西霞院水库电站厂房坝段三维渗流计算分析

张俊霞，李 莉，朱登峰

西霞院反调节水库是黄河小浪底水利枢纽配套工程，该工程规模为大（2）型，属II等工程。电站厂房坝段位于混凝土建筑物坝段的北侧，由4台发电机组及安装间组成，电站装机容量140 MW；该坝坝段长179 m，宽73．3 m，最大坝高49．0 m。电站尾水采用底流消能，尾水护坦段长55．0 m（坝下0＋64．3～坝下0＋119．3），护坦底板厚2．0 m（底板顶面高程99．48 m，底部高程97．48 m）；海漫段长16．7 m（坝下 0＋119．3～坝下0＋136．0），海漫底板厚0．6 m（底板顶面高程99．48 m，底部高程98．88 m）。

1 水文地质概况

电站厂房位于右岸滩地，其北侧安装间邻近黄河，距黄河岸边约150 m，滩面高程一般为124．0～124．4 m。

电站厂房段地基主要属第四系覆盖层和下伏的上第三系地层。上第三系黏土（岩）与散（微胶结）砂层互层，并被多条断层切割，地层的性质十分特殊，无论层次或产状等均较杂乱，砂层为透水层，而黏土岩为相对隔水层，形成了比较复杂的水文地质条件。电站厂房段地基中第四系砂卵石层的平均渗透系数为20．0～30．0 m／d；上第三系地层砂类地层的平均渗透系数为1．0～2．0 m／d。

坝址区黄河水位为120．0～12l．0 m，左岸地下水位低于黄河水位，一般在112．0～l14．0 m之间，主要接受黄河水的补给；右岸地下水水位普遍高于黄河水位，在右岸河漫滩部位，地下水水位120．0～122．0 m。

2 电站厂房坝段渗流控制措施

电站厂房段地质条件比较复杂，从电站厂房基坑揭露的情况看，上第三系地层的小构造比较复杂。根据工程所处的地质情况，该段工程的地基处理采用水平放置的“［”形混凝土防渗墙防渗。混凝土防渗墙进入上第三系地层1．5～3．0 m，临河面截渗墙长度155．1 m（包括排沙洞部分），两侧向下游方向的防渗墙至坝下0＋64．3处结束，顺河向下游方向长64．3 m，防渗墙底部高程均为60．0 m。

3 渗流场计算

渗流场计算的目的是为了对电站厂房坝段的地下水运动规律、渗流控制措施的作用进行计算分析，获取渗流要素的定量指标，验证渗控设计方案的效果，为工程施工设计提供参考依据。

3．1 三维渗流有限元法计算原理及实施

3．1．1 基本原理

有限元法计算主要是求解渗流场内水头函数，确定渗流场内的自由面和渗流量等渗流参数。有限元法即把微分方程和边界条件按变分原理转变为一个泛函求极值的问题。首先把连续体或研究域离散划分成有限个单元体，然后形成代数方程组，在计算机上求解。求解渗流场中水头函数H的方程一般形式为

式中：［K］为渗透矩阵；｛H｝为未知待求的水头列向量；｛f｝为自由项列向量。

3．1．2 渗流量的计算

渗流量的计算采用中断面法选取单元的中断面A为过水断面，则通过一个单元的渗流量为

式中n为A的外法向。

通过渗流场中某一截面的渗流量Q（该截面上由n个单元组成的中断面）由通过这些单元渗流量的代数和组成，即

3．1．3 程序设计中有关问题的处理

（1）渗流场的剖分：渗流场的剖分采用八节点六面体等参数单元作为计算分析的基本单元，离散采用网格自动剖分。

（2）渗出段的确定：由于计算程序采用了自动剖分网格的方法，因而给渗出段的确定带来了方便。程序中安排了3种确定渗出段的方法：①沿上、下节点连线方向压缩或拉伸的方法；②重新剖分网格的方法；③上述两种方法的结合。这3种方法可结合实际工程的不同特点选用。亦即对可能成为渗出带上的节点，在前处理程序中，由程序自动找出相应水平向的相邻内部节点；在计算过程中，用内部节点的压力值来判断相应边界点的性质，以实现出渗段节点的可逆转换。

3．2 计算条件与计算参数

计算条件为无任何抽排情况下，两岸土坝段坝前没有淤积的正常运用工况，上游水位134．00 m，下游水位120．03 m。计算参数见表1所示。

表1 渗流计算参数表Table 1 Seepage calculation parameters

4 电站段渗流计算及防渗效果分析

4．1 混凝土防渗墙的防渗效果

综观电站厂房坝段的渗流场计算结果（图1）可知：水库蓄水后在正常运用工况水位134．0 m作用下（下游水位120．03 m），电站厂房段临河面基础砼防渗墙削减水头达60%左右，墙后剩余水头达40%左右。

图1 电站厂房坝段地下水位等线分布图Fig．1 Distribution of head－cut of the groundwater of the powerhouse

4．2 电站坝段尾水护坦及海漫底板扬压力计算

电站厂房坝段尾水护坦段及海漫段底板扬压力水头计算值见表2所示，4台发电机组中心线上的扬压力分布如图2、图3及图4（图中单位均为m）。

由扬压力水头值计算结果及扬压力线分布图可以看出：尾水护坦段上游端（坝下0＋64．3）最大扬压力水头为2．60 m，护坦段下游端（坝下0＋119．3）最大扬压力水头为1．57 m；海漫段上游端（坝下0＋119．3）最大扬压力水头为1．57 m，海漫段下游端（坝下0＋136．0）最大扬压力水头为0．90 m。

4．3 电站厂房段渗透坡降计算

工程实践结果表明，在透水性基础上筑坝，采用砼防渗墙防渗是一种行之有效的渗流控制措施。它能比较彻底地截断强透水层，控制坝基渗流量，使绝大部分势能削减在防渗墙内，使坝基渗透坡降控制在允许范围内，以保证其渗透稳定性。电站厂房段的渗透坡降计算结果（表2）也证明了这一点。从电站厂房段的渗透坡降计算结果可以看出，接触渗透坡降及下游出口坡降有超出允许坡降的现象（大于J允许＝0．1），如图4所示。

表2 电站厂房坝段尾水护坦段及海漫段底板扬压力水头计算表Table 2 The uplift pressures of tail water apron and apron extension of the powerhouse

图2 尾水护坦及海漫段底板扬压力等值线分布图（单位：m）Fig．2 Isopleth distribution of uplift pressure of the apron and apron extension（unit in m）

图3 尾水护坦及海漫段底板扬压力矢量图Fig．3 u Vectorgraph of plift pressure of apron and apron extension

图4 电站厂房坝段4台机组中心线剖面尾水护坦段及海漫段底板扬压力水头分布图（单位：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 结 语

（1）电站厂房段的渗流控制措施的选择和布置，从整体上看比较合理，考虑了枢纽区的工程、水文地质特点。基础防渗采用砼防渗墙截断了透水层，有效地控制了坝基渗流，对于降低消力池底板的渗透压力，起到了一定的作用。

（2）从扬压力等值线分布图来看，电站厂房段的尾水护坦段及海漫段均处于承压状态。尾水护坦段底板所承受的渗透压力值在2．60～1．57 m之间（水的密度约为1．0 t／m3），相对于尾水护坦段砼底板的压重（厚度2．0 m，钢筋砼容重约2．5 t／m3），底板所承受的渗透压力值在安全范围内；海漫段底板所承受的渗透压力在1．57～0．90 m之间，相对于海漫段砼底板的压重（厚度0．6 m），显然是处于临界状态。因此建议，设计施工中要充分考虑尾水护坦段及海漫段的渗透压力，对于海漫的砼底板厚度进行渐变加厚处理，亦即海漫段上游端至下游端，底板厚度由1．0 m渐变至0．60 m，从而确保电站厂房坝段的安全运行。

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