新疆ZG水電站覆蓋層上泄洪沖沙閘滲流計算分析評價

吉永軍

(新疆自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

1 概 述

水閘是水利工程建設中廣泛應用的一種水工建筑物，滲流是工程設計、施工以及安全運行的關鍵因素，地基滲流控制不當會導致閘壩發生滲流事故和破壞，從而誘發重大質量安全事故[1-4]。據統計，近40年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當導致失事的水閘和大壩，約占失事工程的25%[5-7]。另據不完全統計，國外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉陷太大或滑動等因素導致的[8-9]。因此，河道段深厚覆蓋層上建筑物的滲流控制成為目前設計階段研究內容重要部分。滲流分析為選擇合理滲流控制措施以及評價閘壩工程的安全可靠性提供必要的依據[10-12]。滲流分析一般采用分段法、改進阻力系數法以及有限元法進行計算。分段法是一種計算任意地下水系統水流和壓力的近似解析方法。改進阻力系數法通過簡化基礎區域并進行劃分，計算出各個分段的沿程阻力系數，再進行求和得出閘室各段滲流要素[2]。有限元法的解算原理是把計算區域離散為有限個單元，求解結點處的插值點，求出各個結點滲流要素[13]。ABAQUS軟件被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，其滲流模塊能夠求解多孔介質的飽和滲流、非飽和滲流及二者的混合問題[14-15]。計算過程中可以考慮流體重力的作用，并能夠求解流體總體的孔隙壓力或超孔隙壓力，滲透定律可采用達西定律或更廣泛的非線性定律。

本文采用大型商用該軟件ABAQUS，建立泄洪沖沙閘、連接板、防滲墻、護坦的三維滲流有限元計算模型，通過滲流模塊研究泄洪沖沙閘在設計階段滲流控制情況[15-18]。

2 工程概況

ZG水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規劃梯級開發中的第1級電站，為引水式電站，其上游為阿爾塔什水利樞紐，下游為恰木薩水電站。ZG水電站位于新疆喀什地區莎車縣霍什拉甫鄉境內，攔河樞紐距廠房9 km，廠房距莎車縣約97 km。目前，工程區右岸沿現有道路可達莎車縣霍什拉甫鄉，霍什拉甫鄉現有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區左岸利用甘加特溝道路可達阿爾塔什進場道路，可至莎車縣；左右岸施工對外交通比較便利。

水庫正常蓄水位1 611 m，正常蓄水位相應庫容1 656.1×104m3；死水位1 608 m，死庫容1 045.1×104m3，調節庫容611×104m3，工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。泄洪沖沙閘的主要任務是：①泄洪，保證攔河引水樞紐運行安全；②沖沙，確保發電引水閘和生態電站進水口門前清。進口底板高程1 595.00 m，河床平均底高程為1 594.5 m，略高于河床底高程0.5 m，以利于汛期泄洪沖沙。

泄洪沖沙閘共設20孔胸墻式水閘，孔口尺寸4.0 m×4.0 m(寬×高)。壩0+344.88 m～壩0+456.58 m段共布置18孔，采用三孔一連的結構長度為18.6 m，共分為6個結構段。壩0+519.20 m～壩0+533.00 m段布置2孔。閘進口底板高程1 595.00 m，閘頂高程1 614.30 m。考慮閘門啟閉空間及閘墩頂部交通等因素，閘室長度取21 m，為C25、F300鋼筋混凝土結構，底板厚2.0 m，中墩厚1.8 m，三孔一連閘室邊墩厚1.5 m，兩孔一連閘室邊墩厚2.0 m，泄洪沖沙閘標準橫剖面圖見圖1。泄洪沖沙閘防滲系統為防滲墻+連板板+閘室，防滲墻深度覆蓋層底部入巖1 m，具體防滲結構大樣見圖2。

圖1 泄洪沖沙閘標準橫剖面圖

圖2 泄洪沖沙閘防滲系統大樣

3 基本地質條件

ZG水電站壩址區位于西昆侖山東部中低山區，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉為較順直段，流向近北東向。壩址為寬U形河谷，左岸有Ⅰ～Ⅳ級階地分布，Ⅲ、Ⅰ級階地分布不連續，Ⅱ、Ⅳ級階地分布相對而言較連續，總體坡度在30°～35°，地形相對較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°～55°。現代河床500 m左右，發育漫灘、心灘。河床覆蓋層為第四系沖積砂卵石，最大厚度55 m為深厚砂礫石覆蓋層，主要為砂卵礫石層夾有多層缺細粒充填卵礫石(強滲層)，為強透水層。

4 有限元計算模型

根據規范要求[19]，水閘地基在各種運用情況下均應滿足滲透穩定的要求。由于本工程的泄洪沖沙閘位于深厚覆蓋層上，閘室屬于軸對稱結構，根據泄洪沖沙閘結構和覆蓋層等條件，模型向左右岸延伸40 m，順河向上下游延伸至80 m，深厚砂礫石覆蓋層55 m，向下延伸30 m至基巖層，左右兩側及底部為不透水邊界。在確定上述模型邊界下，建立本工程三維滲流有限元網格模型，見圖3，結點總數為20 688個，單元總數為14 887個。護坦結點總數為1 806個，單元總數為1 220個，防滲墻結點總數為2 184個，單元總數為1 500，以上所有單元類型均為C3D8P單元，滲流應力耦合單元。

圖3 泄洪沖沙閘段模型的有限元離散圖

4.1 計算工況

通過三維滲流分析，確定閘室底部覆蓋層浸潤線及其下游出逸點的位置及出逸比降，同時繪制覆蓋層等勢線分布圖，估算整個覆蓋層滲流量。對應水庫各個特征水位為，正常蓄水位1 611.00 m時，下游水位為1 595.00 m；設計洪水位1 611.27 m時，下游水位為1 600.08 m；校核洪水位(P=0.1%)1 612.96 m時，下游水位為1 600.81 m。

4.2 有限元計算方法及成果分析

根據以往工程及現場試驗，模型中泄洪沖沙閘、連接板層、防滲墻、覆蓋層、基巖滲流計算參數見表1。

表1 模型材料參數表

4.3 計算結果及結論

通過二維穩態滲流計算閘室覆蓋層在有防滲墻時的正常蓄水位、設計水位以及校核水位時，出逸點及基礎滲透比降均小于砂礫石的允許滲透比降，正常運行工況最大滲流量為3.3×10-5m3/s·m，閘室平均寬度350 m，可估最大滲流量為1.2×10-2m3/s。設計洪水位最大滲流量為1.8×10-5m3/s·m，閘室平均寬度350 m，可估最大滲流量為6×10-3m3/s。校核洪水位最大滲流量為1.9×10-5m3/s·m，閘室平均寬度350 m，可估最大滲流量為7×10-3m3/s。正常蓄水位工況、設計水位工況、校核水位工況覆蓋層滲透比降均小于允許比降，因此泄洪沖沙閘及覆蓋層在各個工況下的滲透穩定均能滿足允許比降要求要求，計算成果見表2。上述3種工況滲漏量均很小，表明防滲系統的防滲效果較好。各個蓄水位泄洪沖沙閘基礎等勢線、孔隙壓力、速度矢量場分布符合一般滲流規律，現只列出正常蓄水位泄洪沖沙閘與基礎的滲流要求計算成果圖，見圖4-圖6。

表2 穩定滲流期計算結果表

圖4 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎等勢線(單位：m)

圖5 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎孔隙壓力(單位：kPa)

圖6 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎流速矢量場(單位：m/s)

5 結 論

本工程為Ⅲ等中型工程，對整個地區經濟貢獻較大。鑒于深厚覆蓋上防滲墻+連接板+泄洪沖沙閘滲流問題對整個工程安全運行至關重要，通過大型商用軟件ABAQUS滲流模塊對該段泄洪沖沙閘進行三維有限元滲流分析，得出各個工況下閘室基礎覆蓋層等勢線、孔隙壓力、速度矢量場、出逸點比降等水利要素的分布情況及整個斷面的滲漏量等成果，可以清晰地對結構、地基的滲透穩定性及單寬和整體滲漏量進行評價。同時，通過有限元法計算分析此類工程，為今后研究閘壩類工程的滲透穩定性及滲漏量提供借鑒。