蓄水過程中水電站壩基穩(wěn)定性分析

楊昌興

（黃平縣重安片區(qū)水務(wù)站,貴州 黃平 556100）

1 引言

水利設(shè)施包含了水電站、水壩、水文監(jiān)測站等一系列水工建筑,集水力發(fā)電、抗旱抗洪、旅游運(yùn)輸、畜牧灌溉于一體。水利設(shè)施的每一部分都在日常生活中扮演著重要角色[1-2],因此水利設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行對于保障整體系統(tǒng)具有重要作用,其中壩基作為今年來出現(xiàn)事故最多的位置[3-4],其穩(wěn)定性是衡量一處水利設(shè)施安全性能的主要指標(biāo)。基于此,不少學(xué)者通過不同方法對大壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析預(yù)測[5]。

本文以某地水電站為研究對象,考慮壩基不同部位的滲流狀態(tài),依托滲流監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù),對蓄水過程中的水電站防滲排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究評價(jià)。

2 工程概況

某水電站主要由攔河壩、泄洪、發(fā)電機(jī)組等主要設(shè)施構(gòu)成,其中攔河壩壩體頂部高程約為866 m,正常蓄水位為808 m,最大容量為198.71 億m3。發(fā)電站內(nèi)安裝有14 臺(tái)12.5 萬kW發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘靠蛇_(dá)15000 MW,年平均發(fā)電量約為609 億kW?h。水庫會(huì)進(jìn)行階段性蓄水,從2021年4 月進(jìn)行蓄水至最高值后回落至2022年年初的記錄值790 m。

水壩所在的河流流域洪峰期平均為3 天,5年平均降雨量為1128 mm,其中在汛期時(shí)的降水量為全年降雨量的68%,5年內(nèi)最大降雨量為1997 mm,5年中最小降雨量為711 mm。5年中水壩平均流量為63 m3/s,5年中的最大流量為2591 m3/s,最小流量為15.8 m3/s。水壩所處區(qū)域位于河谷地帶,且上下游地形落差較大。壩區(qū)地層為第四系覆蓋層,覆蓋層厚度約為18 m~64 m 范圍,覆蓋層主要由坡殘積物（Q4edl）和沖洪積物（Q4pal）構(gòu)成,其地層構(gòu)成主要包含黏土、卵石、粉質(zhì)黏土。

水利樞紐的防滲帷幕由三部分構(gòu)成,分為基礎(chǔ)帷幕、廠房帷幕和二道壩防滲。從整體上看壩體左岸分別在6 個(gè)不同的高程上設(shè)置了6 層灌漿孔洞,右岸同樣在6 個(gè)不同高程設(shè)置6 層灌漿孔洞。壩體的三排帷幕灌漿集中在以壩基為準(zhǔn)500 m 以下的高程中,其中三排帷幕中中層屬于主要帷幕。主要帷幕孔洞底部的高程為500 m,其余兩層副帷幕的深度均為主要帷幕深度的7/10。

壩體的排水主要分為大壩基礎(chǔ)排水和水墊塘排水。大壩基礎(chǔ)排水的排水模式為引流排水,而水墊塘排水的方式主要為抽排。大壩基礎(chǔ)排水的排水系統(tǒng)構(gòu)成分為止水帷幕、集水井及泵房。其中排水帷幕設(shè)置為2 層,其中第一層排水帷幕的布置方式為在壩體左右岸同時(shí)設(shè)置5 個(gè)不同高程的排水洞；第二層排水帷幕的布置方式為在500 m 高程下的區(qū)域設(shè)置兩排間距為1.5 m 的排水孔洞,其中排水孔洞同樣分為主孔洞及副孔洞,副孔洞的深度為主孔洞的7/10。

3 研究方法

在大壩修建完成并開始蓄水后,由于存在高低水頭差,水庫中的水土?xí)詨位皦渭缰械能浫踅Y(jié)構(gòu)作為滲流通道發(fā)生滲流。隨著滲流通道的逐漸擴(kuò)張,造成的滲漏不僅使庫區(qū)水體流失,還會(huì)影響發(fā)電效益,此外通過滲透水流產(chǎn)生的揚(yáng)壓力會(huì)對壩體的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。

在此條件下,該水電站采取防滲為主并結(jié)合排水的形式,為了對壩體在蓄水過程中的防滲效果及穩(wěn)定性進(jìn)行分析,分別對壩基蓄水過程中的滲流量、降雨量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。壩基滲流量的獲取方法主要通過將壩體分割為如圖1 所示的1-31壩段后,將量水堰分別布設(shè)在各個(gè)具有代表性的壩段內(nèi)。如壩基處的量水堰布設(shè)在19、20 號壩段的排水廊道之中用以監(jiān)測11~24 號壩段的排水流量。降雨量監(jiān)測：在壩區(qū)的左右岸及河床壩基處分別設(shè)置3 個(gè)降雨量監(jiān)測點(diǎn),主要采用虹吸式雨量計(jì),持續(xù)記錄降水量和降水時(shí)長數(shù)。水位線監(jiān)測：在大壩上下游各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn),采用壓力式水位計(jì)對壩區(qū)蓄水前后的水位線變化進(jìn)行持續(xù)觀測。滲流量、降雨量及水位線觀測時(shí)間從2021年1 月持續(xù)至2022年2 月截止。

圖1 壩體分段剖面圖

對于滲透流量的監(jiān)測,根據(jù)量水堰的監(jiān)測結(jié)果如實(shí)記錄；對于虹吸式雨量計(jì)監(jiān)測的降雨量結(jié)果,由于設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn),根據(jù)3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)取其平均值作為最終降雨量；根據(jù)壓力式水位監(jiān)測的蓄水前后水位線的變化情況,對壩體上下游水位線變化情況分別記錄為上游水位線和下游水位線數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

4.1 壩基滲流分析

通過1年的持續(xù)觀測,將獲取的河床壩基處的滲流量及降雨量觀測數(shù)據(jù)繪制成河床壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖,見圖2。

圖2 河床壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖

從圖中可以看出,在蓄水前由于需要將部分排水孔進(jìn)行封閉,因此在蓄水前河床壩基的總滲流量呈現(xiàn)出下降的趨勢,總體滲流量降至330 L/min,而在蓄水完成則需將部分排水孔開放,因此從2021年4 月開始蓄水至2021年10 月,河床壩基總滲流量呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢,最大滲流量達(dá)1225 L/min。通過對比上游水位的變化趨勢可以看出：上游水位與河床壩基總滲流量的相關(guān)性較為密切,變化趨勢大致相當(dāng),而降雨量則對河床壩基總滲流量影響較小,說明滲流總量的變化主要與上游水位相關(guān)。

為了進(jìn)一步分析降雨量及上游水位與滲流量的關(guān)系,分別對左右岸的滲流量進(jìn)行監(jiān)測,并繪制左右岸壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖,見圖3。從圖中可以看出,對比于壩基總滲流量,左右岸兩側(cè)的滲流量較小,其中左岸最大滲流量為360 L/min,而右岸的最大滲流量為90 L/min。且滲流量較大時(shí)間段均對應(yīng)于降雨量集中時(shí)間段,左右岸的滲流量分布規(guī)律大致相同,但左岸滲流量遠(yuǎn)大于右岸滲流量,可能原因在于左右兩岸的地形地質(zhì)分布不同,而致使流量不均。上述結(jié)果表明：降雨量對左右岸兩側(cè)的滲流量影響較大。

圖3 左右岸壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖

4.2 壩基滲透壓分析

水流滲透通過壩基位置時(shí),產(chǎn)生的滲透壓力會(huì)降低壩體的抗滑穩(wěn)定性,因此在考慮滲流量影響的基礎(chǔ)上還需對壩基的滲透壓力進(jìn)行分析。通過在不同壩段及不同高程灌漿孔洞上布設(shè)滲壓計(jì)來對壩基及兩岸的滲透壓力分布情況進(jìn)行分析研究。折算后的各壩段壩基地下水左右岸方向分布圖見圖4。

圖4 折算后的各壩段壩基地下水左右岸方向分布圖

從圖中可以看出,各個(gè)壩段的水位相較于庫區(qū)上游水位均較低,且越靠近壩段中部位置,水位越低,靠近兩側(cè)水位則越高,總體呈現(xiàn)出二次拋物線的變化趨勢。當(dāng)水流通過壩基位置的排水孔時(shí),各段的折算后的水位均低于排水廊道的底板。此現(xiàn)象表明：壩基排水孔能夠降低壩基位置的壓降。

考慮到壩基軟弱面處的抗變形能力差、遇水劣化等特點(diǎn),因此需要針對此部分進(jìn)行滲透壓力監(jiān)測,其監(jiān)測手段仍然采用滲壓計(jì),選用PYC3-1 和PZC3-1-1 兩種滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測,其中PYC3-1 安裝于26 號壩段（右岸）,PZC3-1-1 安裝于4號壩段（左岸）,根據(jù)檢測結(jié)果繪制滲壓計(jì)監(jiān)測下的水位與上游水位變化趨勢圖,見圖5。

圖5 滲壓計(jì)監(jiān)測下的水位與上游水位變化趨勢圖

從圖5 可以看出,PYC3-1 滲壓計(jì)水位隨時(shí)間的變化趨勢監(jiān)測到的4 號壩段水位線與上游水位變化趨勢大致相當(dāng),此結(jié)果表明壩基左岸壩基部位位置處的水流滲透較為活躍,上游水位與下游水位聯(lián)系能力較強(qiáng),因而使得分布于左岸的壩基的軟弱層可能為庫區(qū)水的滲透提供滲透通道,而導(dǎo)致左岸滲透壓力大的原因可能在于左岸壩基錯(cuò)動(dòng)帶與庫區(qū)水的連通能力較差,且針對左岸的滲控措施未能有效發(fā)揮到控滲作用,使得軟弱地層為左岸壩基滲透提供了一定的通道；PZC3-1-1滲壓計(jì)水位隨時(shí)間的變化趨勢與上游水位變化趨勢相關(guān)程度不如PYC3-1,但總體上仍然趨近一致,此結(jié)果表明左岸壩基的滲水能力較高,因此左岸軟弱層結(jié)構(gòu)可能為庫區(qū)水滲漏造成一定影響。

4.3 壩段滲流分析

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,做出了如圖6 所示的折算后的17 號~19 號段壩基地下水分布圖。從圖中可以看出,對于帷幕前的折算水位,18 號壩段明顯低于17 號與19 號壩段,但灌漿廊道、基礎(chǔ)排水廊道等帷幕后的折算后水位又高于17號及19號壩段。此現(xiàn)象表明：18 號壩段的灌漿效果較17 號及19 號壩段的灌漿效果差,從而導(dǎo)致庫區(qū)水流經(jīng)防滲帷幕的薄弱處向外滲流,使得17 號和18 號壩段在蓄水前的各段滲流量相對較高。

圖6 折算后的17 號~19 號段壩基地下水分布圖

圖7 所示為蓄水前后的各壩段滲流量占比示意圖,從圖中可以看出,在蓄水前17 號壩段的滲流量最高,18 號壩段次之,但在蓄水后16 號壩段的滲流量最高,15 號壩段次之,兩個(gè)壩段的滲流總量占其余壩段的50%左右,此二者均相鄰于18 壩段,因此上述結(jié)果表明各壩段蓄水前后的滲流量與相鄰壩段較為密切。

圖7 蓄水前后的各壩段滲流量占比示意圖

5 結(jié)論

1）水庫上游水位與河床壩基總滲流量的相關(guān)性較為密切,變化趨勢大致相當(dāng),降雨量對河床壩基總滲流量影響較小,但左右岸滲流量與壩基總滲流量不同,表現(xiàn)為與降雨量呈現(xiàn)密切相關(guān)趨勢。

2）壩區(qū)的控滲系統(tǒng)主要通過壩基處設(shè)置排水孔的形式來降低水壓。

3）左岸壩基的滲水能力較高,因此左岸軟弱層結(jié)構(gòu)可能為庫區(qū)水滲漏造成一定影響,建議加強(qiáng)左岸壩基滲漏監(jiān)測。