楊卓赟

(惠州市惠城區(qū)水利資源開發(fā)建設(shè)中心，廣東 惠州 516000)

1 工程概況

廣東省新豐江水電站位于中國廣東省河源市境內(nèi)、珠江水系東江支流新豐江下游亞婆山峽谷出口處，距河源市約6 km，電站的裝機容量是33.61萬kW，電廠是一個年調(diào)節(jié)水庫，正常水位為116 m，發(fā)電庫容有138.96億m3。電站是一座由導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、截流結(jié)構(gòu)、發(fā)電結(jié)構(gòu)和泄水結(jié)構(gòu)組成的樞紐結(jié)構(gòu)。攔蓄結(jié)構(gòu)是一座最大壩高124 m的 RCC重力壩，長度為440 m。

壩址區(qū)地層依次為第四系松散堆積物，第1巖組(Ar3n1-1)、第2巖組(Ar3n1-2)，其中，第1巖體群為Ar3h2-1，第2巖體群為Ar3h2-2，第3巖體群為Ar3h2-3。壩基的松散堆積體以全新世的洪蝕堆積體為主，分布于主河道和河漫灘的表面；Ar3n1-1巖組在壩址上游左岸分布，巖性主要為多層角閃巖；Ar3n1-2巖組在左壩肩、左岸上游分布，巖性為變粒巖。

在壩基整個范圍內(nèi)以排距均為2.05 m梅花狀對灌漿孔灌漿固結(jié)，對左側(cè)壩肩上的部分軟弱夾層采用注漿孔處設(shè)置插筋。左右岸挖出后，需進行防滲帷幕注漿。在壩肩和壩體部位，帷幕注漿的下游壩體底部，設(shè)置一列排水孔幕，孔幕間距5.5 m，孔底高度492 m，由上往下，在壩體內(nèi)部設(shè)置兩列排水孔[1-6]。

2 典型壩段二維滲流場計算

2.1 模型建立

取壩軸線為0點，x軸為沿河流方向，向下游為正；y軸為垂直方向，根據(jù)高程取值，向上為正；以壩軸線為基準向下游延伸121.5 m，在大壩的基礎(chǔ)上，建立二維滲透流場有限元模型。模型包括強風化帶、地表覆蓋層、弱風化帶、Ar3h2-1、Ar3h2-2、Ar3h2-3等不同滲透性巖體分區(qū)，還包含壩體排水、防滲帷幕、壩基排水。

2.2 滲透參數(shù)及計算邊界

根據(jù)壩體混凝土抗?jié)B等級確定其滲透系數(shù)，排水孔滲透系數(shù)根據(jù)周圍巖石的滲透系數(shù)確定，大壩內(nèi)部排水孔取混凝土滲透系數(shù)k的1000倍，大壩基礎(chǔ)的排水系數(shù)取周圍巖石滲透系數(shù)k的500倍，表1為各分區(qū)滲透系數(shù)[7]。

表1 各分區(qū)滲透系數(shù)

按正常蓄水位工況進行水位邊界的取值，下游水位為528.5 m，上游水位572.4 m；水力梯度邊界為上游和下游豎向邊界，根據(jù)河流天然坡降進行確定，下游邊界為-0.01，上游邊界0.01。

2.3 滲流計算

對無帷幕無排水、有帷幕無排水、有帷幕有排水(帷幕滲透系數(shù)為5.5 Lu)三種工況進行計算，分析滲控工程防滲效果、帷幕滲透性變化對滲流場的影響[8-12]。

2.3.1 等水頭線分布

圖2為三種工況等水頭線分布圖，由圖1可知，對工況1沒有進行帷幕與排水，在壩體及巖層中，水頭值從上游到下游沿程均勻地降低，逐步消耗，壩體內(nèi)浸潤線的位置比較高；在工況2中，進行防滲帷幕的設(shè)置，相比于工況1，工況2滲流場變化不明顯；在工況3中，進行帷幕及壩體、壩基排水的設(shè)置，在防滲帷幕處消耗上游、下游水頭差，帷幕下游側(cè)巖層及壩體內(nèi)水頭值減小明顯，在壩體排水作用下，壩體內(nèi)浸潤線位置降低顯著，結(jié)果表明，在5.5 Lu的滲透率下，大壩和巖層中的滲流場不會發(fā)生明顯的改變。

圖1 三種工況等水頭線分布

圖2 三種工況水力梯度分布

2.3.2 揚壓力

表2為壩基揚壓力計算結(jié)果，由表2可知，只進行帷幕設(shè)置，對降低壩基揚壓力作用較??；在進行帷幕與排水設(shè)置后，壩基揚壓力降低38.29%，原因是在排水孔位置處壩基面揚壓力水頭值最低，排水孔中心位置分別向上、下游兩側(cè)逐漸增大，說明排水可將壩基揚壓力顯著降低；在排水設(shè)施不變，帷幕滲透性為5.5 Lu時，壩基揚壓力變化不明顯，變化幅度較小。

表2 壩基揚壓力計算結(jié)果 kN·m-1

2.3.3 水力梯度

圖2為三種工況水力梯度分布，由圖2可知，在無帷幕無排水情況下，工況1，在大壩的基巖地層中存在著一個很小的水力梯度。在固結(jié)灌漿區(qū)，坡度范圍從0.55到2.10不等，越接近壩基，坡度越大；在注漿帷幕的底板處，土體的水力坡度為0.21～0.52，隨壩基距離的增大而減小。在布置防滲帷幕之后，工況2，帷幕下游側(cè)巖層中的水力梯度值逐步降低。上游側(cè)巖層內(nèi)水力梯度逐漸增大，但變化幅度均較小。在即設(shè)置帷幕又設(shè)置排水后，工況3，帷幕上游側(cè)巖層中水力梯度值增大明顯，排水孔周邊巖層水力梯度進一步增加，除排水孔周邊巖層外，帷幕下游側(cè)其他區(qū)域水力梯度均降低明顯。在計算區(qū)域內(nèi)，在壩體上游面混凝土內(nèi)均出現(xiàn)最大水力梯度值，最大值為14.8；巖層中具有較小水力梯度值，在0～2.49間；在防滲帷幕內(nèi)，由上而下，水壓梯度呈遞減趨勢；在工況2和工況3下，圍巖的最大水力坡度分別為1.81和5.58，而排孔周圍的圍巖的水力坡度分別在0.49～2.01之間。設(shè)置滲控措施后，在壩基灌漿廊道上游側(cè)區(qū)域，固結(jié)灌漿區(qū)巖層內(nèi)水力梯度值具有較大變化，該區(qū)域最大水力梯度值在工況1中為2.01，工況2中為2.48，工況3中為10.02。

2.3.4 滲流量分析

對模型各邊界上的滲流量進行考察，水庫的入滲界面為上游的河床、上游的表面和上游的垂直界面；在此基礎(chǔ)上，研究了大壩下游河床、下游水面和下游垂向界面的滲透特性，并在此基礎(chǔ)上，對整個滲透場下的滲透特性進行了分析。在開出水口時，以出水邊界為出水口。

由表3可知，每種工況下均滿足流量平衡原則，即總滲入量近似等于總滲出量；給定的水力梯度邊界值決定上游、下游豎向邊界滲入、滲出量，不隨工況發(fā)生變化；通過上游、下游豎向邊界滲流量、壩體內(nèi)排水孔排水量很少；流經(jīng)上游的河道滲透量是大壩上游表面滲透量的2倍；在未做排水布置的情況下，水流由上游河床和壩體滲透流入下游河床，再由壩體的下游表面排出；在進行了排水布置之后，所有的滲漏都由壩基排水孔來承受；工況3帷幕滲透性為5.5 Lu時，總體滲流量增加7.49%，壩基排水孔排水量增加7.28%。

表3 滲流量計算結(jié)果匯總 m3·d-1

3 整體三維滲流計算

3.1 模型的建立

圖3為壩體結(jié)構(gòu)與防滲帷幕，從壩軸線向上游延伸205 m，下游從坡腳線延伸205 m。建立三維坐標，以壩左肩為坐標0點，沿壩體的軸線指向右岸是X正向，與大壩軸線垂直順流向下為Y正向，Z方向為高程值，向上為正。

圖3 壩體結(jié)構(gòu)與防滲帷幕

3.2 滲透參數(shù)

通過鉆孔數(shù)據(jù)確定每一層的地層分布和呂榮值，大壩混凝土的滲透率按照其抗?jié)B透率確定，排水孔的滲透率采用平面法確定，各個區(qū)域的滲透率見表4。

表4 各分區(qū)滲透系數(shù) m·s-1

由表4可知，按正常蓄水位工況進行水位邊界的取值，水力梯度邊界為上游、下游豎向邊界，根據(jù)河流天然坡降確定，下游邊界為-0.01，上游邊界0.01。

3.3 滲流計算

對表2所示的三種工況進行計算，分析評價大壩防滲、排水系統(tǒng)效果，對典型溢流壩斷面(X=205 m斷面)、典型非溢流壩斷面(X=155 m斷面)和地層水平斷面(Z=505 m斷面)進行了等電位線的分布規(guī)律研究。計算河床部位55 m、105 m、155 m、205 m、255 m、305 m六個截面處壩基揚壓力值，對壩基揚壓力沿壩軸線的變化進行分析。

3.3.1 等勢線分布

以Z=505 m的水平剖面等勢線分布為例，圖4顯示了三種工況下剖面上的等勢線分布。從圖4可以看出，工況1與工況2相比，在僅設(shè)置帷幕后，剖面上的等勢線變化并不顯著；將工況1、工況3進行對比，在帷幕和排水設(shè)置之后，帷幕附近的等水頭線的分布更加緊密，在帷幕和排水的作用下，帷幕下游側(cè)巖層中的水頭值降低到529.5 m；當帷幕的滲透系數(shù)為5.5 Lu時，在這個剖面上帷幕的上游側(cè)水頭分布并沒有太大的改變，但是在帷幕的下游側(cè)一定范圍內(nèi)的水頭值會有顯著提升，原因是帷幕滲透性增大，減弱了帷幕對水流阻隔效應(yīng)，增大了透過帷幕或沿帷幕繞滲水流壓力水頭。

圖4 Z=505 m時三種工況截面等勢線分布

在圖4三種工況下，在典型的無溢流壩段和典型的溢流壩段，其滲流場的變化規(guī)律和分布形態(tài)都是類似的，即在僅設(shè)帷幕的情況下，等勢線的變化不大；在同時對帷幕和排水進行設(shè)置的情況下，帷幕后側(cè)巖層中的水頭值有顯著的下降。在帷幕滲透系數(shù)為5.5 Lu時，在一定范圍內(nèi)，帷幕下游側(cè)巖層中水頭值會增大。

3.3.2 典型斷面壩基揚壓力

在三種工況下，選擇河床的兩個斷面上的壩基揚壓力進行計算，表5為不同計算斷面壩基揚壓力值。

表5 不同計算斷面壩基揚壓力值 kN·m-1

由表5可知，工況2與工況1相比，各壩段的揚壓力均有所減小，且減小的絕對值相近；工況3與工況2相比，各個壩段的揚壓力均顯著減小，揚壓力的減小量在河床壩段最大，向兩岸岸坡壩段逐漸減小。

3.3.3 滲流量分析

在下游水位529.5 m，上游水位572.7 m條件下，對不同工況下壩基滲流量的變化進行計算，表6為滲流量計算結(jié)果。

表6 滲流量計算結(jié)果匯總 m3·d-1

由表6可知，相比于無帷幕無排水工況，在帷幕設(shè)置后，總滲流量減小7.1%；在帷幕和排水設(shè)置后，總滲流量會增加28.9%；在工況3中，總滲透率提高了9.1%，增加了719 m3/d壩基孔口的滲透率提高了505.2 m3/d，占總滲透率的69.8%。在三種工況下，上游和下游水力梯度的分界線處，滲透量和滲出量基本一致，說明了分界線處的滲出量是由分界線所決定的，而不受計算條件的影響。

4 結(jié) 論

本文以廣東省新豐江水電站工程為研究對象構(gòu)建數(shù)值模型，對軟巖壩基滲流控制效果進行數(shù)值分析與評價，得出如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)有防滲、排水設(shè)計可將壩體與壩基巖層內(nèi)水頭值顯著減小，有效地降低壩基揚壓力，相比于無滲控措施工況，可減小一半的揚壓力；依靠排水設(shè)施實現(xiàn)壩基揚壓力降低，防滲帷幕在壩基揚壓力降低方面貢獻很小。

(2)在已有的滲流控制措施下，當帷幕的滲流系數(shù)達到5.5 Lu時，壩體和壩基內(nèi)等水頭線的分布及壩基的揚力值沒有顯著的改變，而壩基的總滲流量和壩基的排水孔排水量的改變僅為7.1%。

(3)三維有限元滲流計算表明，現(xiàn)有防滲、排水系統(tǒng)可降低壩基揚壓力，減小壩基滲漏量，帷幕可降低坡壩段壩基揚壓力；在帷幕滲透系數(shù)為5.5 Lu時，各壩段壩基揚壓力變化不明顯，壩基滲流量增加9.1%。