西藏雅魯藏布江某電站左岸階地滲流計算分析

吳喜江, 李院忠, 王義偉, 李 輝

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

西藏雅魯藏布江某電站左岸階地滲流計算分析

吳喜江, 李院忠, 王義偉, 李 輝

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

西藏雅魯藏布江中游河段電站目前處于加速開發階段,藏木下游河谷兩岸階地覆蓋層厚度較大,范圍較廣,待開發電站均存在深厚覆蓋層的繞壩滲漏及滲透穩定問題,在進行防滲方案設計時,由于覆蓋層透水性強,垂直河道的水力坡降較小,其防滲帷幕線難以延長至正常蓄水位線與地下水位搭接處。因此,采用達西定律和三維有限元兩種方法對該電站的繞壩滲漏及滲透穩定問題進行分析計算,研究討論防滲帷幕線的長度及深度,從而確定左岸階地的防滲型式,以期對西藏地區同類型的水電站建設有借鑒意義。

階地;深厚覆蓋層;繞壩滲漏;滲透穩定;防滲帷幕線;雅魯藏布江

1 概況

雅魯藏布江是西藏最大的一條河流,具有豐富的水力資源,主要集中在雅魯藏布江干流中游河段。目前,中游河段規劃推薦了11級開發方案。以藏木為界,下游河谷地貌類型為寬谷地貌,河床類型為彎曲河床。由于落差相對小,流速較慢,河道搬運能力相對較弱,沉積物多,側蝕作用較強,河谷寬廣,成U型,河床物質以卵、礫、砂等粗顆粒物質為主,最大厚度達100 m以上。

目前,國內加大了對雅魯藏布江中游河谷段的水電開發力度。某電站的壩址即位于藏木下游的寬谷中,采用混合式開發,水庫正常蓄水位為3 206 m,攔河壩為混凝土重力壩,最大壩高為60 m,壩長304 m,壩頂高程為3 210 m。

電站壩址區雅魯藏布江河道呈緩弧狀,河流流向由SE95°轉至NE65°。枯水期江水面高程3 169.2 m,水面寬100～150 m。河漫灘、河心灘不發育。壩址區左岸發育有Ⅲ級與Ⅳ級階地,Ⅰ級與Ⅱ級階地缺失。Ⅲ級階地地面高程3 202～3 226 m,河高34～58 m,分布范圍較廣,寬約880 m;Ⅳ級階地地面高程3 248～3 283 m,分布范圍較廣,寬1 000～1 200 m。壩址右岸為基巖山坡,坡度一般為30°～60°。

由于壩址左岸覆蓋層范圍廣、厚度大,且以粗顆粒物質為主,故壩址的繞壩滲漏及滲透穩定問題較為突出,對于工程安全、工程進度、工程投資都有重大影響,因此,需重點研究深厚覆蓋層的滲透特性及防滲方案。

2 壩址區基本地質條件

① 含漂砂卵礫石:主要分布于河床,厚度5～15 m。漂石含量10%～20%,次磨圓—磨圓狀,粒徑20～40 cm,成分以花崗巖為主;卵石含量20%～30%,次磨圓—磨圓狀,粒徑6～20 cm,成分以花崗巖為主;礫石含量30%～40%,粒徑1～6 cm,次磨圓—磨圓狀,成分以花崗巖、千枚巖為主;砂含量10%～20%。

② 中粗砂:主要分布于江左岸階地表部,厚度5～15 m,層底高程約為3 195 m,低于正常蓄水位約11 m。灰白色,干,結構松散—稍密,中粗砂含量60%～80%;礫石含量10%～20%,粒徑以2～5 mm為主,次磨圓—磨圓狀,成分以花崗巖、礫巖、千枚巖為主;漂石及卵石含量10%～20%,最大粒徑50 cm,次磨圓—磨圓狀,成分以花崗巖為主。

圖1 某電站壩軸線工程地質剖面圖Fig.1 Profile of engineering geology of axle in a power station dam

②-1砂質粉土:灰—黃褐色,干,結構松散,系風成,含有機質及植物根系。主要分布于江左岸階地表部,厚度0.5～3.0 m。

③ 漂卵石:主要分布于左岸階地上部,層頂高程為3 195～3 205 m,厚度25～60 m。雜色,漂石含量30%～40%,次磨圓—磨圓狀,粒徑20～460 cm,成分以花崗巖為主;卵石含量20%～30%,次磨圓—磨圓狀,粒徑6～20 cm,成分以花崗巖為主;礫石含量20%～30%,粒徑1～6 cm,次磨圓—磨圓狀,成分以花崗巖、千枚巖為主;砂含量10%～20%。

④ 混合土碎石:主要分布于左岸階地深部,第③層之下,結構中密—密實,在左岸Ⅲ級階地部位層頂高程3 160～3 172 m,厚度20～50 m;左岸Ⅳ級階地部位層頂高程3 170～3 187 m,厚度50～60 m。黃褐色—灰色,碎石含量50%～80%,上部碎石含量較高,局部為孤石,下部碎石含量較低,塊徑1～30 cm,上部碎石以棱角—次棱角狀為主,下部碎石磨圓度較好,成分均以花崗巖、石英顆粒及千枚巖為主;其余為砂。

第④層混合土碎石內部發育④-1、④-2、④-3等3層透鏡體,其中,④-1層為砂質粉土,④-2、④-3為含細粒土砂。分別描述如下。

④-1砂質粉土:黃褐色,稍濕—濕,結構松散—稍密。主要分布于左岸距離河床約200 m處、第④層之上,鉆孔揭露發育高程為3 164.7～3 167.7 m,呈透鏡體狀,厚度0.5～3.0 m。

④-2含細粒土砂:主要分布于河床至左岸階地300 m范圍內,發育高程3 130～3 160 m,厚度10～30 m,結構稍密。土黃色,砂含量60%～70%;礫石含量20%～30%,塊徑一般0.2～2 cm,棱角—次棱角狀,成分以花崗巖為主;粉土及粘土含量一般5%～10%。

④-3含細粒土砂:顏色及組成物質與④-2一致。主要分布于左岸階地距離江邊約200 m處,呈透鏡體狀,發育高程3 122～3 129 m,鉆孔揭露厚度為6.3 m。

壩址區出露的基巖地層主要為三疊系姐德秀組,巖性以石英千枚巖為主,夾少量的千枚巖及白云石片巖,覆蓋層下伏基巖基本以弱—微風化巖體為主,屬弱—微透水性。

地下水主要分為基巖裂隙水和第四系松散地層孔隙潛水兩種類型。工程區基巖裂隙水較貧乏,接受大氣降水及冰雪融水的補給,向河谷排泄。第四系松散地層孔隙潛水主要賦存于河谷谷底分布的階地內,接受大氣降水的補給,向河流排泄。

左岸階地覆蓋層滲透性較好,根據鉆孔的地下水位長期觀測資料顯示,地下水年最高水位基本出現在8月,年最低水位出現在3—4月,水位變幅較小,變化范圍在2.7～7.3 m之間。

對左岸階地鉆孔地下水位進行了一個水文年的觀測,Ⅲ級階地地下水位(距離江邊0～950 m):由河床至距離江邊0～200 m范圍地下水位高程為3 167～3 170 m,埋深一般35～40 m,地下水位高程基本與河水面高程一致或略高于河水面;距離江邊200～315 m范圍內地下水位抬高較為明顯,由3 168 m抬高至3 180.60 m(枯水期水位);距離江邊315～700 m范圍內地下水位變化較小,高程為3 180.60～3 184.54 m(枯水期水位),埋深15～25 m;距離江邊700～950 m范圍內地下水位高程隨著地表高程變化而抬高,地下水位由3 184.54 m抬高到3 188.93 m(枯水期水位)。Ⅳ級階地:向山里階地方向地下水位逐漸抬高,由3 188.93 m(枯水期水位)至3 206.93 m(枯水期水位),推測地下水位高程抬高至3 206 m時與江邊距離約為1 050 m。左岸階地的地下水水力坡降為3.52%。

3 滲流計算

壩址區河床處覆蓋層厚度較薄,根據水工建筑物布置方案,河床處覆蓋層已挖除,除左岸擋水壩段外,其他壩段均坐落于基巖上,因此,繞壩滲漏及滲透穩定問題僅出現在左岸階地。壩址區左岸階地左壩肩向山里方向200 m范圍內覆蓋層厚度為65～92 m,距離左壩肩200～500 m范圍內覆蓋層厚度為65～75 m,距離左壩肩500～700 m范圍內覆蓋層厚度為75～90 m。

根據現場勘察資料,提出了壩址區左岸階地覆蓋層的滲透系數及允許水力坡降(表1)。

本文采用了達西定律和三維有限元兩種方法對左岸階地進行了滲流計算,對比研究討論防滲帷幕線的長度及深度,從而推薦左岸階地的防滲型式。

表1 左岸階地覆蓋層滲透系數一覽表

3.1 達西定律方法

3.1.1 繞壩滲漏計算

由圖2可以看出,壩址區左岸Ⅲ級階地較平坦,地面高程略高于正常蓄水位,庫水基本分布于左壩肩延長線附近,長度約675 m。

圖2 壩址區左岸繞壩滲漏計算示意圖Fig.2 Sketch map of seepage calculation on the left bank around the dam

水庫正常蓄水位為3 206 m,庫水外滲溢出點高程為3 169 m,水頭為37 m,滲漏途徑為150～825 m,覆蓋層厚度為80 m,具體計算情況見表2。

Q=K·F·I

式中:Q為滲漏量,m3;K為滲透系數,取值1.5×10-1cm/s,即1.5×10-3m/s;I為水力坡降;F為滲漏面積。

由表2可以看出,左岸階地繞壩滲漏量為7.22 m3/s,即62.38×104m3/d。

根據上述公式,在防滲深度進入弱風化基巖一定深度的基礎上,針對不同的防滲帷幕線長度分別計算繞壩滲漏量(表3)。

雅魯藏布江多年平均流量為1 030 m3/s。由計算結果可知,在防滲深度進入弱風化基巖的基礎上,左岸階地防滲長度在100～600 m時,相應的繞壩滲漏量為4.83～0.39 m3/s,占多年平均流量的4.69‰～0.38‰,其中,防滲長度為400 m時,繞壩滲漏量占多年平均流量的1.53‰。

3.1.2 滲透穩定問題

水庫蓄水后,壩前最大水頭抬高約37 m,在上下游水頭差作用下,壩基覆蓋層存在滲透穩定問題。根據試驗成果結合工程類比,壩址區③漂卵石、④混合土碎石層滲透變形類型為管涌,④-2～④-3含細粒土砂層滲透變形類型為流土。

根據各層允許水力比降建議值,③漂卵石層所需滲流途徑為529 m,則在③漂卵石層內防滲墻長度需>529 m;④混合土碎石層所需的滲流途徑為308 m,則在④混合土碎石層內防滲墻長度需>308 m;④-2～④-3含細粒土砂層所需的滲流途徑為123 m,則在④-2～④-3含細粒土砂層內防滲墻長度需>123 m。

3.2 三維有限元方法[1]

目前,在裂隙巖體滲流計算方面主要有等效連續介質模型和非連續介質裂隙網絡模型等。等效連續介質模型基于多孔介質的滲流理論,一般根據常規的勘探資料即可獲得反映裂隙分布特征的統計類參數,并計算得到將巖體裂隙的滲透特性概化為巖體的滲透張量。從目前工程實際應用情況看,用等效連續介質模型研究分析發生在復雜巖體中的滲流問題,不僅可以較容易實現,而且能夠滿足工程應用的要求,較好地解決實際工程問題。因此,本工程研究巖體的滲流問題采用集主要導水斷層為一體的超等效連續介質模型。

表2 左岸階地繞壩滲漏量計算一覽表

表3 左岸階地不同防滲長度的繞壩滲漏量表

根據有限元計算原理、收斂準則以及邊界條件的處理方法,利用河海大學開發的“三維非穩定飽和—非飽和滲流有限元計算分析程序CNPM3D”進行三維有限元滲流計算。

根據滲流分析的一般原則,結合本工程地形和地質條件以及計算要求,確定計算模型范圍和邊界(圖3)。

圖3 計算模型截取范圍及剖面位置示意圖Fig.3 Sketch map of intercept range of calculation model and profile position

在綜合分析計算區域內的地形、巖層等特征的基礎上形成三維超單元網格。根據建筑物布置、巖體分層、斷層構造以及計算要求等信息,取控制斷面17個。首先形成三維超單元網格,其結點總數為1 465個,超單元總數為1 333個。加密細分后形成三維有限元網格,生成的有限元網格結點總數為64 388個,單元總數為59 060個。控制斷面位置如圖3所示,三維有限元模型網格如圖4所示。

圖4 三維有限元模型網格Fig.4 Grid of three-dimensional finite element model

3.2.1 天然地下水滲流場分析

采用基于三維有限元法的可變容差法反演分析地下水滲流場。首先,根據鉆孔地下水位資料,推測計算模型截取邊界處的地下水水位,確定初始邊界條件。不計降雨入滲等影響因素,按穩定滲流場考慮,計算壩址區的天然地下水滲流場,并比較地下水位的計算值和實測值,分析樞紐區地下水位的分布規律,以及地下水位計算值隨邊界地下水位變化的規律,逐步調整計算模型截取邊界處的邊界地下水位和計算模型的巖性分區、計算參數等;反復計算分析和調整,直到地下水位的計算值與實測值的偏差滿足工程精度要求(通常取5%),由此確定計算模型和天然滲流場,包括截取邊界的地下水位、計算模型的巖性分區和計算參數等。

通過上述方法,分析整理可得地下水位等值線圖及各選取剖面的位勢分布圖等,其中,地下水位等值線見圖5。

圖5 天然地下水位等值線圖Fig.5 Contour map of natural underground water level

3.2.2 蓄水后地下水滲流場分析

水庫蓄水后的滲流分析有限元模型的方法與建立天然地下水滲流場分析有限元模型的方法一致,不再贅述。

圖6 蓄水后三維有限元模型網格圖Fig.6 Grid chart of three-dimensional finite element model after impoundment

在天然地下水滲流場分析有限元模型的基礎上,蓄水后三維有限元模型增加了防滲墻、壩基帷幕、消力池底坎帷幕和左右導墻帷幕、泄水和引水建筑物等結構。首先在綜合分析計算區域內的地形、巖層、壩體等特征的基礎上,生成控制剖面20個,據此在計算區域內形成超單元結構,超單元總數為909個,結點總數為1 087個;然后進一步離散形成有限元網格,生成的有限元網格結點總數為45 853個,單元總數為42 859個。三維有限元模型網格如圖6所示。

3.2.3 計算工況

擬定以下工況進行計算分析(表4)。

表4 左岸防滲帷幕布置方案計算工況

3.2.4 計算成果分析

經三維有限元法計算,選取部分剖面進行分析整理,各工況條件下左岸繞壩滲透流量見表5,各工況下左岸階地覆蓋層各層的最大滲透坡降見表6。

表5 各工況下計算域內各部分的滲透流量

表6 覆蓋層各分區最大滲透坡降表

由計算成果可以看出,在繞壩滲漏量方面,FSQ-1方案(防滲帷幕線長度500 m,深入基巖1 m)繞壩滲漏量略大,占多年平均流量的2.41‰,其余方案繞壩滲漏量均較小。

在滲透穩定方面,FSQ-1方案(防滲帷幕線長度500 m,深入基巖1 m)的覆蓋層(③、④層)滲透坡降大于允許滲透坡降,FSQ-5(防滲帷幕線長度700 m,深度50 m)的覆蓋層(③層)滲透坡降大于允許滲透坡降,不能滿足要求,其余方案均能滿足滲透穩定要求。

3.3 兩種計算方法對比

根據達西定律方法進行滲流計算,在防滲長度為400 m、深度計入基巖時,繞壩滲漏量為1.58 m3/s,占多年平均流量的1.53‰,基本可滿足防滲要求。當考慮滲透穩定問題時,由于③漂卵石層所需滲流途徑為529 m,則在③漂卵石層內防滲長度需>529 m,因此,綜合兩方面原因,考慮到安全因素,采用達西定律方法進行計算時,左岸階地防滲范圍為左壩肩—左岸550 m、深度進入弱風化基巖1～2 m。

根據三維有限元滲流計算結果,FSQ-1與FSQ-5方案較差,FSQ-2～FSQ-4及FSQ-6方案繞壩滲漏量較小,且能滿足滲透穩定要求。考察FSQ-2～FSQ-4及FSQ-6方案,防滲帷幕線深度需>50 m,且當防滲帷幕線深度為70 m、長度為650 m時,③漂卵石層的滲透坡降為允許滲透坡降的上限值,因此,結合分析成果,FSQ-2方案(防滲帷幕線長度700 m,深度70 m)較為合適。或在FSQ-6方案(防滲帷幕線長度700 m,深度進入基巖1 m)的基礎上,減小防滲帷幕線長度,但需>500 m,以保證滲透穩定安全。

對比兩種計算方法,其結果較為接近,在防滲帷幕線深度進入基巖的條件下,左岸階地防滲長度在550～700 m之間,但三維有限元滲流計算方法得出的防滲范圍略大。

4 結語

西藏雅魯藏布江發育歷史悠久,上新世—早更新世喜馬拉雅山抬升,水流開始匯聚在喜馬拉雅和岡底斯兩個造山帶之間,雅魯藏布江開始形成[2]。在雅魯藏布江的中游河段,階地發育,覆蓋層厚度較大,滲漏和滲透穩定問題突出。當在這些階地進行滲流計算時,采用三維有限元方法難度較大,尤其是預可研階段,難以進行復雜的三維有限元滲流計算,這時可采用較為簡便的方法進行初步分析,例如達西定律等,其獲得的結果與三維有限方法較為接近,差別不大,可供制定類似工程防滲方案的參考。

[1] 沈振中.西藏雅魯藏布江某工程三維滲流計算分析與地下水環境影響評價研究[R].南京:河海大學水利水電學院,2015.

[2] 祝嵩.雅魯藏布江加查段河流地貌對構造運動和氣候的響應[J].地球學報,2011,32(3):349-356.

(責任編輯：陳文寶)

Seepage Calculation and Analysis of Terraces on Left Bank ofA Hydropower Station of Yarlung Zangbo River in Tibet

WU Xijiang, LI Yuanzhong, WANG Yiwei, LI Hui

(PowerChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

The power plants at middle reaches of the Yarlung Zangbo river is currently in the accelerating development stage,it has a large thickness and wide distribution of overburden of terraces on both sides of the valley downstream of Zangmu,all the power plants to be developed present the probloms of around the dam leakage and permeation stability of deep overburden. During impervious design,since the water permeability of overburden is strong,the hydraulic gradient which is perpendicular to the river is small,it is difficult to extend impervious curtain line to the intersection of normal water level and the groundwater table.Therefore,the authors use two methods of the Darcy’s law and three dimensional finite elementthe to analyze and calculate the around dam leakage and infiltration stability of the power station,study and discuss the length and depth of the impervious curtain line,to determine the seepage prevention type for the left bank terraces,in order to have reference significance for the construction of hydropower stations in Tibet which has the same type.

terraces; deep overburden; leakage around the dam; seepage stability,impervious curtain line; Yarlung Zangbo River

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

吳喜江(1981-),男,高級工程師,勘察技術與工程專業,從事水利水電工程地質工作。E-mail:sparklesnow@sina.com

TV223.4

A

1671-1211(2016)03-0379-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.031

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1532.040.html 數字出版日期:2016-05-05 15:32