葉雨柯，于 浩，馬亞楠，任 旺

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

1 工程概況

昌波水電站位于金沙江上游干流河段，控制流域面積184 436 km2，多年平均流量952 m3/s。水電站為混合式開發(fā)的徑流式電站，主要樞紐建筑物包括上游壩址的非溢流壩段、泄洪閘、廠房、魚道以及下游廠址的進(jìn)水口、引水隧道、地下廠房。引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物位于左岸山體中，采用“一洞兩機(jī)”供水方式，共布置4臺混流式發(fā)電機(jī)組。

昌波水電站位于西部高原區(qū)，區(qū)域變質(zhì)作用較為強(qiáng)烈，變質(zhì)巖分布廣泛。地下廠房圍巖地層巖性為灰綠色綠泥角閃片巖、綠片巖，片理較發(fā)育，呈中厚層夾薄層狀。巖層單斜，產(chǎn)狀N15°～30°W，SW∠40°～55°。廠址區(qū)主要構(gòu)造形跡為斷層和裂隙，整體上巖體性質(zhì)較好，斷層主要分為4個(gè)級別，主要斷層有fc3、fc4、fc7等，多為巖屑夾泥型。

金沙江流域?qū)俚湫偷募撅L(fēng)氣候區(qū)，每年5月～10月水汽充沛，降雨集中，為本流域雨季或汛期。據(jù)氣象站資料顯示，區(qū)域多年平均年降雨量為497.0 mm，多年平均蒸發(fā)量1 811.4 mm(20 cm蒸發(fā)皿觀測值)。

降雨下滲引起的滲流場變化是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)事故的主要因素之一，在含有結(jié)構(gòu)面的邊坡中更是如此。一方面，降雨下滲導(dǎo)致邊坡內(nèi)水荷載的分布發(fā)生變化；另一方面，雨水下滲改變了巖土體的含水量，其滲流、變形、強(qiáng)度等物理力學(xué)特性也隨之改變，進(jìn)而影響巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，嚴(yán)重時(shí)可造成邊坡失穩(wěn)事故[1-3]。為此，本文基于昌波水電站工程，選取地下廠房區(qū)含垂向結(jié)構(gòu)面邊坡的典型剖面，建立二維等效連續(xù)介質(zhì)有限元模型，利用飽和-非飽和滲流分析理論，研究不同降雨強(qiáng)度下含垂向結(jié)構(gòu)面邊坡的飽和區(qū)擴(kuò)散范圍及水壓力分布變化，對坡表防護(hù)效果進(jìn)行分析評價(jià)，并對不同工況下運(yùn)行期邊坡水頭分布及洞室出流量進(jìn)行了模擬與預(yù)測，為進(jìn)一步研究降雨入滲對邊坡穩(wěn)定的影響及水電站的建設(shè)和安全運(yùn)行提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 飽和-非飽和滲流數(shù)學(xué)模型

確定巖土體的水分特征曲線是進(jìn)行飽和-非飽和滲流分析的基礎(chǔ)。本文采用VG模型[4]聯(lián)合Mualem[5]提出的非飽和滲透系數(shù)模型，求解巖土體的非飽和滲透系數(shù)，即

(1)

kr=Θ0.5[1-(1-Θ1/m)m]2

(2)

式中，Θ為有效飽和度；θ為體積含水量；θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；s為吸力；kr為相對滲透率；α，n，m為模型擬合參數(shù)，m=1-1/n。

由質(zhì)量守恒方程可以建立飽和-非飽和滲流控制方程，即

(3)

式中，Cw=?θ/?h為容水度；h為壓力水頭；ω在飽和區(qū)等于1，非飽和區(qū)等于0；Ss為儲(chǔ)水系數(shù)；t為時(shí)間；v為流速向量，可用廣義Darcy定律表示為

v=-krK?φ

(4)

式中，K為巖土體的飽和滲透張量；φ=(h+z)為總水頭，z為垂直坐標(biāo)分量。式(3)的初始條件如下

φ(x,y,z,t0)=φ0(x,y,z) (in Ω)

(5)

式中，x，y為坐標(biāo)分量；t0為初始時(shí)刻；φ0為初始水頭場；Ω為滲流全域。

Spark框架的批處理模式只在將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存和將最終結(jié)果持久存儲(chǔ)時(shí)需與存儲(chǔ)層交互,其他所有中間態(tài)的處理結(jié)果均存儲(chǔ)在內(nèi)存中,效率非常高。

式(3)的水頭邊界條件為

(6)

(7)

(8)

2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

在工程實(shí)踐中，等效連續(xù)介質(zhì)模型因簡單、計(jì)算效率高而廣泛用于裂隙巖體飽和-非飽和滲流的模擬[3，8]。本文基于等效連續(xù)介質(zhì)模型理論，采用ANSYS建立了地下廠房～引水隧洞軸線典型剖面的二維有限元模型，見圖1。圖1中，節(jié)點(diǎn)A、D為斷層fc9兩側(cè)靠近坡表的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)B、C為斷層fc9兩側(cè)遠(yuǎn)離坡表的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)E、F為斷層fc12兩側(cè)靠近河岸的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)G、H為岸坡表層的節(jié)點(diǎn)。模型總長5 665 m，高1 170 m，模型底部高程為2 200 m，右側(cè)邊界取金沙江河床中心線，高程2 300 m，左側(cè)邊界延伸至地表分水嶺，高程3 370 m。模型精細(xì)模擬了廠址區(qū)地形地貌、斷層(fc1、fc2、fc3、fc4、fc7、fc9、fc10、fc12)等主要地質(zhì)構(gòu)造和巖體滲透性分區(qū)，共劃分單元15 585個(gè)，節(jié)點(diǎn)31 962個(gè)。

圖1 典型剖面二維有限元計(jì)算模型(單位：m)

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，廠址區(qū)巖土體可按滲透性自地表往下分為5個(gè)滲透性分區(qū)。廠址區(qū)斷層多為巖屑夾泥型，在垂直結(jié)構(gòu)面方向的滲透系數(shù)K⊥顯著低于平行結(jié)構(gòu)面方向的滲透系數(shù)K∥，可取K⊥/K∥=1/10。巖體儲(chǔ)水系數(shù)Ss與水和巖體的壓縮性有關(guān)，可依據(jù)工程地質(zhì)勘探資料由Ss=ρwg(αr+φαw)確定，式中，ρw為水的密度；αr為巖體的壓縮系數(shù)；αw為水的壓縮系數(shù)；φ為孔隙率。飽和含水率θs、殘余含水率θr依據(jù)巖土介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)大致確定。采用基于正交設(shè)計(jì)、有限元正分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的反饋分析方法[9-10]對各滲透分區(qū)的VG模型參數(shù)α、n進(jìn)行反演，反演分析結(jié)果見表1。

表1 廠址區(qū)各類巖層、結(jié)構(gòu)面的滲透系數(shù)與VG模型參數(shù)

2.3 初始條件及邊界條件

依據(jù)廠址區(qū)鉆孔監(jiān)測水位，通過穩(wěn)定滲流計(jì)算反演確定左側(cè)山體分水嶺處地下水位值，選取與廠址區(qū)鉆孔監(jiān)測水位最吻合的滲流場作為飽和區(qū)初始滲流場。由于缺乏非飽和滲流實(shí)測資料，設(shè)定非飽和區(qū)的有效飽和度隨埋深減小而線性折減，至坡面處有效飽和度取為0.6。為了模擬長期天然降雨-蒸發(fā)作用下廠址區(qū)滲流場，并消除初始水頭分布對滲流場模擬結(jié)果的影響，首先模擬了一個(gè)持續(xù)30 a的自然降雨-蒸發(fā)過程，采用多年平均降雨、蒸發(fā)過程數(shù)據(jù)，計(jì)算初始時(shí)間步長取7 h，最大時(shí)間步長為7 d。

有限元計(jì)算的邊界條件如下：模型底部取為隔水邊界；右側(cè)河床表面取為定水頭邊界(金沙江河水位)；模型左側(cè)分水嶺邊界及右側(cè)河床中心線邊界取為隔水邊界；坡表設(shè)為降雨-蒸發(fā)邊界；勘探平硐、地下洞室的表面設(shè)為潛在溢出邊界。

2.4 計(jì)算方案

本文從以下3個(gè)方面探究降雨強(qiáng)度對廠址區(qū)山體滲流場的影響：

(2)對高程2 400 m以下坡面進(jìn)行混凝土防護(hù)措施，特大暴雨(320 mm/d)下同樣設(shè)置降雨持續(xù)時(shí)間為48 h，數(shù)值模擬時(shí)長為96 h，對24、48、96 h這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)廠房邊坡的壓力水頭變化進(jìn)行分析，對坡表防護(hù)效果進(jìn)行評價(jià)。

(3)在天然狀態(tài)滲流場的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際勘探進(jìn)度，模擬了為期10 a的場地平硐勘探過程。在勘探期滲流場的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度安排，模擬為期3 a的地下洞室開挖過程。在此基礎(chǔ)上，為探究運(yùn)行期降雨強(qiáng)度對廠址區(qū)滲流場分布及地下洞室出流量造成的影響，分別模擬了①正常工況(多年平均降雨過程+蓄水時(shí)下游河水位)、②設(shè)計(jì)工況(設(shè)計(jì)洪水降雨過程+設(shè)計(jì)洪水下河水位)、③校核工況(校核洪水降雨過程+校核洪水下河水位)下為期10 a的蓄水運(yùn)行過程。模擬時(shí)，邊界條件如前所述，不同的是由于調(diào)壓井洞室鋼筋混凝土襯砌很厚，且進(jìn)行了固結(jié)灌漿，不再起排水作用，故取為隔水邊界。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 天然降雨-蒸發(fā)作用下滲流場分布

歷經(jīng)30 a的降雨-蒸發(fā)循環(huán)之后，地下水位達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，僅在年內(nèi)隨季節(jié)性降雨有不同程度的波動(dòng)。圖2為天然狀況下左岸近岸坡干、濕季地下水位變動(dòng)范圍。從圖2可知，左岸近岸坡段鉆孔水位隨干、濕季節(jié)變動(dòng)，變幅在10～20 m內(nèi)。近岸坡鉆孔水位變幅較小，原因是左岸近岸坡地下水位受金沙江河水位控制；斷層fc4附近鉆孔干、濕季地下水位變動(dòng)稍大，這是因?yàn)閿鄬觙c4導(dǎo)水性較強(qiáng)，降雨入滲的水流沿?cái)鄬友a(bǔ)給地下水，導(dǎo)致此處地下水位隨干濕季節(jié)變化明顯。各剖面測量鉆孔水位被較好地包含在干、濕季地下水位變動(dòng)范圍內(nèi)，勘探期計(jì)算平硐總出流量為2.16 L/min。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，平硐內(nèi)地下水出水點(diǎn)發(fā)育情況主要為滲滴水(涌水量Q< 1.0 L/min)，未見流水、涌水現(xiàn)象。數(shù)值模擬結(jié)果與觀測結(jié)果吻合較好，較好地反映了廠址區(qū)滲流場的分布特征，具有一定的可靠性與代表性。

圖2 干、濕季地下水位變動(dòng)范圍

3.2 短期降雨對邊坡內(nèi)壓力水頭分布的影響

為探究短期內(nèi)降雨強(qiáng)度及降雨持續(xù)時(shí)間對含垂向結(jié)構(gòu)面的邊坡壓力水頭分布的影響，圖3給出了3組不同降雨強(qiáng)度(80、160、320 mm/d)下，不同時(shí)間點(diǎn)(24、48、96 h)近岸坡巖土體的水頭分布變化。

3.2.1 飽和區(qū)擴(kuò)散范圍

當(dāng)降雨強(qiáng)度小于地表入滲能力時(shí)，降雨全部下滲。下滲水流流至結(jié)構(gòu)面處，由于斷層滲透系數(shù)具有各向異性(K⊥/K//=1/10)，在垂向上起阻水作用，故結(jié)構(gòu)面上盤靠近坡表處開始形成飽和區(qū)，結(jié)構(gòu)面下盤遠(yuǎn)離坡表處巖土體的基質(zhì)吸力增大。隨著下滲水流的不斷積累，飽和區(qū)以結(jié)構(gòu)面為界向上盤側(cè)擴(kuò)散，可通過布置排水孔降低巖體內(nèi)壓力水頭，防止邊坡變形[11]。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于地表入滲能力時(shí)，坡表土層中出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)，邊坡頂部平臺由于降雨補(bǔ)給面積大，最先飽和(圖3c和圖3e)，且隨著降雨時(shí)間的延長，飽和區(qū)范圍向坡體內(nèi)部不斷擴(kuò)大。降雨48 h后，降雨入滲鋒擴(kuò)散至邊坡內(nèi)部約50 m的深度，邊坡表層土接近飽和狀態(tài)，降雨較難下滲，形成地表徑流向金沙江排泄。降雨停止后，飽和區(qū)繼續(xù)向坡體內(nèi)部移動(dòng)，自由面以上暫態(tài)飽和區(qū)的范圍減小，非飽和區(qū)的負(fù)壓增大。

3.2.2 壓力水頭分布變化

從圖3可知，降雨入滲不僅受降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)的影響，還受結(jié)構(gòu)面的影響，在結(jié)構(gòu)面處出現(xiàn)較大的壓力水頭。為探究結(jié)構(gòu)面對邊坡壓力水頭分布的影響，選取圖1b中典型部位的代表性節(jié)點(diǎn)，特大暴雨(320 mm/d)下各節(jié)點(diǎn)壓力水頭變化見圖4。從圖4可知，節(jié)點(diǎn)A、D為斷層fc9兩側(cè)靠近坡表的節(jié)點(diǎn)，隨著降雨不斷下滲，該處壓力水頭迅速升高到5.1 m后緩慢上升，入滲48 h時(shí)達(dá)8.5 m，降雨停止后，飽和區(qū)下移，該處壓力水頭逐漸降低。節(jié)點(diǎn)B、C為斷層fc9兩側(cè)遠(yuǎn)離坡表的節(jié)點(diǎn)，隨降雨下滲，B點(diǎn)負(fù)壓逐漸減小，雨停后地下水繼續(xù)下滲，負(fù)壓繼續(xù)減小，且由于斷層的阻水性，C點(diǎn)處負(fù)壓變化不大，且始終高于B點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)E、F位于斷層fc12兩側(cè)靠近河岸，該處壓力水頭隨降雨下滲逐漸升高，且雨停后持續(xù)升高，最終可達(dá)35 m。節(jié)點(diǎn)G、H位于岸坡表層，隨著降雨不斷下滲，該處壓力水頭，迅速升高到3.2 m后不再持續(xù)升高，降雨停止后恢復(fù)非飽和狀態(tài)，負(fù)壓逐漸增大。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下水頭分布變化(單位：m)

圖4 典型部位壓力水頭變化過程

3.3 坡表防護(hù)效果分析

特大暴雨(320 mm/d)下，對高程2 400 m以下坡面進(jìn)行混凝土防護(hù)時(shí)，24、48、96 h這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力水頭分布見圖5。從圖5可知，進(jìn)行坡表防護(hù)時(shí)，由于降雨難以下滲，近岸坡區(qū)域坡體壓力水頭減小，上部坡體壓力水頭無明顯變化，說明坡表防護(hù)有較好效果。

圖5 坡面防護(hù)后坡體壓力水頭分布變化(單位：m)

3.4 運(yùn)行期降雨強(qiáng)度敏感性分析

運(yùn)行期近岸坡山體在3種不同工況下的壓力水頭等值線對比見圖6。從圖6可知，蓄水導(dǎo)致河岸附近山體地下水位略有抬升，但由于地下洞室、排水廊道起到了強(qiáng)烈的排水作用，自由面在廠區(qū)附近明顯下落。3種工況下地下廠房區(qū)域水頭分布差別不大，設(shè)計(jì)工況和校核工況下近岸坡水位抬升幅度均在10 m以內(nèi)，廠房防滲排水設(shè)施作用明顯。設(shè)計(jì)工況和校核工況下，由于降雨強(qiáng)度增大，調(diào)壓室附近靠山體側(cè)水位明顯抬高，設(shè)計(jì)洪水下最大抬高26.7 m，校核洪水下最大抬高28.4 m，外水壓力增大，故應(yīng)注意保證調(diào)壓室固結(jié)灌漿和襯砌施工的質(zhì)量，可在調(diào)壓室區(qū)域布置排水孔，以降低巖體內(nèi)壓力水頭，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 不同工況下近岸坡壓力水頭等值線對比(單位：m)

3種工況下運(yùn)行期地下洞室總出流量隨時(shí)間的變化見圖7。各洞室出流量為各洞室單寬流量分別乘以各廠區(qū)長度。從圖7可知，蓄水初期，由于地下洞室及排水廊道的排水作用，3種工況下地下洞室總出流量均逐漸增大。蓄水穩(wěn)定后，地下洞室出流量逐漸趨于穩(wěn)定，隨降雨出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)。由于降雨強(qiáng)度增大，河水位升高，設(shè)計(jì)工況和校核工況下地下廠房總出流量明顯高于正常工況下的出流量，出流量隨降雨的波動(dòng)幅度也明顯增大。有限元模擬計(jì)算得到的正常工況、設(shè)計(jì)工況、校核工況下地下洞室的穩(wěn)定出流量分別為4.25、5.70、6.51 L/s，因此在建設(shè)運(yùn)行期間應(yīng)注意雨季地下洞室及時(shí)排水。

圖7 不同工況下地下洞室總出流量對比

4 結(jié) 語

本文基于飽和-非飽和滲流分析方法，對不同降雨強(qiáng)度下昌波水電站地下廠房邊坡的水頭分布進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)受垂向結(jié)構(gòu)面水平向的阻水作用，降雨過程中斷層上盤巖土體內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)，且隨降雨入滲壓力水頭逐漸升高；降雨停止后，上部飽和區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，近河岸區(qū)域壓力水頭繼續(xù)升高，尤其是斷層fc12上盤巖土體內(nèi)壓力水頭升高明顯?？赏ㄟ^布置排水孔降低巖土體內(nèi)壓力水頭，防止邊坡變形。

(2)在近岸坡坡表進(jìn)行混凝土防護(hù)可有效減少降雨入滲量，降低近岸坡區(qū)域坡體的壓力水頭。

(3)運(yùn)行期滲流場對降雨強(qiáng)度具有較高的敏感性，正常工況、設(shè)計(jì)工況、校核工況下地下廠房區(qū)域水頭分布差別不大，說明廠房防滲排水設(shè)施較好地發(fā)揮了作用。設(shè)計(jì)工況和校核工況下調(diào)壓室近山體側(cè)水頭升高明顯，應(yīng)注意保證調(diào)壓室固結(jié)灌漿和襯砌施工的質(zhì)量及完整性，可在調(diào)壓室區(qū)域布置排水孔，以降低邊坡內(nèi)壓力水頭，排出地下水。地下洞室總出流量量值和波動(dòng)幅度均隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，在建設(shè)運(yùn)行期間應(yīng)注意雨季地下洞室排水。