桓仁抽水蓄能電站上庫庫區(qū)滲流場三維有限元分析

孫 博

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和居民日常生活用電量的增加[1]，目前我國電力的發(fā)展并不能滿足人民的用電需求，所以找到更加有效的發(fā)電手段，成了我國能源部門接下來的主要任務(wù)。事實(shí)證明，抽水蓄能電站是一種十分高效的發(fā)電裝置[2]，能很好地提供電能。隨著抽水蓄能電站的不斷發(fā)展，我國的電力需求逐漸得到滿足。

在抽水蓄能電站中，要對上庫區(qū)[3]的滲流破壞重點(diǎn)對待，上庫一般缺乏天然徑流[4]，上庫區(qū)大部分要直接接受水壓力的作用，整個樞紐工程的安全穩(wěn)定都與滲流問題有關(guān)。滲流問題不僅會造成上庫庫區(qū)的嚴(yán)重滲漏和經(jīng)濟(jì)損失，還會對其它水工建筑物產(chǎn)生非常不利的滲透壓力，也可能引起壩基壩址的滲透變形破壞，對抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定造成十分不利的影響。如果不能及時引起相關(guān)人員的重視并進(jìn)行處理，必將危及到抽水蓄能電站的整體穩(wěn)定性[5]。因此，在抽水蓄能電站的設(shè)計中，首先要求工程設(shè)計人員必須熟練掌握滲透規(guī)律，并對工程已經(jīng)產(chǎn)生的滲流問題進(jìn)行分析治理來防止災(zāi)難的發(fā)生。本文將以桓仁抽水蓄能電站上庫工程為實(shí)例，具體分析滲流破壞對抽水蓄能電站上庫區(qū)的影響，并試圖找到可以解決滲流破壞的辦法。

1 工程概況

桓仁抽水蓄能電站建于遼寧省桓仁縣內(nèi)，上庫建于桓仁水庫近壩庫區(qū)左岸通天溝內(nèi)，下庫使用之前建成的桓仁水庫，水庫距離桓仁縣4km遠(yuǎn)。上庫正常蓄水位463.00m，死水位432.50m，電站裝機(jī)容量800MW。上水庫最大庫容為1816×104m3，安全等級為二等大⑵型工程，主要建筑物級別為2級，主壩按1級建筑物設(shè)計[6]。主壩為面板堆石壩，壩軸線方位角NW316°45′36″，壩頂高程為466.20m，最大壩高106.00m，壩頂長為632m[7]；副壩為混凝土重力壩，最大壩高14.50m，壩頂高程為465.80m，壩頂長402m。主要建筑物地震設(shè)計烈度為6度。

上庫區(qū)東挨桓仁水庫，西邊臨近渾江，上庫區(qū)地形如圖1所示。上池庫區(qū)為一三面環(huán)山的洼地，庫周分水嶺總長約2.1km，分水嶺厚一般為200～400m，最厚為800m，最薄處僅100m左右?？傮w來看，除北側(cè)牤牛哨溝埡口外，庫盆封閉條件尚好。但庫外由于渾江河谷深切，上庫東、西、北三面臨空，多呈陡崖地形，分水嶺多不寬厚，加之陡崖卸荷裂隙發(fā)育，地下水排泄條件較好，地下水位普遍埋藏較深[8]，因此，水庫滲漏問題較突出。

圖1 桓仁上庫地形與樞紐圖

2 上庫防滲帷幕布置優(yōu)化分析

為了比較各工況下上庫區(qū)防滲系統(tǒng)的防滲效果，提出防滲帷幕合理的優(yōu)化布置方案，利用飽和滲流理論[9]和有限元原理[10]等理論方法，建立上庫運(yùn)行期三維有限元模型，分析上庫運(yùn)行期滲流場的變化規(guī)律。通過對庫盆和壩體滲透流量和滲透坡降的分析，得到了不同帷幕條件下的帷幕所能達(dá)到的防滲效果。這里考慮的運(yùn)行期是指上庫蓄水后上庫區(qū)形成穩(wěn)定滲流場。

2.1 三維有限元計算模型

運(yùn)行期計算模型規(guī)劃范圍，如圖2所示。

圖2 運(yùn)行期模型規(guī)劃范圍及部分控制面

基于桓仁抽水蓄能電站上庫天然期地下水有限元模型，運(yùn)行期有限元模型又加入了很多新的結(jié)構(gòu)，包括開挖、主壩、副壩、防滲帷幕、庫底回填和防護(hù)及庫岸排水廊道等結(jié)構(gòu)。建立模型時，各主要建筑物均按實(shí)際尺寸考慮。按照水工建筑物的位置、地層巖性和模型需求，設(shè)置控制面14個。根據(jù)這14個控制面離散出超單元結(jié)構(gòu)[11]，這個超單元結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)個數(shù)為1352，超單元個數(shù)為933；接著精確劃分形成有限元網(wǎng)格，剖分成的有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)個數(shù)為31545，單元個數(shù)為30106。上庫區(qū)有限元型網(wǎng)格如圖3所示，垂直防滲帷幕、主壩混凝土面板、基礎(chǔ)排水體和壩體等上庫主要結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 上庫主要結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格圖

運(yùn)行期模型中提到的計算參數(shù)，均參考工程概況、水文地質(zhì)資料和相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合天然地下水滲流場反演分析確定。

(1)壩基巖體各層滲透參數(shù)，見表1。

(2)壩體各料區(qū)滲透參數(shù)，見表2。

(3)帷幕灌漿幕體滲透系數(shù)，見表3。

表1 壩體各料區(qū)滲透參數(shù)

表2 壩體各料區(qū)滲透參數(shù) 單位：m/s

表3 帷幕灌漿幕體滲透系數(shù)

2.2 計算工況

為了分析推薦方案的合理性及對推薦方案進(jìn)行優(yōu)化分析，確定多組對比工況進(jìn)行防滲帷幕布置分析，詳細(xì)計算工況見表4。計算分析各工況滲流場的位勢分布和滲流量大小，其中上庫庫水位取正常蓄水位463.00m，校核洪水位463.80m，下游水位為270m。

表4 防滲帷幕布置優(yōu)化計算工況

經(jīng)三維有限元計算，對典型剖面的關(guān)鍵位置進(jìn)行比對分析，各剖面位置見表5。繪制等勢線剖面的位置如圖5所示。

圖5 等勢線剖面位置示意圖

序號坐標(biāo)樁號部位A#(-762.3,724.2)(804.1,-969.2)壩右0+281.67壩體中央B#(1037.8,-793)(949.1,355.4)—庫盆中央

2.3 上庫區(qū)滲流場特性分析

各工況下，由運(yùn)行期上庫區(qū)地下水位等值線如圖6所示，壩體及庫周剖面地下水位勢分布如圖7～11所示。

圖6 不同工況下地下水位等值線圖(單位：m)

圖7 SSK- 11工況位勢分布圖

圖8 SSK- 1工況位勢分布圖

圖11 SSK- 14工況位勢分布圖

上庫區(qū)滲流場擁有較為明確的位勢規(guī)律，左岸庫周地下水位略低于正常蓄水位，并且在無防滲帷幕的情況下，水位線分布比較稀疏，說明存在比較嚴(yán)重的滲漏問題。兩壩肩和右岸庫周地下水位低于正常蓄水位，因而庫內(nèi)的水通過左右?guī)彀稘B向左右岸庫周巖體內(nèi)。地下水主要通過兩岸壩肩及右岸部分巖體滲向下游。

各工況下面板防滲體系削減水頭作用明顯，帷幕上游側(cè)地下水位勢抬升，通過面板的滲漏水能夠及時被粗砂層和墊層排走，并未在壩體中形成飽和區(qū)，因而浸潤面很低未經(jīng)過上部壩體，僅在底部靠近建基面附近的覆蓋層內(nèi)通過。由于左岸庫周地下水高于右岸庫周，因此庫盆區(qū)滲流場也隨之不對稱，右岸壩肩地下水變化較快，巖體內(nèi)滲透坡降較大，左岸壩肩地下水位變化較慢，巖體內(nèi)滲透坡降較小。

在正常蓄水位作用下，正常設(shè)計工況(工況SSK- 1)，帷幕削減水頭作用明顯，且帷幕下游庫底透水帶作用明顯，因而在帷幕下游并未形成承壓區(qū)，地下水流受防滲帷幕阻滲的影響，形成突降，浸潤面基本沿透水帶下降，地下水主要通過兩岸壩肩滲向下游。防滲帷幕深度整體縮短到5Lu工況(工況SSK- 12)、防滲帷幕深度整體縮短到10Lu工況(工況SSK- 13)和不設(shè)帷幕工況(工況SSK- 11)，帷幕防滲效果依次遞減，幕后水位逐漸增高，其中不設(shè)帷幕工況(工況SSK- 11)帷幕下游地下水位較高。

2.4 滲透坡降變化規(guī)律分析

由表6、7及各工況位勢分布圖可見，由于浸潤面很低并未進(jìn)入上部壩體，壩體堆石區(qū)幾乎全部處于非飽和狀態(tài)，因而此處僅重點(diǎn)分析防滲體的滲透坡降。地下水通過左右岸庫岸和庫尾庫岸補(bǔ)給上庫，因而有必要分析左右岸庫岸和庫尾庫岸巖體滲透坡降。其中，庫盆防滲帷幕為布置在庫盆中庫底防護(hù)料以下巖體內(nèi)的防滲帷幕。

表6 各工況下部分防滲體和庫岸巖體的最大平均滲透坡降表

表7 防滲帷幕的最大平均滲透坡降表

(1)面板滲透坡降計算結(jié)果表明,防滲帷幕布置的變化對面板滲透坡降幾乎沒有影響，面板滲透坡降維持在90.47左右，遠(yuǎn)小于允許滲透坡降200。這是因?yàn)獒∧徊贾玫淖兓緦γ姘搴蟮叵滤粵]有影響，且面板上最大作用水頭不變，帷幕布置的變化對面板的滲流性態(tài)幾乎沒有影響。

(2)庫盆防滲帷幕在設(shè)計方案(工況SSK- 1)庫盆防滲帷幕的最大平均坡降為5.53，出現(xiàn)在主壩壩基防滲帷幕線中點(diǎn)處，與防滲帷幕整體縮短(工況SSK- 12、工況SSK- 13)相比，各工況防滲帷幕的縮短使得其最大平均滲透坡降都略有減小。而(工況SSK- 14)的滲透帷幕深度雖然比設(shè)計方案(工況SSK- 1)長，最大平均滲透坡降卻跟設(shè)計方案(工況SSK- 1)相差不大，綜合成本施工難度考慮還是設(shè)計方案(工況SSK- 1)更加優(yōu)化。各工況下壩基的最大平均滲透坡降均小于允許滲透坡降，滿足滲透安全穩(wěn)定性要求。

(3)壩肩防滲帷幕在設(shè)計方案(工況SSK- 1)下，壩肩防滲帷幕最大平均滲透坡降在左右岸分別為7.93和2.74；相比防滲帷幕整體縮短(工況SSK- 12、工況SSK- 13)，防滲帷幕的縮短使得其最大平均滲透坡降都有減小。而(工況SSK- 14)的滲透帷幕深度雖然比設(shè)計方案(工況SSK- 1)長，最大平均滲透坡降卻跟設(shè)計方案(工況SSK- 1)相差不大，綜合成本施工難度考慮還是設(shè)計方案(工況SSK- 1)更加優(yōu)化。帷幕滲透系數(shù)的改變對最大平均滲透坡降的影響較大。各工況下壩肩防滲帷幕滲透坡降均小于允許滲透坡降，滿足安全滲透穩(wěn)定性要求。

(4)正常蓄水位情況下(工況SSK- 1)，庫岸巖體最大平均滲透坡降為0.239；相比防滲帷幕整體縮短(工況SSK- 12、工況SSK- 13、工況SSK- 14)，防滲帷幕的縮短使得其最大滲透坡降基本不變。各工況下庫岸最大平均滲透坡降均小于允許滲透坡降，滿足滲透安全穩(wěn)定性要求。

2.5 滲透流量變化規(guī)律分析

帷幕深感性分析，研究帷幕深度與庫盆滲漏量之間規(guī)律，實(shí)現(xiàn)帷幕深度優(yōu)化設(shè)計。壩基帷幕按照設(shè)計固定值深度不變，僅對庫周的防滲帷幕深度進(jìn)行比較。計算在原地下水分布初始條件下進(jìn)行。敏感性分析，共包括3個工況，分別將帷幕按1、5、10Lu滲透線控制。下面將計算結(jié)果與參考結(jié)果(僅壩基帷幕和100m帷幕)進(jìn)行比較，見表8及如圖12所示。

表8 帷幕深度敏感性分析結(jié)果

圖12 不同帷幕深度布置庫盆滲漏量柱狀圖

結(jié)果表明，水庫滲漏量與帷幕深度呈負(fù)相關(guān)，既隨帷幕深度增大而減小。因?yàn)?00m埋深以下巖體的透水率基本都可以達(dá)到1Lu以下，所以帷幕全部100m時滲漏量與帷幕做到1Lu滲透線比較接近，說明帷幕深度控制在1Lu滲透線已經(jīng)足夠。

上庫區(qū)滲流場排布規(guī)律明確，庫水通過庫周滲向庫外。上庫區(qū)滲流場擁有較為明確的位勢規(guī)律，左岸庫周地下水位略低于正常蓄水位，并且在無垂直帷幕的情況下，水位線分布比較稀疏，說明存在比較嚴(yán)重的滲漏問題。左岸庫周地下水位低于正常蓄水位，兩壩肩和右岸庫周地下水位也均彽于正常蓄水位，因而庫內(nèi)的水通過左右?guī)彀稘B向左右岸庫周巖體內(nèi)。地下水主要通過兩岸壩肩及右岸部分巖體滲向下游。面板削減水頭作用明顯，防滲帷幕深度和滲透系數(shù)的變化對其影響不大。隨著防滲帷幕深度的變化，左右岸壩肩和庫盆的防滲帷幕變化較大，當(dāng)防滲帷幕深度達(dá)到設(shè)計方案(SSK- 1)要求的深度時，防滲效果最好，若繼續(xù)增加防滲帷幕深度則影響不大，故防滲帷幕設(shè)計方案是最優(yōu)方案。

3 結(jié)語

通過上述分析可以看出在桓仁抽水蓄能電站上庫防滲帷幕推薦方案的基礎(chǔ)上，改變防滲帷幕的深度，發(fā)現(xiàn)隨著帷幕深度的縮短，帷幕防滲效果變差，幕后水位增高，帷幕最大平均滲透坡降有所減小，面板滲透坡降基本不變。說明了帷幕灌漿的效果好壞對防滲效果有直接的影響。綜上所述，上庫防滲推薦方案可以滿足防滲要求，其設(shè)計在技術(shù)上是合理的，且設(shè)計方案是防滲帷幕布置的最佳方案。

本文只是單純的從滲流角度去分析桓仁抽水蓄能電站上庫庫區(qū)滲流場，未能考慮應(yīng)力場對滲流場的影響，今后還應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力場與滲流場耦合等問題的研究，以便獲得更精確的滲流特性結(jié)果，為工程設(shè)計、施工提供更好的支持。