DG水電站F3斷層滲流控制數(shù)值模擬研究

張澤坤，朱瑞晨，吳世勇，王瀟弘

(1. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100;3.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

我國(guó)西部地區(qū)水力資源豐富，近年來(lái)，西部水利事業(yè)快速發(fā)展，壩工建設(shè)也發(fā)展迅猛。西部地區(qū)海拔較高，山川密布，許多水利水電工程多建設(shè)于深山峽谷中，地質(zhì)條件復(fù)雜，常遇到諸如斷層等不良地質(zhì)條件。斷層等不良地質(zhì)條件經(jīng)常會(huì)引發(fā)滲透問(wèn)題。由于防滲帷幕質(zhì)量可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，常被用在水利工程中進(jìn)行滲流控制，保證滲透穩(wěn)定[1]。在防滲體系正常發(fā)揮滲流控制作用的基礎(chǔ)上，對(duì)壩址區(qū)滲流控制處理措施的布設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化，可節(jié)省工程投資，提高水庫(kù)的運(yùn)營(yíng)效益。

目前，諸多學(xué)者對(duì)滲控處理措施的優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，獲得了豐碩的成果，有效指導(dǎo)了相關(guān)工程[2- 6]。江浩源等[7]對(duì)哇沿水庫(kù)隱伏斷層的滲流特性、防滲措施及防滲墻的滲流控制效果進(jìn)行了研究，確定了最合適的防滲墻深度，并且指出防滲墻深入兩種材料交界面處時(shí)，底部坡降值較大，容易發(fā)生局部沖蝕。楊海林[8]以瀘定水電站壩址區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)其設(shè)計(jì)方案下的壩址區(qū)滲流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，在此基礎(chǔ)上改變壩基帷幕的排數(shù)、帷幕的深度以及平面布設(shè)長(zhǎng)度等三方面來(lái)分析對(duì)比不同方案下的滲控效果，以經(jīng)濟(jì)合理為主要依據(jù)確定了優(yōu)化方案。吳偉民[9]針對(duì)周寧水電站地下廠房系統(tǒng)建立有限元計(jì)算模型，分析其滲流場(chǎng)特征，然后對(duì)T形排水廊道、排水帷幕孔距以及孔深，共計(jì)十種滲排方案下的滲流場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比分析，最終提供最優(yōu)方案。

本研究采用ABAQUS有限元分析軟件，以DG水電站F3斷層為研究對(duì)象，計(jì)算得到不同帷幕長(zhǎng)度作用下的斷層滲流場(chǎng)，通過(guò)對(duì)各工況的對(duì)比分析，得到最合適的防滲帷幕長(zhǎng)度，研究結(jié)果可為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

DG水電站設(shè)計(jì)正常蓄水位為3 447 m，相應(yīng)庫(kù)容0.552 8億m3，擋水壩為混凝土重力壩，最大壩高118 m。電站采用右岸壩后式地面廠房，裝機(jī)容量660 MW，多年平均發(fā)電量為32.045億kW·h。

庫(kù)區(qū)屬高原區(qū)，兩岸山頂面海拔高約5 400～6 000 m，庫(kù)區(qū)谷底高程為3 360～3 445 m，相對(duì)高差1 800～2 500 m。河谷水面寬以60～160 m為主，河道坡降約為9.5‰，谷坡陡峻，河流深切呈“V”形，屬典型的高山深切峽谷地貌。庫(kù)區(qū)位于某構(gòu)造巖石地層區(qū)，主要出露地層為燕山晚期～喜山早期侵入巖，新生界第四系。壩址構(gòu)造發(fā)育，主要構(gòu)造形跡有斷層、節(jié)理等。共發(fā)育Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面6條，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面25條，Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面21條，主要以NNW、NNE向?yàn)橹?，多為陡傾角結(jié)構(gòu)面，帶內(nèi)一般由碎塊巖、碎裂巖、巖屑及少量泥膜組成。其中，F(xiàn)3斷層發(fā)育在壩址區(qū)右岸山坡下部，走向與河道近平行，N30°～50°E ，SE∠25°～35°。地表可見(jiàn)寬度0.5～3.5 m，為泥夾巖屑型，帶內(nèi)充填碎塊巖、碎裂巖，巖體破碎，呈強(qiáng)風(fēng)化狀，上下盤(pán)面充填1～3 cm巖屑夾泥，泥呈灰白色，如圖1所示。

圖1 F3斷層現(xiàn)場(chǎng)

2 三維有限元滲流數(shù)值模型

2.1 三維有限元數(shù)值模型

數(shù)值模型計(jì)算域的截?cái)噙吔鐟?yīng)該選取在對(duì)所關(guān)心區(qū)域的滲流場(chǎng)影響較小的位置。本文通過(guò)初步的試算，將上游處的截?cái)噙吔缛≡诰鄩屋S線400 m處，下游處的截?cái)噙吔缫踩≡诰鄩屋S線400 m處。由于壩址區(qū)出露地層巖性大部分為喜山期黑云母花崗閃長(zhǎng)巖，因此按風(fēng)化程度自上而下將地層分為弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段、微風(fēng)化段、近似不透水層。

三維有限元滲流計(jì)算模型如圖2所示，模型下表面為高程3 200 m的水平面，其中F3斷層厚度3 m，斷層深度150 m，與豎直向夾角為55°，三維有限元滲流模型共剖分793 987個(gè)8節(jié)點(diǎn)4面體單元。

圖2 三維有限元網(wǎng)格

2.2 邊界條件與滲透系數(shù)

庫(kù)區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積物孔隙水。第四系松散堆積物孔隙水，賦存于河床兩岸崩坡積層及沖洪積層中，以降水補(bǔ)給為主，向溝谷排泄?；鶐r裂隙水分布在斷層帶及巖體裂隙中。由于降水補(bǔ)給與冰雪消融水補(bǔ)給對(duì)水庫(kù)蓄水后的滲流場(chǎng)影響很小，因而基巖截?cái)嗝娴奈恢每芍豢紤]庫(kù)水入滲的影響，其他邊界可取為不透水邊界。模型上游邊界條件取為正常蓄水位3 447 m的定水頭邊界，下游邊界取為3 370 m的定水頭邊界，模型四周及底面均取為不透水邊界。

滲透系數(shù)K值對(duì)滲流場(chǎng)的分析至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔勘察及數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果，確定各材料分區(qū)的滲透系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 滲透系數(shù) 10-7 m/s

3 三維有限元滲流模型驗(yàn)證

整體模型建立后，需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證以確保模擬所得的結(jié)果是可靠有效的。在現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)場(chǎng)鉆孔布置，建立了鉆孔壓水模擬模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)滲入量與鉆孔壓水模型滲入量的對(duì)比，對(duì)整體模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 鉆孔壓水?dāng)?shù)值模型

三維模型建立后，對(duì)DG水電站滲流場(chǎng)進(jìn)行擬合分析以校正各地層的滲透系數(shù)。在模型相應(yīng)位置模擬鉆孔布置，孔直徑與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同均為32 mm。由于壓水試驗(yàn)的影響范圍有限，因此在不影響模擬精度的前提下，取整體模型的一部分對(duì)鉆孔壓水試驗(yàn)進(jìn)行模擬，又因?yàn)樵摬糠帜Ｐ统叽缦啾日w模型而言較小，因此在該局部模型中忽略地層的曲折，鉆孔壓水?dāng)?shù)值模型及各鉆孔布置如圖3所示。其中，F(xiàn)3-1、F3-2、F3-33個(gè)鉆孔孔深分別為25.80、26.30、21.95 m，F(xiàn)3-4、F3-5、F3-63個(gè)鉆孔孔深分別為28.0、32.6、33.5 m，均揭露F3斷層帶。

圖3 鉆孔壓水?dāng)?shù)值模型

3.2 鉆孔壓水模擬結(jié)果與分析

由于后續(xù)研究都是建立在穩(wěn)定滲流的基礎(chǔ)上，因此，在對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，選擇現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)結(jié)束后線性程度較高的F3-6孔。F3-6孔為壓水試驗(yàn)孔，試驗(yàn)段孔深為25.90～33.45 m?，F(xiàn)場(chǎng)采用快速法進(jìn)行試驗(yàn)，每一壓力級(jí)為0.5 MPa。鉆孔壓水?dāng)?shù)值模擬在25.90～33.45 m范圍內(nèi)按每級(jí)0.5 MPa施加壓力，統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)的滲流量，與現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)校核模型。

數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，實(shí)際的壓水試驗(yàn)P-Q曲線呈近似線性，在F3-6孔內(nèi)進(jìn)行壓水時(shí)，試驗(yàn)壓力3 MPa下的孔內(nèi)透水量為39.28 L/min，數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果P-Q曲線呈線性變化，試驗(yàn)壓力3 MPa下孔內(nèi)透水量為45 L/min，與實(shí)際滲入量相比有差距，但是差距相對(duì)較小，能達(dá)到模擬要求。經(jīng)過(guò)鉆孔壓水模擬，對(duì)整體模型進(jìn)行了校核，最終確定各地層的滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 實(shí)際滲入量與模型滲入量對(duì)比

4 計(jì)算結(jié)果比較與分析

4.1 計(jì)算工況

恒定滲流是大壩滲流中最簡(jiǎn)單最基本的一個(gè)狀態(tài)，這種狀態(tài)最能直接反映大壩滲流的基本規(guī)律。因此在研究中，選擇恒定滲流分析作為了解DG水電站滲流機(jī)理和特性的基礎(chǔ)和重要途徑。

為了研究防滲帷幕長(zhǎng)度對(duì)DG水電站恒定滲流的影響情況，設(shè)定了不同的工況，研究防滲帷幕長(zhǎng)度對(duì)斷層滲流場(chǎng)的影響。數(shù)值模擬工況見(jiàn)表2，其中工況1為未施加防滲帷幕的工況，工況3為設(shè)計(jì)帷幕工況，防滲帷幕深入斷層下1 m，在工況2的帷幕長(zhǎng)度下，現(xiàn)場(chǎng)施工遇到困難，施工方案由原來(lái)的挖槽整體澆混凝土轉(zhuǎn)變?yōu)殂@孔注漿，各工況上游水位均為3 447 m下游水位均為3 370 m。

表2 計(jì)算工況 m

4.2 設(shè)計(jì)帷幕工況斷層滲流場(chǎng)

設(shè)計(jì)帷幕工況下，沿F3斷層中軸線的總水頭線如圖5所示，沿?cái)鄬幼呦蛄魉僮兓鐖D6所示，F(xiàn)3斷層處的滲流速度隨著距壩后出逸點(diǎn)距離的增大而逐漸減小，在30 m范圍之內(nèi)，流速下降比較快，在30 m范圍之后，流速緩慢減小并逐漸趨于收斂，流速拐點(diǎn)發(fā)生在30 m左右，說(shuō)明施加防滲帷幕后F3斷層沿走向在30 m范圍內(nèi)影響較大。

圖5 總水頭線

圖6 隨斷層走向流速變化

4.3 帷幕長(zhǎng)度對(duì)滲控效果的影響

帷幕長(zhǎng)度直接影響滲流路徑的長(zhǎng)短，對(duì)F3斷層處水力梯度、滲流量和滲流速度均產(chǎn)生一定的影響。圖7為各工況滲流速度對(duì)比，由圖7可知，各工況隨著距壩后出逸點(diǎn)距離的增大，滲流速度變化曲線形狀相似，它們的滲流速度變化過(guò)程都可以分為快速下降、緩慢下降、逐漸收斂3個(gè)階段。各個(gè)工況大都在30 m左右處由快速下降階段轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛陆惦A段，之后滲流速度逐漸趨于收斂。各個(gè)工況流速相差不大，在整體變化趨勢(shì)上顯現(xiàn)出比較好的一致性。施加防滲帷幕后的各工況，流速出現(xiàn)拐點(diǎn)發(fā)生在30 m處，與無(wú)防滲工況1的50 m相比提前了20 m。同時(shí)，添加防滲帷幕后的各工況，滲流速度更快的收斂，說(shuō)明施壩后斷層的影響范圍減小。

圖7 滲流速度隨斷層走向變化規(guī)律對(duì)比

表3為防滲帷幕長(zhǎng)度對(duì)滲流控制效果的影響結(jié)果匯總，圖8與圖9分別為防滲帷幕長(zhǎng)度與滲流量和最大水力梯度的關(guān)系。結(jié)合表3與圖8可知，隨著防滲帷幕長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，滲流量變化趨勢(shì)是非線性變化的，當(dāng)防滲墻長(zhǎng)度小于9.3 m時(shí)，出現(xiàn)一段下降比較快的階段，之后呈近似線性減小。同樣的，結(jié)合表3與圖9可知，最大水力梯度變化趨勢(shì)也呈非線性，當(dāng)防滲墻長(zhǎng)度小于9.3 m時(shí)，開(kāi)始下降比較快，之后呈線性減小。從曲線變化規(guī)律上來(lái)看，9.3 m長(zhǎng)的防滲帷幕是最合適的防滲帷幕長(zhǎng)度，因?yàn)槌霈F(xiàn)比較快的下降階段，但是在該帷幕長(zhǎng)度下，水力梯度為0.842，水力梯度偏大，當(dāng)防滲帷幕長(zhǎng)度增加到25 m時(shí)，水力梯度降到0.675。此時(shí)，防滲帷幕加長(zhǎng)可以更好的降低水力梯度和滲流速度，但是隨著防滲帷幕的加長(zhǎng)，帶來(lái)的是更高的施工難度和更多的經(jīng)濟(jì)投入，這些與水力梯度和滲流速度的減小比率相比，顯然是不合理的。

表3 防滲帷幕長(zhǎng)度結(jié)果匯總

圖8 帷幕長(zhǎng)度與滲流量關(guān)系

圖9 帷幕長(zhǎng)度與最大水力梯度關(guān)系

5 結(jié) 論

本文采用ABAQUS軟件建立了考慮滲流場(chǎng)的有限元分析模型，對(duì)DG水電站防滲帷幕長(zhǎng)度對(duì)斷層滲流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，得到了以下主要結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬所得壓水過(guò)程的P-Q曲線呈線性增加，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)的P-Q曲線相近，所以該數(shù)值模型可靠。

(2)F3斷層處的滲流速度隨著距壩后出逸點(diǎn)距離的增大而逐漸減小，在30 m范圍之內(nèi)，流速下降比較快，在30 m范圍之后，流速緩慢減小并逐漸趨于收斂。

(3)隨著防滲帷幕長(zhǎng)度的增加，滲流量及最大水力梯度的變化趨勢(shì)是非線性變化的，當(dāng)防滲帷幕長(zhǎng)度小于9.3 m時(shí)，出現(xiàn)一段下降比較快的階段，之后呈近似線性減小，25 m的帷幕長(zhǎng)度能獲得比較好的經(jīng)濟(jì)和安全效益。