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        三維滲流模擬的觀音閣水庫壩基滲漏和滲透穩(wěn)定分析

        2020-05-07 04:54:06
        黑龍江水利科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:概化觀音閣壩段

        徐 桐

        (遼寧省錦州水文局,遼寧 錦州 121000)

        0 引 言

        水庫蓄水會(huì)使大壩上、下游之間形成一定的水位差,若透水巖層存在于壩基處,在水壓力作用下庫水將向下游發(fā)生滲漏。大壩基巖土體的某些顆粒在滲透壓力超過一定界限值時(shí),將被滲透水流以流土、管涌、潛蝕等方式?jīng)_刷帶走,從而導(dǎo)致壩基變并形危及水庫大壩的安全運(yùn)行[1]。所以,對(duì)壩基滲透穩(wěn)定和滲漏量選用合適的方法進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),對(duì)于保證水庫大壩的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        數(shù)值法和斷面流量法為目前較為常用的壩基滲流量計(jì)算方法,其中斷面流量法主要是對(duì)通過壩下地基斷面的流量利用達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算的方法,而數(shù)值法是將三維和剖面二維滲流模型相結(jié)合確定壩基滲流的方法[3-6]。例如,劉曉慶、曹劍波、姬永尚等分別建立了土石壩、錫崖溝水庫壩基、新疆某水庫剖面的二維滲流模擬和有限元計(jì)算模型;任杰、王剛城、王恩志等分別以哈達(dá)山水利樞紐、江雄水庫壩基、天生橋一級(jí)水電站為例,建立了三維滲流模型;毛海濤、鄭華康等以西北地區(qū)某水庫大壩、卡拉水電站壩區(qū)為例,構(gòu)建了無限元三維滲流模型。文章對(duì)觀音閣水庫壩基滲流穩(wěn)定分析和滲流量計(jì)算引入三維地下水流數(shù)值模型,較為客觀、準(zhǔn)確的反映了垂向上不相同地層分層參數(shù)和底面與周邊邊界的不規(guī)則形狀的非均質(zhì)問題,大大提高了滲流計(jì)算模擬精度。

        觀音閣水庫位于太子河干流上,總庫容21.68億m3,水域控制面積2.795km2,永久性主要建筑物為一級(jí),樞紐工程為一等,洪水校核為萬a一遇,設(shè)計(jì)洪水為千a一遇,與下游70km的葠窩水庫形成太子河干流梯級(jí)開發(fā)。太子河流域地處E122°26'-124°53'、N40°29'-41°39',主要徑流丹東、撫順、鞍山、遼陽等地,境內(nèi)支流有清河、小湯河、細(xì)河、沙河、五道河、臥龍河、小夾河等,地貌結(jié)構(gòu)特征以低山丘陵和平原為主且構(gòu)造層次呈東高西低的變化特征。

        根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求,水庫大壩由電站壩段、底孔壩段、溢流壩段和擋水壩段組成,正常蓄水位255.2m,年均發(fā)電量為8015×104kW·h。攔河壩壩頂長(zhǎng)1040m,共分為65個(gè)壩段,屬于碾壓混凝土重力壩。除9#、7#、5#、4#壩段外,其他壩段寬均為16m。擋水壩段48個(gè),壩頂寬10m、壩頂高程267m,最大壩底寬61.30m,最大壩高82m,溢流壩段位于15#-27#壩段,設(shè)12個(gè)凈寬為12m的溢流孔。溢流前緣凈寬144m,中墩厚4m,堰頂最大底寬74m,最大壩高71.2m,堰頂高程255.2m,閘后采用挑流效能,堰頂設(shè)弧形鋼閘門,尺寸為12m×9m。

        1 工程地質(zhì)概況

        1.1 壩區(qū)地質(zhì)

        觀音閣水庫位于泉水向斜中,向斜寬10km、向斜軸長(zhǎng)30km。奧陶系和寒武系中、上統(tǒng)廣泛出露于河谷兩岸,前震旦系中生代火成巖、變質(zhì)巖、震旦系碎屑巖和非可溶性的寒武系中、下統(tǒng)頁巖連續(xù)分布于以可溶性碳酸巖為主的地層的外圍。庫區(qū)兩岸高山連綿,構(gòu)造比較簡(jiǎn)單且分水嶺高程均>400m,封閉條件良好未見通向庫外的深大斷裂,因此向鄰谷滲漏的問題基本不存在。水庫正常蓄水位低于庫區(qū)外圍非可溶性巖層中的地下水位,因此蓄水后水庫不會(huì)產(chǎn)生永久性滲漏。在牛馬臺(tái)溝分水嶺地層處近壩區(qū)白云溝分布紊亂,被斷層錯(cuò)斷,因此在建成后可能會(huì)產(chǎn)生局部滲漏問題,對(duì)此采取防滲墻處理措施。庫區(qū)地震烈度為Ⅵ度,按Ⅶ度設(shè)計(jì)水庫大壩,極端情況下推算的地震影響上限為4級(jí)最大可能的水庫地震。根據(jù)地震震源極線,4級(jí)地震的震中烈度在巖溶地區(qū)的可達(dá)Ⅶ度。

        1.2 壩址區(qū)地質(zhì)

        壩址區(qū)兩岸呈“U”型不對(duì)稱橫向河谷,左岸地形完整而山高坡陡;右岸地形不完整且溝谷發(fā)育,高程一般不超過300m,南北展布的低矮單薄山脊,兩岸防滲帷幕與壩基銜接可構(gòu)筑封閉式帷幕。壩址區(qū)保留Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三級(jí)階地,屬于構(gòu)造構(gòu)造剝蝕低山區(qū)。壩址位于小市和泉水兩向斜連接部的倒轉(zhuǎn)地層上,壩基以鮞狀灰?guī)r和張夏結(jié)晶灰?guī)r為主,壩踵多為崮山組灰頁巖互層,巖體強(qiáng)度能夠符合混凝土壩要求。河床和左岸巖體完整、構(gòu)造簡(jiǎn)單,右岸斷層多且構(gòu)造復(fù)雜。F1與F58斷層為構(gòu)造復(fù)雜帶,斷裂密布,斷層間地層紊亂。自左向右壩基巖體風(fēng)化深度加劇,建基面未見較大溶洞、多維條狀巖溶。鳳山與長(zhǎng)山組之間的10m頁巖為較好的相對(duì)隔水層,透水率在3Lu以下。

        1.3 水文地質(zhì)特征

        根據(jù)介質(zhì)類型及其賦存形式可將工程區(qū)地下水分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩類,其中基巖裂隙水主要由大氣降水補(bǔ)給,呈脈絡(luò)狀分布于太子河干流兩岸的基巖山體內(nèi)。地下水位不穩(wěn)定,徑流流程短且隨季節(jié)性變化較大,多以泉水形式直接補(bǔ)給于第四系孔隙潛水或排泄于地表河流。

        現(xiàn)代河谷內(nèi)主要分布著第四系孔隙潛水,第四系沖洪積砂礫卵石層為含水層,其厚度在32-80m之間。階地中和河漫灘地下水位埋深分別在5-18m、0.7-1.6m之間。在基巖裂隙水和大氣降水補(bǔ)給作用下,地下水沿河谷方向往下游徑流。根據(jù)巖心采取率統(tǒng)計(jì)結(jié)果,勘探孔沿壩軸線設(shè)置,其中分層壓水或抽水試驗(yàn)鉆孔為4個(gè),按自上而下的次序?qū)位拭鎰澐譃?個(gè)層次,各層次底板埋深分別為8-10m、15-21m、30-35m、60m和80m左右,相應(yīng)的滲透系數(shù)為5-10m/d、18-65m/d、12-22m/d、4-8m/d、20m/d。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料,工程區(qū)水質(zhì)較好,可直接灌溉、飲用,地下水礦化度為0.54g/L。

        2 壩基滲漏數(shù)值模擬

        2.1 水文地質(zhì)條件概化

        1)模擬計(jì)算區(qū)域。以壩軸線為基準(zhǔn)分別向水庫上、下游外推500m和200m,沿河流長(zhǎng)700m范圍作為模擬計(jì)算區(qū)域。各個(gè)部位的河流寬度存在一定差異,不同位置的河段實(shí)際寬度不同,模擬寬度取500m,模擬計(jì)算面積為285100m2。

        2)含水層結(jié)構(gòu)概化。根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果壩基巖層最大厚度為82.5m,且以卵、礫石層為主。按自上而下的原則可將巖層分為5層,由于成因和密實(shí)度的不同各層之間的透水性存在一定差異,且在垂直方向和水平方向上同一層的滲透性也不盡相同,礫石層均為墻透水層。所以,觀音閣水庫壩基含水層屬于非均質(zhì)各向異性。當(dāng)水庫蓄水并達(dá)到255.2m的正常水位時(shí),地下水滲流形成穩(wěn)定性且滲流無內(nèi)無源匯項(xiàng),因此以穩(wěn)定滲流作為地下水概化結(jié)果。由于壩基防滲處理采取的防滲墻措施,地下水形成三維繞流,所以以三維穩(wěn)定滲流作為地下水最終的概化結(jié)果。

        3)邊界條件概化。在庫區(qū)底部和兩側(cè)存在的松散堆積物與不發(fā)育的基巖接觸,因此隔水邊界可概化為底層與兩側(cè)的邊界;上游邊界的定水頭邊界取水庫正常設(shè)計(jì)水位,并且考慮水庫蓄水位實(shí)際情況;下游邊界定水頭邊界為水庫大壩的地面高程。庫區(qū)內(nèi)頂部定水頭邊界為水庫正常設(shè)計(jì)水位;零流量邊界為大壩下游的頂部邊界。

        觀音閣水庫的正常設(shè)計(jì)水位為255.2m,因此取255.2m作為上游各層定水頭邊界地下水位和庫區(qū)內(nèi)第一模擬層定水頭。設(shè)置定水頭邊界作為下游邊界處各層地下水位,接近于地表取232.0m。

        4)水文地質(zhì)概念模型。計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)概念模型經(jīng)地質(zhì)條件概化處理為:具有一、二類邊界三維穩(wěn)定流的松散巖類含層組成的非均質(zhì)各向異性模型。

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        采用下述計(jì)算式作為地下水滲流數(shù)學(xué)模型,并用于壩基滲漏的計(jì)算分析,即:

        (1)

        H(x,y,x)|Γ1=H1(x,y,x);(x,y,x)∈Γ1

        (2)

        (3)

        式中:H1、H分別為滲流區(qū)域一類邊界和含水層地下水位;Kz、Kh分別為含水層垂直、水平房名的滲透系數(shù);G、n分別為計(jì)算區(qū)域和邊界外法線;Γ1、Γ2分別代表第一、第二類邊界。

        2.3 計(jì)算區(qū)剖分

        對(duì)模擬區(qū)域按照長(zhǎng)方體網(wǎng)格剖分,沿河流方向、垂直方面分別剖分為長(zhǎng)40m、30m的30列網(wǎng)格,將含水層剖分為8層,各層厚10m。通過以上剖分可將計(jì)算區(qū)域劃分為7200個(gè)基本單元,有效單元數(shù)為3750個(gè)。

        2.4 確定模型參數(shù)

        根據(jù)水文地質(zhì)條件概化結(jié)果和水文地質(zhì)勘探相關(guān)資料,在離散的8個(gè)模型中垂向滲透性較為接近的有4、5、6層,在7、8層中的滲透性也相差不大,各層中模型參數(shù)見表1。

        表1 各層滲透系數(shù)值 m/d

        2.5 滲漏量模擬結(jié)果

        對(duì)壩基滲流量按照以上參數(shù)設(shè)置和模型概化結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表2。

        表2 滲漏量計(jì)算結(jié)果

        防滲墻深/m0102030405060滲漏量/m3·s-17190565218408722305115260118529250

        2.6 壩基滲透穩(wěn)定分析

        根據(jù)觀音閣水庫工程地質(zhì)勘察結(jié)果,水力坡降最大允許值在壩基礫石處為0.13。水力坡度值在壩基不同部位存在一定差異,壩地板以下徑流段的水利坡度較壩后出溢段和壩前入滲段小。隨著距離壩基深度和距壩腳距離的增大水力坡度呈減少趨勢(shì),因此壩腳處接近地表的底層為壩后實(shí)際水力坡度最大處。

        觀音閣水庫攔河壩壩頂長(zhǎng)1040m,除9#、7#、5#、4#壩段外,其他壩段寬均為16m。擋水壩段48個(gè),壩頂寬10m、壩頂高程267m,最大壩底寬61.30m,最大壩高82m,溢流壩段位于15#-27#壩段。為確定最上層頂板和地板水位對(duì)不同深度防滲墻進(jìn)行模擬計(jì)算,由此計(jì)算出溢段水力坡度在壩后壩腳近地表層中的數(shù)值,如表3。

        表3 出溢段水力坡度

        結(jié)合上述分析結(jié)果,將防滲墻深度設(shè)置在50m以上方可有效防止水庫發(fā)生滲透變形。

        3 結(jié) 論

        1) 對(duì)觀音閣水庫大壩的滲透穩(wěn)定分析和壩基滲流量利用三維地下水流模型進(jìn)行模擬計(jì)算,較好的解決了垂向上地層非均質(zhì)問題和地面與周邊邊界的不規(guī)則問題,該模型具有較高的計(jì)算精度。

        2) 模擬滲流量在布設(shè)防滲墻深度為20、40、50m時(shí)分別為71905、40872、15260、11852m3/s,將防滲墻深度設(shè)置在50m以上方可有效防止水庫發(fā)生滲透變形。

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