拉哇水電站上游圍堰滲流特性研究

鄧 則 軍， 鄢 勇

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

堰塞湖一般形成相對靜水沉積環(huán)境，沉積物具有上下游空間連續(xù)分布、顆粒細小、抗?jié)B性能好、承載力較低、抗剪參數(shù)較低等特性。在堰塞湖沉積物上修建水電站大壩或圍堰，存在地基穩(wěn)定性差、不均勻沉降、滲透穩(wěn)定和地震液化等更加不利的工程技術(shù)問題[1-2]。

對于堰塞湖沉積物形成的覆蓋層，特別是深厚覆蓋層，一般不直接修建高土石壩，往往采取挖除覆蓋層的工程措施，如已建的猴子巖水電站、江坪河水電站，在建的拉哇水電站等。但對于水電站大壩施工圍堰工程、地基覆蓋層不能開挖以及開挖方案不經(jīng)濟的攔河大壩工程，必須采取地基處理措施[3-4]。

明確低液限黏土層的滲流特性是確定深厚覆蓋層軟基加固處理方案的前提條件之一[5]。本文以拉哇水電站上游圍堰地基為研究對象，通過三維滲流計算，得到上游圍堰地基的等水頭線、滲流量、滲透系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，為復(fù)雜軟基加固處理方案的確定提供依據(jù)，也為后續(xù)相類似工程的設(shè)計與建設(shè)提供重要參考。

1 拉哇水電站及圍堰地基概況

拉哇水電站位于金沙江上游，壩址左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)，右岸為西藏昌都自治州芒康縣朱巴籠鄉(xiāng)，是金沙江上游13 級開發(fā)方案中的第8 級，上游為葉巴灘水電站，下游為巴塘水電站。拉哇水電站為一等大(Ⅰ)型工程。電站裝4臺500 MW 機組。

根據(jù)鉆孔揭露情況，結(jié)合河床縱、橫剖面，圍堰堰基及基坑邊坡區(qū)域河床覆蓋層厚度65～68 m。其中，表層Qal-5砂卵石層厚度1～8 m，中部堰塞湖相沉積的Ql-3層、Ql-2層厚度約44～46 m，河床底部Qal-1砂卵石層厚度約4.5～13.5 m。覆蓋層下伏基巖地層為第1 層(Ptxna-1)，巖性為角閃片巖、綠泥角閃片巖夾少量的云母石英片巖、石英片巖及大理巖，淺表層巖石主要為弱風化，其厚度一般10～15 m。

2 拉哇水電站上游圍堰滲流計算

2.1 上游圍堰滲流計算模型

2.1.1 模型范圍

三維滲流計算模型建模范圍為：上游邊界為堰腳以上185 m，下游邊界為壩基開挖邊坡坡腳；左右岸邊界為堰肩以外150 m，底部邊界至堰頂高程以下160 m，底面邊界高程為2 430.00 m，距離覆蓋層最低點(高程2 471.00 m)約41 m。綜合考慮基巖繞滲、基坑開挖等因素，上游圍堰滲流計算模型范圍見圖1。原點O為堰頂左端部，模型坐標系X軸沿堰軸線指向右岸，Y軸垂直于堰軸線指向下游，原點為左堰肩樁號0+000.000 m處，Z軸垂直向上，原點高程為0 m(2 597.00 m)。

假設(shè)防滲墻剖面兩岸基巖各層厚度與兩岸帷幕處相同，得到防滲墻剖面的覆蓋層和基巖地質(zhì)分區(qū)圖(圖2)。根據(jù)基巖不同滲透性的5條分界線，基巖可分為6部分，即：(1)強卸荷帶下限；(2)≤10 Lu相對不透水層頂板線；(3)弱卸荷帶下限；(4)≤5 Lu相對不透水層頂板線；(5)≤2 Lu相對不透水層頂板線。

圖2 防滲墻剖面的覆蓋層和基巖地質(zhì)分區(qū)圖

2.1.2 有限元網(wǎng)格

通過各斷面基巖分界線建立基巖分界面，并對巖石分界面進行切割，最終得到上游圍堰整體有限元模型(圖3)。其中，堰體、覆蓋層單元控制尺寸約為4 m，模型中共有單元469 098個，節(jié)點248 494個。

圖3 上游圍堰整體有限元模型

2.2 計算參數(shù)

防滲墻施工要求設(shè)計值為1.00×10-7cm/s，計算取值1.00×10-6cm/s。土工膜設(shè)計值為1.00×10-11cm/s，計算取值為5.00×10-11cm/s。土工膜膜厚0.75 mm，有限元模型中膜厚模擬土層為10 cm，將滲透系數(shù)進行等效處理，換算滲透系數(shù)為6.67×10-9cm/s。堰體滲透系數(shù)取2.00×10-1cm/s，帷幕體滲透系數(shù)取為2.0×10-5cm/s。

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3 拉哇水電站上游圍堰滲流計算結(jié)果

3.1 等水頭線

圖4 給出了自由水面及高程2 553.00 m水平切面的等水頭線。從圖4可以看出，河床水頭降落主要集中在防滲墻或防滲膜上，基巖中水頭降落主要集中在灌漿帷幕上，兩岸基巖為繞滲狀態(tài)。同時，從圖中可以看出，斷層位置局部滲流場并沒有受到斷層的顯著影響。

a) 自由水面 b) 高程2 553.00 m水平切面

圖5給出了河谷中心剖面的等水頭線。從圖中可以看出，河谷中心剖面水頭降落集中于防滲墻上；從上游入滲穿過防滲墻底部基巖再繞滲到防滲墻后部堰底的滲流路徑上，覆蓋層上的水頭降落相對較小。堰基底部向下游水頭降落較小，堰基到基坑的水頭降落則較大。

圖5 河谷中心剖面等水頭線

圖6給出了防滲墻、左岸帷幕、右岸帷幕上下游剖面水頭線。從防滲墻上游剖面等水頭線圖可以看出，同一高程覆蓋層水頭大于兩岸基巖水頭，水從覆蓋層滲入基巖。

(a) 防滲墻 (b) 左岸帷幕 (c) 右岸帷幕

3.2 滲流量

在設(shè)計方案基本參數(shù)取值條件下，當基坑開挖完成后，總滲流量為6 206.7 m3/d。按土工膜面、中部防滲墻斷面、左岸帷幕斷面、右岸帷幕斷面、堰頂左側(cè)帷幕斷面、堰頂右側(cè)帷幕斷面統(tǒng)計堰體各部位滲流量統(tǒng)計結(jié)果見表1。堰體主要通過中部防滲墻斷面、左岸帷幕斷面、右岸帷幕斷面滲流，分別為2 070.5 m3/d、2 069.9 m3/d、1 853.6 m3/d，占總滲流量百分比分別為33.4%、33.3%、29.9%，合計占總滲流量的96.6%。其中土工膜部位滲流量僅為13.5 m3/d，占總滲流量0.2%，可以忽略不計。堰頂兩側(cè)帷幕、巖石繞滲流量很小，左側(cè)、右側(cè)滲流量分別為113.8 m3/d、85.3 m3/d，共占總滲流量的3.2%。

表1 各部位滲流量統(tǒng)計表

土工膜、防滲墻、兩側(cè)帷幕、帷幕外巖體各介質(zhì)滲流量統(tǒng)計見表2。灌漿帷幕滲流量為5 564.6 m3/d，占總滲流量的89.7%；其中通過中部、左岸、右岸斷面的滲流量為5 499.4 m3/d，占總滲流量的88.6%。防滲墻和巖石滲流量分別占總滲流量的3.1%和7.1%。

表2 各介質(zhì)滲流量統(tǒng)計表

3.3 滲透坡降

圖7給出了防滲墻、左右岸帷幕上下游剖面滲透坡降等值線圖。從圖中可以看出，防滲墻中最大滲透坡降約為50，其滲透穩(wěn)定滿足要求。

(a) 防滲墻上游剖面 (b) 防滲墻下游剖面

覆蓋層中，河床表面Qal-5層和底部Qal-1層為河流沖積層，滲透系數(shù)較大，滲透坡降較低。中部堰塞湖沉積層中，Q1-2-3層和Q1-2-1層為相對不透水層，滲透坡降較大，兩層土上下表面滲透坡降分布見圖8。

(a) 覆蓋層Q1-2-3層上表面

從圖8可以看出，防滲墻附近土中滲透坡降較大，如覆蓋層Q1-2-3上表面最大值超過1.0，但此處位于土體內(nèi)部，四周均為堰塞湖沉積物，距離覆蓋層表面約20 m，土體被約束在固定范圍內(nèi)，不會發(fā)生滲透破壞。在Y=230 m處覆蓋層Q1-2-3上表面有約10 m范圍內(nèi)滲透坡降超過0.5，該層允許滲透坡降為0.42～0.79，但距覆蓋層開挖表面約15 m，也不會發(fā)生滲透破壞。其他層在Y=230處滲透坡降均有一個較大區(qū)域，但距離覆蓋層開挖表面均較遠，發(fā)生滲透破壞的可能性不大?；娱_挖坡面(Y=300～500)滲透比降約0.3，滲透穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié) 語

以拉哇水電站上游圍堰地基為研究對象，通過三維滲流計算，得出了上游圍堰的等水頭線、滲流量、滲透系數(shù)等關(guān)鍵滲流參數(shù)，為確定復(fù)雜軟基加固處理方案提供了重要依據(jù)。計算結(jié)果表明，防滲墻和左右岸灌漿帷幕區(qū)是上游圍堰主要滲流部位；上游圍堰防滲墻和基坑開挖邊坡湖相沉積層土體的最大滲透比降均小于允許滲透比降，滲透安全滿足設(shè)計要求。