李 先 能

(国能大渡河瀑布沟水力发电总厂,四川 雅安 625000)

0 引 言

防渗墙是水库最重要的组成部分[1]。坝体防渗墙可以有效降低坝体内部浸润线高度,浸润线在心墙处骤降,使浸润线降至下游排水体中[2]。量水堰是指设在渠道、水槽中用以量测水流流量的溢流堰。最常用的是具有特制缺口的薄壁堰;有些国家还使用由混凝土等材料直接建成的宽顶堰、三角堰、截头三角堰等[3]。量水堰位置处于厚度较厚且渗透性较强的覆盖层,为使量水堰能够检测到坝基渗水,在量水堰下端设置防渗墙是必要的;但是要考虑到尽可能减短防渗墙长度的布置原则和最小的投资原则[4-5]。

笔者通过分析瀑布沟大坝目前的坝基渗流监测、水位长观孔监测成果、坝脚下游水位以及坝基地质条件,确定了上下游计算水位。首先对比了相同堰顶高程下不同深度的防渗墙渗控效果,然后对不同堰顶高程下不同深度的防渗墙渗控效果进行优化比选,并综合考虑经济成本投入给出最优化设计方案。

1 工程概况

瀑布沟水库正常蓄水位850.00 m,死水位790.00 m,总库容53.37亿m3。拦河大坝为砾石土心墙堆石坝,最大坝高186.0 m,坝顶高程856.00 m,坝顶长540.5 m,坝顶宽度14.0 m。上游坝坡1∶2和1∶2.25,下游坝坡1∶1.8,坝体断面分为四个区,即砾石土心墙、反滤层、过渡层和堆石区。上、下游围堰作为坝体堆石的一部分。地震设防烈度为Ⅷ度。

2002年12月25日国务院正式批准瀑布沟水电站立项。2005年11月22日工程截流。2009年9月通过蓄水安全鉴定。2009年11月1日下闸蓄水。2010年12月蓄水至正常蓄水位。2013年1月通过枢纽工程专项验收。

2 瀑布沟水电站枢纽区三维渗流计算模型

2.1 渗流控制方程及有限元分析

渗流水力学认为,当渗透介质中水流流速不大时,可认为地下水运动服从不可压缩流体的饱和稳定达西渗流规律。笔者结合各向异性多孔介质连续介质模型的有限元进行阐述。

2.1.1 达西定律

在多孔介质中,水流运动为层流状态,服从线性达西定律。

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

(1)

式中:vi为流速分量;kij为介质的渗透张量;J为水力坡降;h为水头。

2.1.2 稳定渗流基本微分方程

将上式代入渗流连续性方程vi,i=0,可得稳定渗流基本控制微分方程。

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

(2)

式中:采用张量指标记法,w为恒定降雨入渗或蒸发量。

2.1.3 微分方程的定解条件

(1)第一类边界条件(Dirchlet条件)又称定水头边界条件。

H(x,y,z)=φ(x,y,z)|(x,y,z)∈Γ1

(3)

(2)第二类边界条件(Neuman边界)。

(4)

式中:Γ1为具有给定流入流出流量的边界段;N为Γ2的外法线方向。

(3)混合边界条件,即水头差与过流量之间保持一定的线性关系。

(5)

式中:α,β为常数。

2.2 三维渗流有限元网格模型

2.2.1 地层参数及边界条件

(1)模拟的地层及地质结构。包含深厚覆盖层(Q41-1)、深厚覆盖层(Q41-2)、深厚覆盖层(Q42-1)、深厚覆盖层(Q42-2)和深厚覆盖层(Q32)。

覆盖层下覆岩体水文地质分区为:透水率1 Lu线以上岩体、透水率3 Lu线以上岩体和透水率10 Lu线以上岩体。在剖分有限单元时严格按水文地质分区进行。

(2)模拟的水工建筑物。坝体结构部分:黏土心墙、反滤排水层、反滤保护层、弃渣重区、下游围堰。水工结构:导流洞、溢洪洞、防渗墙、量水堰、防渗帷幕等。

(3)边界条件。四周垂直截取边界:均设置为隔水边界。地表边界:坝轴线上游侧低于库水位的地方设为已知库水位边界,高于库水位的岸坡为可能出渗边界;坝轴线下游侧低于下游河水位的地方设为已知水位边界,高于下游水位的岸坡设为可能出渗边界。模型底部截取边界:设为隔水头边界。

2.2.2 三维模型建立

有限元网格模型生成采用河海大学渗流实验室开发的基于AUTOCAD软件的断面节点控制自动剖分方法[6-7]。该方法生成的单元为六面体八节点等参有限单元,局部区域采用四面体单元或五面体单元过渡衔接。该模型整个库区由44个建模剖面控制自动剖分生成,共生成69 683个单元和69 001个节点。为确保计算精度,考虑到坝体结构相对两岸山体和坝基更为复杂,因此在坝体处进行了网格加密处理。图1为瀑布沟水电站枢纽区整体三维有限元网格模型。建立的三维渗流有限元网格模型较为准确地反映了瀑布沟水电站枢纽区坝体结构、灌浆帷幕、溢洪洞及导流洞、发电厂房的分布、位置及范围。

图1 瀑布沟水电站枢纽区整体三维有限元网格模型图

3 量水堰渗控方案计算分析

根据设计方案,量水堰渗控措施主要包括:沿量水堰轴线,在覆盖层地层打防渗墙,20 Lu以上岩体进行帷幕灌浆。瀑布沟水电站上游正常蓄水位为850.0 m,瀑布沟水电站坝脚为大渡河干流与尼日河支流汇口处,根据尼日河支流汇口上游方向961.24 m处水位站(2020年建设)监测资料,查询最低水位685.53 m,到坝脚河道平均比降1.25%。推算下来坝脚最低水位约673.51 m,因此确定了上游水位为850.0 m,下游计算水位为673.5 m。根据上述反演建立的大坝三维渗流分析模型,开展了上游水位850.0 m和下游水位673.5 m条件下,在不同堰顶高程、不同防渗墙深度条件下三维渗流场计算,并比选量水堰渗控最优方案。

3.1 堰顶高程675.0 m条件下量水堰渗控方案

在堰顶高程675.0 m条件下,堰顶高程比下游水位673.5 m高1.50 m。从表1(堰顶高程675.0 m条件下不同深度量水堰防渗墙的阻水效果)中可以看出:不同深度的防渗墙会使墙前地下水位有所抬升,抬升值越大,说明防渗墙的阻水作用越大。当量水堰堰顶高程高于下游水位1.50 m时,防渗墙深度到达60.0 m时,防渗墙前水位刚刚到达堰顶高程,少量地下水进入量水堰。由于设置60 m深的量水堰防渗墙投资成本过高,因此堰顶高程为675.5 m的工况不符合设计理念。

表1 堰顶高程675.0 m条件下不同深度量水堰防渗墙的阻水效果 /m

3.2 堰顶高程674.5 m条件下量水堰渗控方案

在堰顶高程674.5 m条件下,堰顶高程674.5 m比下游水位673.5 m高1.0 m。从表2(堰顶高程674.5 m条件下不同深度量水堰防渗墙的阻水效果)中可以看出:当量水堰堰顶高程高于下游水位1.0 m时,防渗墙深度到达40.0 m时,防渗墙水位刚好到达堰顶高程,少量地下水进入量水堰。由于在量水堰下部设置40 m防渗墙同样存在投资成本过高的问题,因此堰顶高程为674.5 m的工况不符合设计理念。

表2 堰顶高程674.5 m条件下不同深度量水堰防渗墙的阻水效果 /m

3.3 堰顶高程674.0 m条件下量水堰渗控方案

在堰顶高程674.0 m比下游水位673.5 m高0.50 m。从图2(堰顶高程674.0 m条件下不同深度量水堰防渗墙的浸润线)和表3(堰顶高程674.0 m条件下不同深度量水堰防渗墙的阻水效果)中可以看出:当量水堰堰顶高程高于下游水位0.50 m时,浸润线在量水堰防渗墙深度在18.0 m时比无防渗墙时有小幅度提升,防渗墙深度到达18.0 m时防渗墙前水位高于堰顶高程0.16 m,少量地下水进入量水堰;因此,堰顶高程674.0 m时建设较浅的防渗墙既可达到量水堰的预警作用,投资成本也相对较低。

表3 堰顶高程674.0 m条件下不同深度量水堰防渗墙的阻水效果 /m

图2 堰顶高程674.0 m条件下不同深度量水堰防渗墙的浸润线

4 结 语

通过大量的计算结果可以总结如下规律:地下水能否进入量水堰取决于两个控制因素:(1)堰顶高程与下游水位之差;(2)防渗墙深度。堰顶高程与下游水位之差越小,地下水越容易进入量水堰;防渗墙深度约大,地下水越容易进入量水堰。

在下游水位为673.50 m时,量水堰高程为675.0 m和674.5 m时,量水堰防渗墙深度分别达到60 m和40 m,量水堰才能发挥预警作用,投资成本过高;量水堰高程为674.0 m时设计较浅的防渗墙量水堰即可发挥预警作用。

确定瀑布沟大坝坝后新增量水堰采用悬挂式防渗墙结构,防渗墙底部深入原河床地面线以下10 m,量水堰底高程为673 m,顶高程为674 m,实施过程中根据瀑布沟大坝下游新增设的六个长观孔测量水位变化和现场施工情况进行适当调整。