基于有限元軟件SEEP/W對云南吊江巖水電站地下滲流情況的分析

秦乙洪,陳佳文，廖一天，辛 欣

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

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基于有限元軟件SEEP/W對云南吊江巖水電站地下滲流情況的分析

秦乙洪,陳佳文，廖一天，辛 欣

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

在水電工程建設中經(jīng)常遇到不良的地質條件，需要對其進行處理，以滿足建筑物對地基的要求。本文結合工程實例采用SEEP/W軟件進行滲流分析，提出了適合該工程的防滲措施，可供該工程參考。

地基處理；滲流分析；防滲措施

眾所周知，在水利水電工程建設中，經(jīng)常會遇到不良的地質條件，防止不同條件下地基的滲漏是正在研究的重要課題。壩基滲漏又稱壩下滲漏，是指由于水庫蓄水后導致水庫上、下游水頭差，使水庫中水沿壩基巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層等處向下游滲漏的現(xiàn)象[1]。壩基的滲漏不僅會降低水庫的綜合效益，增大對壩底的揚壓力，而且還可能引起壩基巖上體潛蝕，導致壩基失穩(wěn)[2]，引發(fā)難以估計的損失與后果[3]。本文選擇云南碩多崗河吊江巖水電站作為分析指標，采用有限元軟件SEEP/W對壩基進行分析和計算[4]，提出了相應的防滲方案，并比較了方案的優(yōu)缺點，選取了適合本工程的最佳防滲方案，結果可為該工程壩基地下防滲措施的選擇提供有力依據(jù)，可供參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

云南碩多崗河吊江巖水電站是在此河流上建筑規(guī)劃的第四個梯級水電站，建設地點位于云南迪慶州香格里拉縣虎跳鎮(zhèn)，該電站為單一發(fā)電工程。

整個混凝土閘壩坐落在沖積層上，初步擬定的基礎防滲措施是采用帷幕灌漿與混凝土防滲墻相結合的垂直防滲方式，防滲墻底高程2519 m，厚度0.6 m，最大高度19 m，左右岸帷幕灌漿廊道長度分別為20 m和60 m。

1.2 地層巖性

第四紀(Q4)：由坡崩積層和沖積層組成，總厚度大約為3.70～15.30 m。坡崩積層主要為混合土碎石和碎石混合土；沖擊層主要為卵石混合土、級配不良砂和粉土質砂[5]。從上而下描述如下：

第一層混合土碎石：廣泛分布于兩岸邊坡及坡腳處，主要成分為灰?guī)r、板巖，其余為粉土和粘土，厚度大于150 m；第二層碎石混合土：碎石混合土分布較少，成分為板巖，其余為粉土及砂，稍濕，結構松散，厚度大約為20～70 m；第三層混合土卵石：該層混合土卵呈中密狀態(tài)，漂石含量較少，卵石含量較多，礫石含量約20%～30%，其余為砂，成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主，厚度大約為30～50 m；第四層粉土質砂：粘粒含量和礫石含量較少，砂含量約較多，粉粒含量約22.0%，呈可塑狀態(tài)，厚度大約為80～150 m;第五層混合土卵石：第五層混合土卵石呈密實狀態(tài)，卵石含量約占大部分，礫石含量約20%～30%，其余為砂，其成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主。

2 巖(土)體物理力學參數(shù)

巖(土)體物理力學參數(shù)見表1、表2。

表1 壩基各巖石(體)的物理力學參數(shù)建議值

表2 壩址土體物理力學參數(shù)建議值表

3 地基滲流分析

3.1 計算時的邊界條件及材料參數(shù)

上游水位正常蓄水位高程為2563.30 m，下游無水高程為2540.8 m，故上游的水深為22.5 m。計算區(qū)域：左邊距離上游壩趾15 m，右邊距離下游壩趾27 m，地面距離弱風化板巖底部29.5 m，其中上游壩趾距離縱坐標軸20 m，下游壩趾距離縱坐標軸53 m，弱風化板巖底部與橫坐標軸重合。

根據(jù)工程參考資料對地基進行分區(qū)，由地面從上至下依次分別為：混合土卵石1層，粉土質砂層，混合土卵石2層，強風化板巖層，弱風化板巖層。為研究上游有水作用時的滲流情況,此處將大壩的澆注材料混凝土也作為一種材料。具體材料對應的參數(shù)如下表3。

表3 地基材料分區(qū)及其對應參數(shù) m·s-1

3.2 有限元軟件SEEP/W建模及結果分析

SEEP/W 是一款巖土體滲流分析軟件，可以分析從簡單的飽和問題到復雜的非飽和問題，穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流。軟件可以定義滲透各項特性，通過瞬態(tài)分析，可以得出不同時刻、不同點的孔隙水壓力分布狀況。工程無防滲措施時總水頭曲線點選圖見圖1、總水頭變化分布圖見圖2。

由圖1可知地基下滲的水絕大多數(shù)從混合土卵石1層流出，且沒從壩體滲漏。由圖2知總水頭值沿程下降，在壩底下降的比較均勻。

由圖3和圖4中的總水頭曲線圖可以看出總水頭呈現(xiàn)沿程逐漸下降的趨勢，最大值52 m，最小值29.5 m。

圖1 總水頭曲線點選圖

圖2 總水頭變化分布圖

圖3 總水頭曲線點選圖

圖4 總水頭曲線圖

根據(jù)表2有混合土卵石的允許滲透坡降為0.07～0.12，由圖5和圖6混合土卵石1層滲透坡降圖表明，該地層最大滲透坡降為0.67，不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理[6]。

根據(jù)表2粉土質砂的允許滲透坡降為0.05～0.07，由圖7和圖8粉土質砂層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為1.62，不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理。

根據(jù)表2混合土卵石的允許滲透坡降為0.07～0.12，由圖9和圖10混合土卵石2層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.33，顯然不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理。

圖5 混合土卵石1層坡降曲線點選圖

圖6 混合土卵石1層坡降曲線圖

圖7 粉土質砂層坡降曲線點選圖

圖8 粉土質砂層坡降曲線圖

圖9 混合土卵石2層坡降曲線點選圖

圖10 混合土卵石2層坡降曲線圖

根據(jù)資料查得板巖的允許滲透坡降為7×10-11～1.6×10-10，由圖11和圖12強風化板巖層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.27，顯然不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理[7]。

根據(jù)資料查得板巖的允許滲透坡降為7×10-11～1.6×10-10，由圖13和圖14弱風化板巖層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.25，顯然不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理。

圖11 強風化板巖層坡降曲線點選圖

圖12 強風化板巖層坡降曲線圖

圖13 弱風化板巖層坡降曲線點選圖

圖14 弱風化板巖層滲透坡降曲線圖

4 防滲排水方案的初步擬定

本工程防滲排水設計采用上堵下排的設計原則。

(1)防滲設計。為防止庫水外滲與壩基出現(xiàn)滲漏破壞，初步擬定采用上游防滲墻與兩岸灌漿帷幕組成的垂直防滲體系。為防止壩體不均勻沉陷對防滲墻產(chǎn)生的拉裂等不利影響，在閘室及擋水壩段上游設一寬5 m、厚3 m的混凝土段短鋪蓋，混凝土防滲墻設于上游擋水壩段地基以下。根據(jù)地質建議防滲墻深入相對不透水層1.0 m(防滲標準為q≤5 Lu)，底高程2519 m，墻厚0.6 m。

(2)排水設計。為將滲流安全的導向下游和減小閘基下游的滲透壓力，在泄洪閘和沖砂閘下游的護坦底部設置3級配的反濾層。濾層厚度0.6 m，由下至上依次為0.2 m中粗砂、0.2 m砂礫石及0.2 m碎石，并在護坦末端齒墻下游回填砂卵石防止出口的滲透破壞。

(3)防滲型式比選。本工程基礎直接建在河床沖積層砂礫石上，故基礎防滲型式對工程投資和運行安全等影響比較大。因此本階段對全帷幕灌漿帷幕防滲和混凝土防滲墻2種防滲型式進行比選，比選情況見表4。

5 結 論

(1)經(jīng)分析比較，全帷幕防滲及帷幕加上防滲墻的防滲措施均適用于本工程，就防滲效果而言，方案一全帷幕灌漿防滲方案在砂礫石地基層中防滲效果較差。相比之下，方案二帷幕結合混凝土防滲墻的方案更適合本工程。

(2)全帷幕防滲方案靜態(tài)總投資為401.9萬元，而帷幕結合防滲墻防滲方案靜態(tài)總投資555.73萬元。全帷幕防滲方案較省，但相對工程投資而言，兩個方案投資差別不大。

(3)綜合以上兩點考慮，更注重防滲效果，本工程推薦選用帷幕結合防滲墻的方案。

[1] 黃海鴻，楊小平.基礎工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 龔曉南.地基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 彭弟，潘殿琦，李海礁，等.地基處理新技術及發(fā)展趨勢[J].長春工程學院學報，2007(3)：1-4.

[4] 郭繼武.建筑地基與基礎[M].北京：高等教育出版社，1990.

[5] 毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[6] 王華俊.錦屏二級水電站閘基深厚覆蓋層滲流分析與控制研究[D].成都：成都理工大學，2005.

[7] 江春波，安曉謐.二維非恒定滲流的有限元并行計算[J].水科學進展,2004，15(4):454-457.

[8] 武漢水利電力學院，土力學及巖石力學[M].北京：中國水利水電出版社，1982.

Analysis based on SEEP/W software subsurface seepage Hanging Rock River hydropower station in Yunnan

QIN Yihong,CHEN Jiawen,LIAO Yitian,XIN Xin

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

There are many poor geological conditions in the construction of hydropower project , in order to meet the demand of the buildings foundation, we need to deal with it.This paper analysis of Seepage by an engineering examples combined with SEEP/W software.Proposed anti-seepage measures reference for the this project.

foundation treatment;seepage analysis;seepage control measures

三峽大學科研創(chuàng)新基金(SDYC2016004)

秦乙洪(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

P641.2

A

2096-0506(2016)11-0009-05