瀑布溝水電站量水堰防滲墻深度優(yōu)化分析

李 先 能

(國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠,四川 雅安 625000)

0 引 言

防滲墻是水庫最重要的組成部分[1]。壩體防滲墻可以有效降低壩體內部浸潤線高度,浸潤線在心墻處驟降,使浸潤線降至下游排水體中[2]。量水堰是指設在渠道、水槽中用以量測水流流量的溢流堰。最常用的是具有特制缺口的薄壁堰;有些國家還使用由混凝土等材料直接建成的寬頂堰、三角堰、截頭三角堰等[3]。量水堰位置處于厚度較厚且滲透性較強的覆蓋層,為使量水堰能夠檢測到壩基滲水,在量水堰下端設置防滲墻是必要的;但是要考慮到盡可能減短防滲墻長度的布置原則和最小的投資原則[4-5]。

筆者通過分析瀑布溝大壩目前的壩基滲流監(jiān)測、水位長觀孔監(jiān)測成果、壩腳下游水位以及壩基地質條件,確定了上下游計算水位。首先對比了相同堰頂高程下不同深度的防滲墻滲控效果,然后對不同堰頂高程下不同深度的防滲墻滲控效果進行優(yōu)化比選,并綜合考慮經濟成本投入給出最優(yōu)化設計方案。

1 工程概況

瀑布溝水庫正常蓄水位850.00 m,死水位790.00 m,總庫容53.37億m3。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高186.0 m,壩頂高程856.00 m,壩頂長540.5 m,壩頂寬度14.0 m。上游壩坡1∶2和1∶2.25,下游壩坡1∶1.8,壩體斷面分為四個區(qū),即礫石土心墻、反濾層、過渡層和堆石區(qū)。上、下游圍堰作為壩體堆石的一部分。地震設防烈度為Ⅷ度。

2002年12月25日國務院正式批準瀑布溝水電站立項。2005年11月22日工程截流。2009年9月通過蓄水安全鑒定。2009年11月1日下閘蓄水。2010年12月蓄水至正常蓄水位。2013年1月通過樞紐工程專項驗收。

2 瀑布溝水電站樞紐區(qū)三維滲流計算模型

2.1 滲流控制方程及有限元分析

滲流水力學認為,當滲透介質中水流流速不大時,可認為地下水運動服從不可壓縮流體的飽和穩(wěn)定達西滲流規(guī)律。筆者結合各向異性多孔介質連續(xù)介質模型的有限元進行闡述。

2.1.1 達西定律

在多孔介質中,水流運動為層流狀態(tài),服從線性達西定律。

vi=-kijJj=-kijhj(i,j=1,2,3)

(1)

式中:vi為流速分量;kij為介質的滲透張量;J為水力坡降;h為水頭。

2.1.2 穩(wěn)定滲流基本微分方程

將上式代入滲流連續(xù)性方程vi,i=0,可得穩(wěn)定滲流基本控制微分方程。

(kij,hj)i=w(i,j=1,2,3)

(2)

式中:采用張量指標記法,w為恒定降雨入滲或蒸發(fā)量。

2.1.3 微分方程的定解條件

(1)第一類邊界條件(Dirchlet條件)又稱定水頭邊界條件。

H(x,y,z)=φ(x,y,z)|(x,y,z)∈Γ1

(3)

(2)第二類邊界條件(Neuman邊界)。

(4)

式中:Γ1為具有給定流入流出流量的邊界段;N為Γ2的外法線方向。

(3)混合邊界條件,即水頭差與過流量之間保持一定的線性關系。

(5)

式中:α,β為常數(shù)。

2.2 三維滲流有限元網(wǎng)格模型

2.2.1 地層參數(shù)及邊界條件

(1)模擬的地層及地質結構。包含深厚覆蓋層(Q41-1)、深厚覆蓋層(Q41-2)、深厚覆蓋層(Q42-1)、深厚覆蓋層(Q42-2)和深厚覆蓋層(Q32)。

覆蓋層下覆巖體水文地質分區(qū)為:透水率1 Lu線以上巖體、透水率3 Lu線以上巖體和透水率10 Lu線以上巖體。在剖分有限單元時嚴格按水文地質分區(qū)進行。

(2)模擬的水工建筑物。壩體結構部分:黏土心墻、反濾排水層、反濾保護層、棄渣重區(qū)、下游圍堰。水工結構:導流洞、溢洪洞、防滲墻、量水堰、防滲帷幕等。

(3)邊界條件。四周垂直截取邊界:均設置為隔水邊界。地表邊界:壩軸線上游側低于庫水位的地方設為已知庫水位邊界,高于庫水位的岸坡為可能出滲邊界;壩軸線下游側低于下游河水位的地方設為已知水位邊界,高于下游水位的岸坡設為可能出滲邊界。模型底部截取邊界:設為隔水頭邊界。

2.2.2 三維模型建立

有限元網(wǎng)格模型生成采用河海大學滲流實驗室開發(fā)的基于AUTOCAD軟件的斷面節(jié)點控制自動剖分方法[6-7]。該方法生成的單元為六面體八節(jié)點等參有限單元,局部區(qū)域采用四面體單元或五面體單元過渡銜接。該模型整個庫區(qū)由44個建模剖面控制自動剖分生成,共生成69 683個單元和69 001個節(jié)點。為確保計算精度,考慮到壩體結構相對兩岸山體和壩基更為復雜,因此在壩體處進行了網(wǎng)格加密處理。圖1為瀑布溝水電站樞紐區(qū)整體三維有限元網(wǎng)格模型。建立的三維滲流有限元網(wǎng)格模型較為準確地反映了瀑布溝水電站樞紐區(qū)壩體結構、灌漿帷幕、溢洪洞及導流洞、發(fā)電廠房的分布、位置及范圍。

圖1 瀑布溝水電站樞紐區(qū)整體三維有限元網(wǎng)格模型圖

3 量水堰滲控方案計算分析

根據(jù)設計方案,量水堰滲控措施主要包括:沿量水堰軸線,在覆蓋層地層打防滲墻,20 Lu以上巖體進行帷幕灌漿。瀑布溝水電站上游正常蓄水位為850.0 m,瀑布溝水電站壩腳為大渡河干流與尼日河支流匯口處,根據(jù)尼日河支流匯口上游方向961.24 m處水位站(2020年建設)監(jiān)測資料,查詢最低水位685.53 m,到壩腳河道平均比降1.25%。推算下來壩腳最低水位約673.51 m,因此確定了上游水位為850.0 m,下游計算水位為673.5 m。根據(jù)上述反演建立的大壩三維滲流分析模型,開展了上游水位850.0 m和下游水位673.5 m條件下,在不同堰頂高程、不同防滲墻深度條件下三維滲流場計算,并比選量水堰滲控最優(yōu)方案。

3.1 堰頂高程675.0 m條件下量水堰滲控方案

在堰頂高程675.0 m條件下,堰頂高程比下游水位673.5 m高1.50 m。從表1(堰頂高程675.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果)中可以看出:不同深度的防滲墻會使墻前地下水位有所抬升,抬升值越大,說明防滲墻的阻水作用越大。當量水堰堰頂高程高于下游水位1.50 m時,防滲墻深度到達60.0 m時,防滲墻前水位剛剛到達堰頂高程,少量地下水進入量水堰。由于設置60 m深的量水堰防滲墻投資成本過高,因此堰頂高程為675.5 m的工況不符合設計理念。

表1 堰頂高程675.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果 /m

3.2 堰頂高程674.5 m條件下量水堰滲控方案

在堰頂高程674.5 m條件下,堰頂高程674.5 m比下游水位673.5 m高1.0 m。從表2(堰頂高程674.5 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果)中可以看出:當量水堰堰頂高程高于下游水位1.0 m時,防滲墻深度到達40.0 m時,防滲墻水位剛好到達堰頂高程,少量地下水進入量水堰。由于在量水堰下部設置40 m防滲墻同樣存在投資成本過高的問題,因此堰頂高程為674.5 m的工況不符合設計理念。

表2 堰頂高程674.5 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果 /m

3.3 堰頂高程674.0 m條件下量水堰滲控方案

在堰頂高程674.0 m比下游水位673.5 m高0.50 m。從圖2(堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的浸潤線)和表3(堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果)中可以看出:當量水堰堰頂高程高于下游水位0.50 m時,浸潤線在量水堰防滲墻深度在18.0 m時比無防滲墻時有小幅度提升,防滲墻深度到達18.0 m時防滲墻前水位高于堰頂高程0.16 m,少量地下水進入量水堰;因此,堰頂高程674.0 m時建設較淺的防滲墻既可達到量水堰的預警作用,投資成本也相對較低。

表3 堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的阻水效果 /m

圖2 堰頂高程674.0 m條件下不同深度量水堰防滲墻的浸潤線

4 結 語

通過大量的計算結果可以總結如下規(guī)律:地下水能否進入量水堰取決于兩個控制因素:(1)堰頂高程與下游水位之差;(2)防滲墻深度。堰頂高程與下游水位之差越小,地下水越容易進入量水堰;防滲墻深度約大,地下水越容易進入量水堰。

在下游水位為673.50 m時,量水堰高程為675.0 m和674.5 m時,量水堰防滲墻深度分別達到60 m和40 m,量水堰才能發(fā)揮預警作用,投資成本過高;量水堰高程為674.0 m時設計較淺的防滲墻量水堰即可發(fā)揮預警作用。

確定瀑布溝大壩壩后新增量水堰采用懸掛式防滲墻結構,防滲墻底部深入原河床地面線以下10 m,量水堰底高程為673 m,頂高程為674 m,實施過程中根據(jù)瀑布溝大壩下游新增設的六個長觀孔測量水位變化和現(xiàn)場施工情況進行適當調整。