可分為3種,分別為已知水頭邊界、不透水邊界以及出逸邊界,其中左、右側(cè)及上游側(cè)截取邊界均近似為不透水邊界;水庫蓄水位以下的壩體、泄洪閘及生態(tài)小機等建筑物表面按已知水頭邊界考慮;壩基覆蓋層區(qū)域以下游水位作為邊界劃分界限,下游水位以下部分應(yīng)按下游已知水頭邊界處理,以上部分應(yīng)認定為出逸邊界,除上述指定邊界類型外的所有邊界均為不透水邊界。
根據(jù)壩體各分區(qū)的材料特性、混凝土滲透試驗結(jié)果以及壩基各分層巖體的鉆孔注水試驗結(jié)果,將壩體材料及庫區(qū)巖體劃分為滲透性不同的15個材料參數(shù)分區(qū),見表1。
表1 壩體及庫區(qū)巖體各材料分區(qū)滲透系數(shù)
圖5為庫區(qū)防滲系統(tǒng)采用設(shè)計方案且運行期庫水位為正常蓄水位工況時的庫區(qū)地下水位等值線分布圖。
圖5 庫區(qū)地下水位等值線分布圖(單位:m)
由圖5可以看出,該工況下的庫址區(qū)滲流場位勢分布規(guī)律明確,地下水位分布與庫區(qū)地形和地貌結(jié)構(gòu)走向較吻合,并且由于樞紐左、右兩岸的覆蓋層深度等地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在一定差異,導(dǎo)致該庫區(qū)滲流場呈不對稱分布;左、右岸壩肩處的地下水位均低于正常蓄水位2 070.00 m,因此上游庫水可通過右岸大壩的壩體和壩基以及左岸的水閘段和生態(tài)小機地基向壩址下游區(qū)滲漏,兩岸的繞滲現(xiàn)象較為明顯;由于上游庫水在蓄水過程中不斷向下游滲漏,因此蓄水后的壩址下游區(qū)水位較蓄水前的天然地下水位有所抬升,局部抬升較為明顯;左岸斷層F1的滲透系數(shù)較大,屬于強透水,蓄水后斷層處的地下水位稍低于附近區(qū)域,因此斷層附近的地下水位等值線向斷層上游傾斜方向存在一定凸起。
庫區(qū)防滲系統(tǒng)采用設(shè)計方案且運行期庫水位為正常蓄水位工況時,壩基y=70 m剖面地下水等勢線分布見圖6;泄洪閘y=170 m剖面和生態(tài)小機y=220 m剖面的流網(wǎng)分布分別見圖7和8。
圖6 壩基y=70 m剖面地下水等勢線分布(單位:m)
圖7 泄洪閘y=170 m剖面流網(wǎng)分布(單位:m)
(1) 壩基滲流場分析。由圖6可以看出,由于壩體上游復(fù)合土工膜的防滲作用,浸潤線在進入壩體后沿近似壩坡方向稍有降低,隨后受到防滲墻及墻下帷幕共同阻滲作用的影響而呈迅速降低趨勢,因此砂礫石壩體區(qū)域的浸潤線較低,使得絕大部分區(qū)域的壩體均處于非飽和狀態(tài), 表明庫區(qū)的設(shè)計防滲系統(tǒng)對壩體具有較為顯著的防滲效果。
圖8 生態(tài)小機y=220 m剖面流網(wǎng)分布(單位:m)
(2) 泄洪閘及生態(tài)小機滲流場分析。由圖7、8可以看出,由于泄洪閘和生態(tài)小機所處的底板構(gòu)造、地質(zhì)覆蓋層深度以及顆粒組成情況相近,因此該工況下這兩處的流網(wǎng)分布規(guī)律相似,符合一般滲流場分布規(guī)律;滲透壓力自上游至下游均呈下降趨勢且在防滲墻及帷幕附近下降速度較快,表明泄洪閘和生態(tài)小機處的河床砂礫石基礎(chǔ)所采用的“墻幕結(jié)合”式防滲措施起到了良好的防滲效果。
表2給出了正常蓄水位、設(shè)計和校核洪水位工況下通過樞紐區(qū)各建筑物的滲漏量以及庫區(qū)總滲漏量;表3給出了土工膜砂礫石壩段、水閘段(3孔泄洪閘+1孔沖沙閘)和生態(tài)小機處的防滲墻頂部、防滲帷幕頂部以及重要巖體分區(qū)部位的最大平均滲透坡降。
表2 不同工況下計算區(qū)域內(nèi)各部分滲漏量 (m3·d-1)
表3 各建筑物防滲體和重要巖體分區(qū)部位最大平均滲透坡降
由表2可以看出,當(dāng)由正常蓄水位工況變?yōu)樾:撕樗还r時,上、下游水頭差減小,因此通過各建筑物的滲漏量及庫區(qū)總滲漏量相對減小,符合滲流一般規(guī)律。正常蓄水位工況下的壩體滲漏量僅占樞紐區(qū)總滲漏量的2.5%,結(jié)合圖6壩基地下水等勢線分布情況可知,由壩體上游復(fù)合土工膜、壩基防滲墻及墻下帷幕灌漿所組成的設(shè)計防滲系統(tǒng)對壩體起到了良好的滲流控制作用。此外,壩基、水閘段及左岸山體部位的滲漏量占樞紐總滲漏量比例較大,表明上游庫水主要通過這3處向下游滲漏。
由表3可以看出,當(dāng)采用設(shè)計防滲方案時,各工況下的各建筑物關(guān)鍵部位的最大平均滲透坡降均可滿足滲透穩(wěn)定基本要求;在正常蓄水位工況下,右岸大壩的壩基防滲墻頂部的滲透坡降最大,為14.69,表明在運行期上、下游水頭差最大的工況下,設(shè)計防滲體系仍能對整個庫區(qū)起到有效的阻滲作用。
綜上所述,該工程所采取的設(shè)計防滲方案的防滲效果較為明顯,砂礫石壩體區(qū)域及庫區(qū)總滲漏量可以得到有效控制,因此設(shè)計防滲方案具有一定的合理性和科學(xué)性。
由表2可以看出,處于正常蓄水位工況下的庫區(qū)整體滲漏量為593.21 m3/d,該值雖滿足“庫區(qū)年滲漏量應(yīng)小于上游多年平均徑流量的5%”的基本要求,但設(shè)計防滲方案經(jīng)濟成本較高,因此有必要探究在庫區(qū)各建筑物關(guān)鍵部位既滿足滲透穩(wěn)定的基本要求且整體滲漏量可以得到有效控制的基礎(chǔ)上,對設(shè)計防滲系統(tǒng)進行一定優(yōu)化的可能性,以期通過適當(dāng)降低防滲帷幕伸入相對不透水層的深度或縮短兩岸帷幕灌漿洞的長度來降低防滲工程成本,同時加快施工進程。
正常蓄水位工況下的上下游水頭差最大,應(yīng)以該工況作為下列各防滲系統(tǒng)優(yōu)化方案的計算工況:在防滲帷幕伸入微透水層(q≤3 Lu)以下5 m的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計防滲方案的基礎(chǔ)上,分別縮短各部位防滲帷幕深度至微透水帶(3 Lu線)(方案1)、微透水帶與弱透水帶中線(3~5 Lu線中線)(方案2)及弱透水帶(5 Lu線)(方案3);在左、右岸帷幕灌漿洞長度分別為40、50 m的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計防滲方案的基礎(chǔ)上,分別并同時將左、右岸帷幕灌漿洞長度延伸10 m(方案I)、延伸25 m(方案Ⅱ)、縮短10 m(方案Ⅲ)及縮短25 m(方案Ⅳ)。綜上,共7種方案,計算得到的各方案下的大壩、水閘段和生態(tài)小機處的帷幕頂端滲透坡降見圖9。
由圖9可以看出,不同防滲方案下各建筑物基礎(chǔ)下的防滲帷幕頂部的滲透坡降均滿足允許值,滿足滲透穩(wěn)定的基本要求,不會發(fā)生滲透破壞。由圖9(a)可見,設(shè)計方案下的帷幕底部伸入微透水層(q≤3 Lu)內(nèi)5 m,已形成相對封閉不透水防滲系統(tǒng),帷幕深度縮短會導(dǎo)致該防滲系統(tǒng)的封閉性降低及阻水能力減弱,從而該處的滲透坡降也相應(yīng)減小,底部巖體發(fā)生集中滲漏的可能性將隨之增大。由圖9(b)可見,兩岸帷幕灌漿洞的長度增加(方案Ⅰ、Ⅱ)會導(dǎo)致滲徑延長,形成的相對不透水區(qū)域范圍增大,阻水能力增強,因此該兩種方案的滲透坡降比設(shè)計方案也相應(yīng)增大;反之,兩岸帷幕灌漿洞長度減小(方案Ⅲ、Ⅳ),滲徑和不透水區(qū)域面積均減小,阻水能力減弱,則防滲帷幕的滲透坡降也越小。
圖9 不同方案大壩、水閘段和生態(tài)小機處的帷幕頂端滲透坡降表4 各方案下的各部位滲漏量
為比較通過庫區(qū)各建筑物的滲漏量及整體滲漏量對于防滲帷幕深度變化和兩岸帷幕灌漿洞長度變化的敏感程度,表4給出了各方案下的各部位滲漏量以及總滲漏量情況,圖10為相較設(shè)計防滲方案,各防滲系統(tǒng)方案下的庫區(qū)各部位及總體滲漏量變化率β的計算結(jié)果。
由圖10(a)可見,隨著防滲帷幕深度的減小,庫區(qū)各部位滲漏量及總滲漏量呈不斷增大的趨勢。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,選取滲漏量變化率β的控制標(biāo)準(zhǔn)為5%,即|β|<5%時認為改變帷幕參數(shù)對滲漏量的影響不大,若|β|>5%,則認為帷幕參數(shù)變化對滲漏量有顯著影響。當(dāng)帷幕深度由伸入3 Lu線以下5 m(設(shè)計方案)分別縮短至方案1(3 Lu線)和方案2(3~5 Lu線中線)時,各部位的滲漏量增長率β均小于控制標(biāo)準(zhǔn)5%。當(dāng)帷幕深度減小為方案3(5 Lu線)時,生態(tài)小機、水閘段、壩基和右岸山體部位的滲漏量增長率仍維持在5%以內(nèi),表明通過這些部位的滲漏量對帷幕深度變化的敏感性較弱,但左岸山體及壩體處的滲漏量增長率均大于5%,表明壩體和左岸山體的滲漏量對帷幕深度的變化較為敏感。方案1~3的庫區(qū)總滲漏量變化率分別為β1=0.75%、β2=2.03%、β3=4.15%,均小于控制標(biāo)準(zhǔn)5%,表明庫區(qū)總滲漏量對帷幕深度變化的敏感性較弱。
(m3·d-1)
圖10 不同方案庫區(qū)各部位滲漏量相較設(shè)計防滲方案的變化率
由圖10(b)可見,兩岸灌漿洞長度各向外延伸10 m時(方案Ⅰ),兩岸山體部位的滲漏量均有所減小,其中右岸山體的滲漏量減小率大于5%,表明延長右岸帷幕灌漿洞的長度對右岸山體的滲控效果較為顯著;當(dāng)兩岸灌漿洞的長度在方案Ⅰ的基礎(chǔ)上再各向外延伸15 m,即相對設(shè)計方案各延伸25 m時(方案Ⅱ),左岸山體的滲漏量減小率由-4.36%變?yōu)?5.81%,右岸山體的滲漏量減小率由-10.07%變?yōu)?12.08%,由此可見兩岸山體的滲漏量對帷幕灌漿洞長度的變化敏感性均較弱;當(dāng)兩岸帷幕灌漿洞長度增加時,兩岸山體的平均滲透性相對設(shè)計工況有所增強,因此由于繞滲等原因會導(dǎo)致山體間建筑物的滲漏量相對設(shè)計工況有所增大,當(dāng)帷幕灌漿洞長度由延長10 m增加至延長25 m時,通過山體間各建筑物的滲漏量略有減小,表明通過這些部位的滲漏量對帷幕灌漿洞長度延長變化的敏感性較弱。同時庫區(qū)總滲漏量隨左、右岸帷幕灌漿洞長度的增加而減小,總滲漏量變化率由-1.18%變?yōu)?1.71%,可見其對帷幕灌漿洞長度變化的敏感性也較弱。方案Ⅲ和方案Ⅳ下,通過各部位的滲漏量均相對設(shè)計方案有所增大,但各部位的滲漏量增長率均未超過5%,庫區(qū)總滲漏量增長率由0.77%(方案Ⅲ)變?yōu)?.98%(方案Ⅳ),表明通過各建筑物的滲漏量及庫區(qū)總滲漏量均對帷幕灌漿洞長度縮短變化的敏感性較弱。
綜合上述,不同防滲系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案的滲透坡降和滲漏量計算結(jié)果與比較,對該工程提出以下防滲系統(tǒng)優(yōu)化建議:設(shè)計方案中的防滲帷幕深度已延伸至微透水帶(3 Lu線)以下5 m,當(dāng)減小帷幕深度至方案2情況時,通過庫區(qū)各建筑物的滲漏量增長率及總滲漏量增長率均小于允許增長率5%,因此可考慮減小防滲帷幕深度至微透水帶與弱透水帶中線(3 Lu和5 Lu線之間區(qū)域的中線);設(shè)計防滲方案中的左、右岸帷幕灌漿洞長度分別為40、50 m,當(dāng)左、右岸帷幕灌漿洞長度各縮短10 m(方案Ⅲ)和各縮短25 m(方案Ⅳ)時,庫區(qū)各建筑物滲漏量增長率及總滲漏量增長率均小于5%,因此可考慮縮短左、右岸帷幕灌漿洞長度各10 m,以適當(dāng)降低庫區(qū)防滲經(jīng)濟成本,并達到加快施工進度的目的。
本文依托某深厚覆蓋層上引水式電站首部樞紐工程壩址區(qū)的工程地質(zhì)概況及防滲系統(tǒng)設(shè)計情況,建立三維有限元模型,計算并論證了設(shè)計防滲方案的合理性,并在此基礎(chǔ)上分析了不同防滲帷幕深度及左、右岸帷幕灌漿洞長度對庫區(qū)各建筑物滲漏量及總滲漏量的影響,得出以下主要結(jié)論:
(1)當(dāng)庫區(qū)防滲系統(tǒng)布置采用設(shè)計方案且處于上、下游水頭差最大工況時,庫區(qū)各建筑物的關(guān)鍵部位的滲透坡降均滿足滲透穩(wěn)定要求,通過壩體的滲漏量僅占庫區(qū)總滲漏量的2.5%,砂礫石壩體的絕大部分區(qū)域均處于非飽和狀態(tài),表明庫區(qū)的設(shè)計防滲系統(tǒng)對壩體起到了良好的阻滲作用。
(2)通過左岸山體和壩體的滲漏量對防滲帷幕深度變化的敏感性均較強,右岸山體處的滲漏量對帷幕灌漿洞長度變化的敏感性較強,其他部位的滲漏量及庫區(qū)總滲漏量對防滲帷幕深度及帷幕灌漿洞長度變化的敏感性均較弱。
(3)防滲系統(tǒng)優(yōu)化研究表明,庫區(qū)防滲帷幕深度可縮短至微透水帶與弱透水帶中線,左、右岸帷幕灌漿洞長度均可縮短10 m左右,可在有效控制庫區(qū)總滲漏量的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低庫區(qū)防滲經(jīng)濟成本并加快施工進度。