張俊霞，李 莉，朱登峰

西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)是黃河小浪底水利樞紐配套工程，該工程規(guī)模為大（2）型，屬II等工程。電站廠房壩段位于混凝土建筑物壩段的北側(cè)，由4臺(tái)發(fā)電機(jī)組及安裝間組成，電站裝機(jī)容量140 MW；該壩壩段長(zhǎng)179 m，寬73．3 m，最大壩高49．0 m。電站尾水采用底流消能，尾水護(hù)坦段長(zhǎng)55．0 m（壩下0＋64．3～壩下0＋119．3），護(hù)坦底板厚2．0 m（底板頂面高程99．48 m，底部高程97．48 m）；海漫段長(zhǎng)16．7 m（壩下 0＋119．3～壩下0＋136．0），海漫底板厚0．6 m（底板頂面高程99．48 m，底部高程98．88 m）。

1 水文地質(zhì)概況

電站廠房位于右岸灘地，其北側(cè)安裝間鄰近黃河，距黃河岸邊約150 m，灘面高程一般為124．0～124．4 m。

電站廠房段地基主要屬第四系覆蓋層和下伏的上第三系地層。上第三系黏土（巖）與散（微膠結(jié)）砂層互層，并被多條斷層切割，地層的性質(zhì)十分特殊，無論層次或產(chǎn)狀等均較雜亂，砂層為透水層，而黏土巖為相對(duì)隔水層，形成了比較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。電站廠房段地基中第四系砂卵石層的平均滲透系數(shù)為20．0～30．0 m／d；上第三系地層砂類地層的平均滲透系數(shù)為1．0～2．0 m／d。

壩址區(qū)黃河水位為120．0～12l．0 m，左岸地下水位低于黃河水位，一般在112．0～l14．0 m之間，主要接受黃河水的補(bǔ)給；右岸地下水水位普遍高于黃河水位，在右岸河漫灘部位，地下水水位120．0～122．0 m。

2 電站廠房壩段滲流控制措施

電站廠房段地質(zhì)條件比較復(fù)雜，從電站廠房基坑揭露的情況看，上第三系地層的小構(gòu)造比較復(fù)雜。根據(jù)工程所處的地質(zhì)情況，該段工程的地基處理采用水平放置的“［”形混凝土防滲墻防滲?；炷练罎B墻進(jìn)入上第三系地層1．5～3．0 m，臨河面截滲墻長(zhǎng)度155．1 m（包括排沙洞部分），兩側(cè)向下游方向的防滲墻至壩下0＋64．3處結(jié)束，順河向下游方向長(zhǎng)64．3 m，防滲墻底部高程均為60．0 m。

3 滲流場(chǎng)計(jì)算

滲流場(chǎng)計(jì)算的目的是為了對(duì)電站廠房壩段的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律、滲流控制措施的作用進(jìn)行計(jì)算分析，獲取滲流要素的定量指標(biāo)，驗(yàn)證滲控設(shè)計(jì)方案的效果，為工程施工設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3．1 三維滲流有限元法計(jì)算原理及實(shí)施

3．1．1 基本原理

有限元法計(jì)算主要是求解滲流場(chǎng)內(nèi)水頭函數(shù)，確定滲流場(chǎng)內(nèi)的自由面和滲流量等滲流參數(shù)。有限元法即把微分方程和邊界條件按變分原理轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)泛函求極值的問題。首先把連續(xù)體或研究域離散劃分成有限個(gè)單元體，然后形成代數(shù)方程組，在計(jì)算機(jī)上求解。求解滲流場(chǎng)中水頭函數(shù)H的方程一般形式為

式中：［K］為滲透矩陣；｛H｝為未知待求的水頭列向量；｛f｝為自由項(xiàng)列向量。

3．1．2 滲流量的計(jì)算

滲流量的計(jì)算采用中斷面法選取單元的中斷面A為過水?dāng)嗝?，則通過一個(gè)單元的滲流量為

式中n為A的外法向。

通過滲流場(chǎng)中某一截面的滲流量Q（該截面上由n個(gè)單元組成的中斷面）由通過這些單元滲流量的代數(shù)和組成，即

3．1．3 程序設(shè)計(jì)中有關(guān)問題的處理

（1）滲流場(chǎng)的剖分：滲流場(chǎng)的剖分采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參數(shù)單元作為計(jì)算分析的基本單元，離散采用網(wǎng)格自動(dòng)剖分。

（2）滲出段的確定：由于計(jì)算程序采用了自動(dòng)剖分網(wǎng)格的方法，因而給滲出段的確定帶來了方便。程序中安排了3種確定滲出段的方法：①沿上、下節(jié)點(diǎn)連線方向壓縮或拉伸的方法；②重新剖分網(wǎng)格的方法；③上述兩種方法的結(jié)合。這3種方法可結(jié)合實(shí)際工程的不同特點(diǎn)選用。亦即對(duì)可能成為滲出帶上的節(jié)點(diǎn)，在前處理程序中，由程序自動(dòng)找出相應(yīng)水平向的相鄰內(nèi)部節(jié)點(diǎn)；在計(jì)算過程中，用內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的壓力值來判斷相應(yīng)邊界點(diǎn)的性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)出滲段節(jié)點(diǎn)的可逆轉(zhuǎn)換。

3．2 計(jì)算條件與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算條件為無任何抽排情況下，兩岸土壩段壩前沒有淤積的正常運(yùn)用工況，上游水位134．00 m，下游水位120．03 m。計(jì)算參數(shù)見表1所示。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表Table 1 Seepage calculation parameters

4 電站段滲流計(jì)算及防滲效果分析

4．1 混凝土防滲墻的防滲效果

綜觀電站廠房壩段的滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（圖1）可知：水庫(kù)蓄水后在正常運(yùn)用工況水位134．0 m作用下（下游水位120．03 m），電站廠房段臨河面基礎(chǔ)砼防滲墻削減水頭達(dá)60%左右，墻后剩余水頭達(dá)40%左右。

圖1 電站廠房壩段地下水位等線分布圖Fig．1 Distribution of head－cut of the groundwater of the powerhouse

4．2 電站壩段尾水護(hù)坦及海漫底板揚(yáng)壓力計(jì)算

電站廠房壩段尾水護(hù)坦段及海漫段底板揚(yáng)壓力水頭計(jì)算值見表2所示，4臺(tái)發(fā)電機(jī)組中心線上的揚(yáng)壓力分布如圖2、圖3及圖4（圖中單位均為m）。

由揚(yáng)壓力水頭值計(jì)算結(jié)果及揚(yáng)壓力線分布圖可以看出：尾水護(hù)坦段上游端（壩下0＋64．3）最大揚(yáng)壓力水頭為2．60 m，護(hù)坦段下游端（壩下0＋119．3）最大揚(yáng)壓力水頭為1．57 m；海漫段上游端（壩下0＋119．3）最大揚(yáng)壓力水頭為1．57 m，海漫段下游端（壩下0＋136．0）最大揚(yáng)壓力水頭為0．90 m。

4．3 電站廠房段滲透坡降計(jì)算

工程實(shí)踐結(jié)果表明，在透水性基礎(chǔ)上筑壩，采用砼防滲墻防滲是一種行之有效的滲流控制措施。它能比較徹底地截?cái)鄰?qiáng)透水層，控制壩基滲流量，使絕大部分勢(shì)能削減在防滲墻內(nèi)，使壩基滲透坡降控制在允許范圍內(nèi)，以保證其滲透穩(wěn)定性。電站廠房段的滲透坡降計(jì)算結(jié)果（表2）也證明了這一點(diǎn)。從電站廠房段的滲透坡降計(jì)算結(jié)果可以看出，接觸滲透坡降及下游出口坡降有超出允許坡降的現(xiàn)象（大于J允許＝0．1），如圖4所示。

表2 電站廠房壩段尾水護(hù)坦段及海漫段底板揚(yáng)壓力水頭計(jì)算表Table 2 The uplift pressures of tail water apron and apron extension of the powerhouse

圖2 尾水護(hù)坦及海漫段底板揚(yáng)壓力等值線分布圖（單位：m）Fig．2 Isopleth distribution of uplift pressure of the apron and apron extension（unit in m）

圖3 尾水護(hù)坦及海漫段底板揚(yáng)壓力矢量圖Fig．3 u Vectorgraph of plift pressure of apron and apron extension

圖4 電站廠房壩段4臺(tái)機(jī)組中心線剖面尾水護(hù)坦段及海漫段底板揚(yáng)壓力水頭分布圖（單位：m）Fig．4 Isopleth distribution of uplift pressure of the apron and apron extension at centerline cross－section of generating set No．4（unit in m）

5 結(jié) 語

（1）電站廠房段的滲流控制措施的選擇和布置，從整體上看比較合理，考慮了樞紐區(qū)的工程、水文地質(zhì)特點(diǎn)?；A(chǔ)防滲采用砼防滲墻截?cái)嗔送杆畬?，有效地控制了壩基滲流，對(duì)于降低消力池底板的滲透壓力，起到了一定的作用。

（2）從揚(yáng)壓力等值線分布圖來看，電站廠房段的尾水護(hù)坦段及海漫段均處于承壓狀態(tài)。尾水護(hù)坦段底板所承受的滲透壓力值在2．60～1．57 m之間（水的密度約為1．0 t／m3），相對(duì)于尾水護(hù)坦段砼底板的壓重（厚度2．0 m，鋼筋砼容重約2．5 t／m3），底板所承受的滲透壓力值在安全范圍內(nèi)；海漫段底板所承受的滲透壓力在1．57～0．90 m之間，相對(duì)于海漫段砼底板的壓重（厚度0．6 m），顯然是處于臨界狀態(tài)。因此建議，設(shè)計(jì)施工中要充分考慮尾水護(hù)坦段及海漫段的滲透壓力，對(duì)于海漫的砼底板厚度進(jìn)行漸變加厚處理，亦即海漫段上游端至下游端，底板厚度由1．0 m漸變至0．60 m，從而確保電站廠房壩段的安全運(yùn)行。

［1］ 張國(guó)蘭，劉宗仁，秦云香．西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)樞紐工程泄水建筑物總布置［J］．黃河規(guī)劃設(shè)計(jì)，2004，（4）：4－7．

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