燕云水電站重力壩壩基滲透穩定影響分析

徐 彬，盧發周，李巖松

（1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210022；2.淮安市水利勘察設計研究院有限公司，江蘇 淮安 213001）

燕云水電站重力壩壩基滲透穩定影響分析

徐 彬1，盧發周1，李巖松2

（1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210022；2.淮安市水利勘察設計研究院有限公司，江蘇 淮安 213001）

以擬建燕云水電站重力壩為例，采用有限元法計算了壩基在水位下降過程中的應力應變特性，研究了在水位下降過程中壩基破壞模式、抗滑穩定系數、滲流場和壩基垂直有效應力分布等4個方面的變化趨勢。結果表明：上游水位下降對該重力壩壩基破壞模式影響顯著，上游水位較高時為表層滑動，死水位時為淺層滑動；水位下降還將導致重力壩抗滑穩定系數增大，壩基最大滲流速度和滲漏量也逐漸降低，壩基防滲墻底部最大垂直有效應力逐漸增大，壩趾垂直有效應力則逐漸減小，壩踵應力水平均較低，不存在受拉現象，滿足規范要求。研究成果對工程建設的順利開展有一定指導意義。

水電站；重力壩；有限元法；壩基滲流；穩定系數

1 工程概況

規劃擬建燕云水電站位于四川省阿壩州松潘縣燕云鄉境內，屬岷江河右岸一級支流開發的第一級，電站主要任務是防洪和發電。電站由首部樞紐、輸水系統、廠區樞紐三大部分組成。水庫總庫容82萬m3，屬?。?）型水庫，為碾壓混凝土重力壩。大壩壩軸線長125m，最大壩高25m，壩頂寬4.5m，背坡1∶0.7，迎水面垂直。為了防止壩基滲流，設計了混凝土防滲墻，深入透水性較弱的新鮮基巖2m。

在大壩設計過程中，由于考慮了重力壩壩體上游不同水位工況下壩基底部巖體內的滲流作用，特別是進行地基承載力計算時需同時考慮孔隙水壓力的影響，這給大壩設計過程中的穩定性驗算帶來困難。為此，本文提出采用有限元法為計算方法，從該重力壩壩體的破壞模式、抗滑穩定系數、滲流場分布和壩基垂直有效應力分布等4個方面分析上游不同特征水位時重力壩的應力應變特性，為該重力壩工程的設計和后期施工提供借鑒和參考。

2 滲流理論、模型構建及計算工況

2.1 滲流理論

根據達西（H.Darcy）［1-3］在垂直圓管中裝砂進行的滲透試驗，發現滲透量Q除了與斷面面積A直接成正比外，其正比水頭損失hw，反比于滲徑長度L，滲透坡降J為hw與L的比值，引入決定土粒結構和流體性質的一個滲透系數k，則達西滲透定律為：

2.2 模型構建

計算選取該工程水電站重力壩最大設計斷面進行建模分析，斷面最大壩高25m，壩頂寬4.5m，背坡1∶0.7，迎水面垂直。為克服重力壩模型邊界效應的影響，設置重力壩模型壩基長55m，高16m，模型包含3種巖體材料，表層為碎石土，中部為微透水泥巖層，底部為新鮮砂巖層。本文初始應力考慮自重應力，由于缺乏初始地應力資料，故暫不考慮巖層中的初始地應力。

先在CAD中建立好模型，再導入有限元軟件PLAXIS.V.B中進行計算，巖體材料模型為修正摩爾—庫倫模型，考慮了巖體間非線性特性，修正的摩爾—庫倫彈塑性模型可以模擬應力增量隨應變逐漸減小的硬化現象，更符合實際情況。

為保證計算結果準確可靠，對模型進行有限元網格劃分時，將壩體與壩基及防滲墻附近巖體網格進行加密處理，模型含778個單元，7426個節點，如圖1。

圖1 重力壩模型

依據工程地質勘查巖芯取樣及室內試驗結果，得到重力壩模型各部分有限元計算力學參數。一般情況下巖石滲透系數很小，常規計算可以忽略不計。但由于本文主要研究對象是重力壩壩基的滲透穩定，因此需考慮壩基巖石的滲透作用。根據燕云電站現場鉆孔的壓水試驗結果，可以獲得重力壩壩基各巖層的呂榮值（q），呂榮值可定義為1MPa壓力作用下1m試段內每分鐘注入1L水量（L/min）。根據壓水試驗的呂榮值，換算得到壩基各巖層的滲透系數。由于本文研究對象為壩基，因此暫不考慮大壩壩體的滲透性。重力壩和壩基有限元計算力學參數如表1。

表1 重力壩和壩基有限元計算力學參數

重力壩壩基模型中設有防滲墻，位于壩踵下游1m，深度5m，單獨采用PLAXIS軟件中的板單元進行模擬，為彈塑性材料，且具有不透水性質，重力壩壩基中的防滲墻厚度1m。軟件中板單元兩側設置界面單元，用于模擬防滲墻與巖體間的相互接觸作用［4-7］。

2.3 計算工況

重力壩壩基穩定計算工況主要包括上游蓄水位從校核洪水位開始，下至設計洪水位、正常蓄水位和死水位等4種水位工況。4種不同工況上、下游水位設置如表2。

表2 各計算工況水位設置 單位：m

3 結果分析

3.1 破壞模式及穩定

隨著重力壩上游水位的逐漸下降，靜水壓力和壩基揚壓力隨之減小，重力壩壩基抗滑穩定性也將隨之改變。文中采用PLAXIS軟件中自帶的有限元強度折減法［11-13］（極限破壞板塊）計算，得到了重力壩上游水位從校核洪水位降低至設計洪水位、正常蓄水位和死水位時壩基的破壞模式，結果如圖2。

分析發現：①當校核洪水位、設計洪水位和正常蓄水位3種水位時，重力壩壩基的破壞模式基本相同，滑裂面為折線形，滑裂面起于上游壩踵以上5m處，終止于從下游壩基，剪切出口距離壩趾10m，且均屬于表層滑動；②當水位降低至死水位時，滑裂面為圓弧形，圓弧起于上游壩踵以上2m處，中間與泥巖層和砂巖層分界線相切，從壩趾下游10m處剪出，此時的重力壩壩基破壞模式屬于淺層滑動。

圖2 壩基極限破壞模式

由于本工程地質上不存在軟弱結構面時，故在計算過程中未發生深層滑動問題，與實際情況一致。

綜上表明：上游水位下降對于重力壩壩基破壞模式存在顯著影響，上游蓄水位較高時為表層滑動，上游蓄水位較低時為淺層滑動。為定量表述不同工況下重力壩壩基的穩定性大小，根據重力壩壩基極限破壞時有限元法穩定計算結果，得到了4種特征水位下重力壩的抗滑穩定系數，如圖3。

圖3 抗滑穩定系數

分析可知，隨著上游水位降低，重力壩抗滑穩定安全系數有增大的趨勢，在校核洪水位時穩定系數為2.89，大于DL5018—1999《碾壓混凝土重力壩設計規范》（下文簡稱規范）允許值［2.8］，水位降低至設計洪水位和正常蓄水位時安全系數分別為3.05和3.18，大于規范允許值 ［3.0］，而在死水位時安全系數為5.06。

造成以上結果，是隨著重力壩上游蓄水水位的下降，壩體受水平向右的推力也同時減小，相應的揚壓力和滲流力也相應減小，故重力壩壩基抗滑穩定性大大提高，抗滑穩定系數逐漸增大。

3.2 滲流

圖4給出了水位下降過程中壩基滲流流速分布情況。從圖4和圖5可以看出，大壩壩趾位置的滲流流速最大，且水位的下降將導致最大滲流流速的減小，校核洪水位時最大滲流速度9.72×10-6m/d，設計洪水位時最大滲流速度9.55×10-6m/d，正常蓄水位時最大滲流速度9.39×10-6m/d，死水位時降至4.22×10-6m/d。說明隨著重力壩上游蓄水位的降低，壩基最大滲流速度也逐漸降低。

進一步分析圖5中的滲流路徑，可以發現滲流軌跡線繞過防滲墻，滲徑得到延長，有效的降低了壩趾附近的單寬滲流量，說明本次設計的防滲墻是合理的。

圖4 不同特征水位壩基滲流流速

圖5 正常蓄水位時壩基滲流矢量

3.3 應力

重力壩壩基應力計算主要計算各巖層的垂直應力，并與地基允許承載力進行比較。由于各工況均考慮了水壓力作用的影響，地基巖土內存在孔隙水壓力，故應力計算按照有效應力進行設置。本文規定有效應力中拉應力為正，壓應力為負。

圖6給出了4種特征水位下重力壩壩基的垂直有效應力分布情況，可知各工況時最大的垂直有效應力均分布在防滲墻底部一定范圍內巖體上，說明設置的防滲墻可有效傳遞壩體的應力至新鮮砂巖層，從而降低了中部泥巖受力。

圖6 不同特征水位壩基垂直有效應力

（1）在校核洪水位時，最大垂直有效應力612.09kPa，壩底部最大垂直有效應力位于壩趾，為450kPa，越往上游壓應力越小。

（2）在設計洪水位時，最大垂直有效應力653.17kPa，壩底部最大垂直有效應力位于壩趾，為400kPa，越往上游壓應力越小。

（3）在正常蓄水位時，壩基防滲墻底部最大垂直有效應力增大到720.85kPa，壩底部最大垂直有效應力區位于壩趾以上4m長的區域，為350kPa。

（4）當上游水位降低至死水位時，壩基防滲墻底部最大垂直有效應力增大到1.13MPa，遠遠大于以上3種工況，但小于砂巖的允許承載力2.1MPa，故設計滿足地基承載力要求。

分析結果表明：隨著上游蓄水位的逐漸降低，壩基防滲墻底部最大垂直有效應力逐漸增大，壩趾垂直有效應力則逐漸減小，壩踵應力水平均較低，但不存在受拉現象，滿足規范要求。

4 結語

本文選取擬建燕云水電站重力壩為計算案例，研究了重力壩在上游蓄水位下降過程中壩基破壞模式、抗滑穩定系數、滲流場分布和壩基垂直有效應力分布等4個方面的變化趨勢，得到以下結論：

（1）上游水位下降對于該重力壩壩基破壞模式影響顯著，上游水位較高時為表層滑動，降低至死水位時為淺層滑動，水位下降將導致重力壩抗滑穩定系數增大。

（2）隨著重力壩上游蓄水位的降低，壩基最大滲流速度和滲漏量也逐漸降低。滲流軌跡線繞過防滲帷幕，滲徑得到延長，有效地降低了壩趾附近的單寬滲流量。

（3）隨著上游蓄水位的逐漸降低，壩基防滲墻底部最大垂直有效應力逐漸增大，壩趾垂直有效應力則逐漸減小，壩踵應力水平均較低，但不存在受拉現象，滿足規范要求。

（4）驗證了燕云水電站重力壩在不同水位下的滲透穩定性均滿足規范要求。

［1］毛昶熙.滲流計算分析與控制［M］.北京：中國水利水電出版社（第二版），2003.

［2］趙振興，何建京.水力學［M］.北京：清華大學出版社，2010．

［3］DRUCKER D C，PRAGER W.Soil mechanics and plastic analysis in limit design［J］.Quarterly of Applied Mathematics，1952，10（2）：157－165.

［4］汪亞超，方國寶，陳小虎，等.混凝土重力壩抗滑穩定實時分析方法［J］.人民長江，2013，44（20）：37-41.

［5］盧坤林，朱大勇.武都水庫壩基深層抗滑穩定性評價中BD角的合理取值［J］.水利水電科技進展，2012，32（3）：35-38.

［6］吳杰芳，張林讓，陳震.混凝土重力壩深層抗震抗滑穩定分析研究［J］.長江科學院院報，2010，27（6）：58-61.

［7］田娟娟.基于有限元強度折減法的復雜地基重力壩抗滑穩定分析［J］.甘肅水利水電技術，2016，52（5）：26-30.

［8］王河，王志鵬，李永剛.基于有限元超載—折減綜合法的重力壩深層抗滑穩定性分析［J］.水電能源科學，2016，34（2）：65-68.

［9］孫偉，龐俊蕊，蘇龍，等.重力壩深層抗滑穩定強度折減彈塑性有限元法［J］.人民黃河，2014，36（1）：107-108.

［10］ZIENKIEWICS O C，HUMPHESON C，LEWIS R W.Associated and non-associated visco-plasticity and Plasticity in soil mechanics ［J］.Geotechnique，1975，25（4）：671-689.

［11］劉樹林，強菲，聶守智.勉縣地質災害分布與影響因素的相關性分析［J］.水利與建筑工程學報，2017，15（1）：165-170.

［12］趙川，劉小容.碎石土壓重對基坑邊坡穩定性影響數值模擬［J］.水利科技與經濟，2016，22（12）：57-59.

［13］宋丹青.水庫蓄水對庫岸邊坡穩定性的影響［J］.水資源與水工程學報，2015，26（5）：192-196.

Influence research on foundation stability of a concrete gravity dam of water level drop of Yanyun Hydropower Station

XU Bin1，LU Fa-zhou1，LI Yan-song2
（1.Nanjing Water Conservancy Planning Design Institute Co，Ltd，Nanjing 210022，China；2.Huaian Water Survey and Design Institute co.，LTD，Huaian 213001，China）

In order to study the foundation stability influence of gravity dam when upstream water level dropped，taking the Yanyun hydropower station dam as an example，the stress and strain characteristics of dam foundation in the process of water level decline is calculated by finite element method，we research four aspects of change trends during the water level decline：dam failure mode，the anti sliding stability，seepage field and the stress distribution of dam foundation vertical effective stress.The results show that the upstream water level decreased has significant influence on the dam foundation failure mode，the surface is sliding when the upstream water level higher，the shallow is sliding when at the dead water level；water level decline will lead to increase the anti sliding stability coefficient of gravity dam，dam foundation seepage and leakage rate is gradually reduced，the maximum vertical effective stress gradually increase at the bottom of the dam foundation impervious wall，the dam toe vertical effective stress decreases，the dam heel stress level was low，but there is no tension phenomenon，can meet the requirements of specification.The research results have certain guiding significance for the smooth development of engineering construction.

hydropower station；gravity dam；finite element method；seepage；stability factor

TV642.3

B

1672-9900（2017）05-0088-05

2017-07-27

徐 彬（1981-），男（漢族），江蘇靖江人，工程師，主要從事水利工程項目管理工作，（Tel）18662707149。

（責任編輯：王艷肖）