長河壩水電站特高心墻堆石壩雙防滲墻滲流控制特性反演分析

2023-09-18 07:47:04王相烜劉得潭何傳凱張志銀黃章鑫徐力群

水利水電科技進展 2023年5期

王相烜,劉得潭,何傳凱,張志銀,黃章鑫,徐力群

(1.四川大唐國際甘孜水電開發有限公司,四川康定 626001; 2.大唐水電科學技術研究院有限公司,廣西南寧 530007; 3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098)

土石壩工程的滲流控制特性對其安全穩定運行至關重要[1-2],為保證土石壩滲流安全穩定,眾多學者對土石壩滲流問題進行了諸如監測資料分析、防滲系統方案比選與優化設計、數值計算模型參數確定、影響因素敏感性分析等一系列研究。宋錦燾等[3]引入正態分布和瑞利分布函數描述庫水位和降水量對土石壩滲流滯后的影響,同時采用智能算法求解模型參數,構建符合監測資料的滲流監控模型。王碩等[4]在保證某電站首部樞紐工程年滲漏量小于壩址多年平均徑流量5%的前提下,通過方案比選,提出了減小防滲帷幕一定深度以及縮短左右岸灌漿洞長度的設計優化方案,可有效降低防滲系統建設成本、縮短建設工期。王學武等[5]研究了覆蓋層上高土石圍堰防滲墻的設計深度,指出僅增加防滲墻深度并不經濟,建議對左右岸巖體進行帷幕灌漿。Tan等[6]利用人工智能算法IPSO反演得到了包括防滲帷幕在內的面板壩各分區材料的滲透系數。岑威鈞等[7-8]分別計算分析了防滲墻深度、覆蓋層深度和滲透性對土工膜防滲堆石壩滲流場的影響。Zhang等[9]以華陽河上一個土石壩為例,研究了滲漏量對防滲帷幕的深度和長度以及石灰巖層的滲透系數的敏感性。甘磊等[10]計算分析了土工膜不同缺陷位置、缺陷孔徑對膜下壓力水頭以及滲漏量的影響。

垂直防滲作為發展比較成熟的技術,在土石壩壩基覆蓋層防滲中被廣泛應用,其主要形式有混凝土防滲墻、灌漿帷幕和其他材料防滲墻等,同時,一些工程采用2道防滲墻防滲[1]。目前,針對雙防滲墻形式的研究集中在應力變形方面[11-13],滲流特性方面研究較少,且以單因素敏感性研究為主。徐穎等[14]針對瀑布溝礫石土心墻壩,研究了主、副防滲墻不同滲透系數組合以及墻下不同帷幕深度組合對壩基滲流場的影響。王正成等[15]通過物理試驗,研究了滲流量和出逸坡降在雙防滲墻不同深度組合以及不同間距下的變化。然而,單因素敏感性分析難以比較各因素間的敏感性強弱,因此可以通過設計正交試驗,實現多因素敏感性分析。目前,基于正交試驗的多因素敏感性分析方法在水利工程的結構、滲流等研究中被廣泛使用[16-20],這些研究均為合理選擇各自模型參數提供了重要依據。

長河壩礫石土心墻堆石壩壩址處覆蓋層最厚達79.3m,設計中采用2道全封閉混凝土防滲墻進行壩基防滲[21]。雙防滲墻相較于單防滲墻存在分擔阻擋水頭的現實問題,長河壩水庫蓄水后,大壩主防滲墻阻擋水頭比例遠大于設計階段的計算值。為更有目的性、針對性地反演材料滲流參數,本文將基于正交試驗的多因素敏感性分析法應用于長河壩雙防滲墻滲流控制特性研究中,定量判斷各材料滲透系數敏感與否,分析各材料滲透系數對壩基主、副防滲墻承擔水頭比例的敏感性強弱;然后將敏感性分析成果作為材料滲透參數反演的依據,擬合壩基滲流場,以期能為雙防滲墻工程滲流特性研究提供參考。

1 設計參數下長河壩滲流性態分析

1.1 工程概況

四川省甘孜州長河壩水電站位于大渡河干流上游金湯河口以下約4～7km河段。工程以單一發電為主,電站總裝機容量2600MW(4×650MW)。水庫正常蓄水位1690m,極限死水位1650m,正常蓄水位以下庫容10.15億m3,調節庫容4.15億m3,具有季調節性能。

樞紐建筑物主要由攔河大壩、引水發電系統、泄洪洞和放空洞等組成。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高240m,屬特高壩,心墻與上、下游壩殼堆石之間均設有反濾層、過渡層,防滲墻下游心墻底部及下游壩殼與覆蓋層壩基之間設有水平反濾層。覆蓋層設置主、副兩道全封閉混凝土防滲墻,主防滲墻布置于壩軸線平面,厚1.4m,副防滲墻位于主防滲墻上游,厚1.2m,兩墻凈距14m;覆蓋層以下壩基及兩岸基巖防滲采用灌漿帷幕防滲,主防滲墻下防滲帷幕伸入透水率小于等于3Lu的基巖不少于5m,副防滲墻下灌漿帷幕深度為30～40m,底部最低高程為1380m。大壩壩體典型剖面如圖1所示。

圖1 壩體典型剖面

1.2 有限元模型

根據滲流分析的一般原則和計算要求,結合工程的結構布置圖,構建三維有限元模型,如圖2所示。模型左岸截取至(縱)0-449.0m斷面,右岸截取至(縱)0+878.2m斷面,庫內上游邊界截取至(壩)0-850.1m斷面,河道下游邊界截取至(壩)0+709.1m斷面,底高程截取至建基面以下約2倍壩高處,底高程為972m。

圖2 三維滲流有限元模型

1.3 計算參數

三維有限元滲流計算參數主要根據檢測成果及地質提供參數建議值確定,防滲墻和防滲帷幕的滲透系數取其設計控制標準,各材料參數具體取值見表1。2021年9月20日至10月20日之間,庫水位變幅較小,取該時間段的上、下游平均水位作為滲流計算的已知水頭邊界,分別為1688.29m和1477.93m。

表1 壩基及壩體各分料區滲透系數

1.4 設計方案壩基滲流場分析

基于飽和-非飽和滲流理論,經有限元計算得到大壩滲流位勢分布如圖3所示,可以看到,副防滲墻與主防滲墻各阻擋約30%和70%的水頭。

圖3 設計方案最大斷面滲流位勢分布

1.5 現狀監測資料分析

為判斷大壩基礎防滲系統的工作效能,安全監測設計在壩(縱)0+213.72m、(縱)0+253.72m、(縱)0+303.72m樁號每個監測斷面主防滲墻后及主、副防滲墻之間各布置1支滲壓計,各樁號測點編號及具體位置見表2。

表2 壩基防滲墻滲壓計安裝位置

由圖4可知,主、副防滲墻之間的滲壓計(P13、P27、P41)測值在蓄水后出現了較大升高,且滲壓水頭基本受庫水位控制;主防滲墻后的滲壓計(P14、P9、P42)測值基本與下游水位相同,變化較小,說明大壩防滲系統整體防滲效果較好。2021年10月20日,在(縱)0+213.72m樁號,副防滲墻阻擋水頭比例為12.89%,主防滲墻阻擋水頭比例為86.61%;在(縱)0+253.72m樁號,副防滲墻阻擋水頭比例為11.29%,主防滲墻阻擋水頭比例為88.23%;在(縱)0+303.72m樁號,副防滲墻阻擋水頭比例為10.43%,主防滲墻阻擋水頭比例為88.92%。在設計階段,防滲墻厚度主要根據其阻擋水頭大小以及允許滲透坡降確定,主防滲墻實際阻擋水頭高于設計方案計算結果,對其滲透穩定不利。

圖4 壩基部分滲壓計測值過程線

2 敏感性分析

2.1 敏感性分析原理

對于多因素的敏感性分析,因素水平數一定時,如果窮舉試驗方案,那試驗方案將隨影響因素數量的增加而呈指數形式增多,計算每一個方案不現實。正交試驗則通過規格化的正交表挑選具有代表性的試驗,使因素和水平均勻分散、整齊可比,可有效減少試驗次數。正交表作為正交試驗的關鍵,是根據正交原理設計的規范化表格,用Ln(rm)表示,其中,L為正交表代號,n為試驗總次數,m為正交表的列數,即對試驗指標可能有影響的變量個數,r為因素的水平數,即每個因素可能處的狀態數。本文選用的L18(2×36)表示考慮7個變量,其中1個變量有2個水平(作為誤差列),6個變量有3個水平(研究6個材料滲透系數的影響),共需做18次試驗。正交試驗結果的分析常采用極差分析法和方差分析法。

極差分析法作為一種直觀分析方法,因計算簡單易懂而在正交試驗結果分析中被廣泛使用[19]。其通過計算各因素的極差Rj判斷因素的敏感性強弱,Rj越大,該因素對試驗指標的影響越大。

極差分析時,并未將各試驗方案結果間的差異分解為由因素水平變化引起的和試驗誤差引起的兩部分,也無定量的標準判斷該因素究竟敏感與否,而方差分析法可彌補這些缺陷[18]。方差分析法通過敏感性統計量Fj判斷因素敏感性強弱。當Fj>F0.01時,認為因素j對指標有非常顯著的影響;當F0.05≤Fj≤F0.01時,認為因素j對指標有顯著的影響;當Fj

(1)

其中

fj=r-1fe=r(q-1)

式中:Sj、Se分別為因素和誤差的變動平方和;fj、fe分別為因素和誤差的自由度;q為各水平重復的次數;xki為因素j在水平k下的第i次試驗的結果。

2.2 正交試驗設計及計算成果

本文研究大壩防滲系統各材料以及表層基巖的滲透系數對主、副防滲墻阻擋水頭比例的影響,因此對三維有限元模型材料分區進一步細化,具體研究的材料共6個,分別為主防滲墻、副防滲墻、主防滲帷幕、副防滲帷幕、表層弱風化基巖(>10Lu)、礫石土心墻,其中,為方便表述,主、副防滲帷幕分別指主防滲墻平面的防滲帷幕和副防滲墻平面的防滲帷幕;設置3個水平,分別為0.8、1、1.2倍設計滲透系數(表3)。

表3 正交試驗各因素滲透系數的水平取值

選擇L18(2×36)正交表,并將2水平的第一列作為誤差列,同時將表3中各因素的不同水平對應填入正交表內,計算得到各試驗方案下主、副防滲墻阻擋的水頭比例(表4)。

表4 正交試驗方案及計算結果

表4中副防滲墻阻擋水頭比例,由上游庫水位Hup減去主、副防滲墻之間3只滲壓計位置點處水頭的平均值H1,再除以上下游水頭差ΔH得到,即(Hup-H1)/ΔH,主防滲墻阻擋水頭比例的計算同理。

2.3 極差分析

以副防滲墻阻擋水頭比例和主防滲墻阻擋水頭比例共同作為指標進行極差分析,得到各因素在各水平下極差(表5)。各因素中對兩道防滲墻阻擋水頭最為敏感的是表層弱風化基巖的滲透系數,其極差達到0.174,主防滲帷幕滲透系數對該指標也較為敏感,極差為0.125;其余各材料滲透系數對該指標的敏感性較小,其極差均小于等于0.024。

表5 主、副防滲墻阻擋水頭比例影響因素極差分析

以主防滲墻下游側總阻擋水頭比例作為指標進行極差分析,各因素的敏感性規律與以副防滲墻阻擋水頭比例和主防滲墻阻擋水頭比例共同作為指標的情況一致,材料滲透系數敏感性從強到弱依次為表層弱風化基巖、主防滲帷幕、副防滲帷幕、副防滲墻、主防滲墻、礫石土心墻,極差分別為0.348、0.250、0.048、0.030、0.015、0.013。

2.4 方差分析

對主、副防滲墻阻擋比例和總折減水頭比例這2種指標進行方差分析,計算得到各因素的變動平方和Sj、自由度fj和敏感性統計量Fj,如表6所示,敏感性規律與極差分析一致,材料滲透系數敏感性從強到弱依次為表層弱風化基巖、主防滲帷幕、副防滲帷幕、副防滲墻、主防滲墻、礫石土心墻。根據誤差列自由度以及各因素的自由度查F分布表可知F0.01=98.50、F0.05=18.51,根據前文敏感性劃分標準,表層弱風化基巖和主防滲帷幕對防滲墻阻擋水頭比例有顯著影響。

表6 主、副防滲墻阻擋水頭比例影響因素方差分析

由于兩道防滲墻對覆蓋層進行了全封閉處理,防滲墻底部的防滲帷幕及基巖表層成為壩基繞滲的主要通道,而副防滲帷幕深度并未達到相對不透水層(透水率≤3Lu的基巖),主防滲帷幕伸入相對不透水層(透水率≤3Lu的基巖)不少于5m,因此表層弱風化基巖和主防滲帷幕對壩基滲流控制特性的影響最大,敏感性分析結果符合一般性規律。

3 模型參數反演結果

根據敏感性分析,著重反演表層弱風化基巖與主防滲帷幕的滲透系數,同時調整副防滲帷幕以及主、副防滲墻的滲透系數,礫石土心墻則采用現場檢測結果,最終確定的反演結果如下:主、副防滲墻的滲透系數分別為1.12×10-7cm/s和3.00×10-6cm/s,主、副防滲帷幕的滲透系數分別為6.99×10-6cm/s和2.79×10-5cm/s,表層弱風化基巖的滲透系數為6.23×10-4cm/s,最大斷面位勢分布如圖5所示。經反演后參數計算,各滲壓監測點的計算值與監測值之間的相對誤差均小于5%,滿足工程應用要求。