西藏雅鲁藏布江某电站左岸阶地渗流计算分析

吴喜江, 李院忠, 王义伟, 李 辉

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

西藏雅鲁藏布江某电站左岸阶地渗流计算分析

吴喜江, 李院忠, 王义伟, 李 辉

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

西藏雅鲁藏布江中游河段电站目前处于加速开发阶段,藏木下游河谷两岸阶地覆盖层厚度较大,范围较广,待开发电站均存在深厚覆盖层的绕坝渗漏及渗透稳定问题,在进行防渗方案设计时,由于覆盖层透水性强,垂直河道的水力坡降较小,其防渗帷幕线难以延长至正常蓄水位线与地下水位搭接处。因此,采用达西定律和三维有限元两种方法对该电站的绕坝渗漏及渗透稳定问题进行分析计算,研究讨论防渗帷幕线的长度及深度,从而确定左岸阶地的防渗型式,以期对西藏地区同类型的水电站建设有借鉴意义。

阶地;深厚覆盖层;绕坝渗漏;渗透稳定;防渗帷幕线;雅鲁藏布江

1 概况

雅鲁藏布江是西藏最大的一条河流,具有丰富的水力资源,主要集中在雅鲁藏布江干流中游河段。目前,中游河段规划推荐了11级开发方案。以藏木为界,下游河谷地貌类型为宽谷地貌,河床类型为弯曲河床。由于落差相对小,流速较慢,河道搬运能力相对较弱,沉积物多,侧蚀作用较强,河谷宽广,成U型,河床物质以卵、砾、砂等粗颗粒物质为主,最大厚度达100 m以上。

目前,国内加大了对雅鲁藏布江中游河谷段的水电开发力度。某电站的坝址即位于藏木下游的宽谷中,采用混合式开发,水库正常蓄水位为3 206 m,拦河坝为混凝土重力坝,最大坝高为60 m,坝长304 m,坝顶高程为3 210 m。

电站坝址区雅鲁藏布江河道呈缓弧状,河流流向由SE95°转至NE65°。枯水期江水面高程3 169.2 m,水面宽100～150 m。河漫滩、河心滩不发育。坝址区左岸发育有Ⅲ级与Ⅳ级阶地,Ⅰ级与Ⅱ级阶地缺失。Ⅲ级阶地地面高程3 202～3 226 m,河高34～58 m,分布范围较广,宽约880 m;Ⅳ级阶地地面高程3 248～3 283 m,分布范围较广,宽1 000～1 200 m。坝址右岸为基岩山坡,坡度一般为30°～60°。

由于坝址左岸覆盖层范围广、厚度大,且以粗颗粒物质为主,故坝址的绕坝渗漏及渗透稳定问题较为突出,对于工程安全、工程进度、工程投资都有重大影响,因此,需重点研究深厚覆盖层的渗透特性及防渗方案。

2 坝址区基本地质条件

① 含漂砂卵砾石:主要分布于河床,厚度5～15 m。漂石含量10%～20%,次磨圆—磨圆状,粒径20～40 cm,成分以花岗岩为主;卵石含量20%～30%,次磨圆—磨圆状,粒径6～20 cm,成分以花岗岩为主;砾石含量30%～40%,粒径1～6 cm,次磨圆—磨圆状,成分以花岗岩、千枚岩为主;砂含量10%～20%。

② 中粗砂:主要分布于江左岸阶地表部,厚度5～15 m,层底高程约为3 195 m,低于正常蓄水位约11 m。灰白色,干,结构松散—稍密,中粗砂含量60%～80%;砾石含量10%～20%,粒径以2～5 mm为主,次磨圆—磨圆状,成分以花岗岩、砾岩、千枚岩为主;漂石及卵石含量10%～20%,最大粒径50 cm,次磨圆—磨圆状,成分以花岗岩为主。

图1 某电站坝轴线工程地质剖面图Fig.1 Profile of engineering geology of axle in a power station dam

②-1砂质粉土:灰—黄褐色,干,结构松散,系风成,含有机质及植物根系。主要分布于江左岸阶地表部,厚度0.5～3.0 m。

③ 漂卵石:主要分布于左岸阶地上部,层顶高程为3 195～3 205 m,厚度25～60 m。杂色,漂石含量30%～40%,次磨圆—磨圆状,粒径20～460 cm,成分以花岗岩为主;卵石含量20%～30%,次磨圆—磨圆状,粒径6～20 cm,成分以花岗岩为主;砾石含量20%～30%,粒径1～6 cm,次磨圆—磨圆状,成分以花岗岩、千枚岩为主;砂含量10%～20%。

④ 混合土碎石:主要分布于左岸阶地深部,第③层之下,结构中密—密实,在左岸Ⅲ级阶地部位层顶高程3 160～3 172 m,厚度20～50 m;左岸Ⅳ级阶地部位层顶高程3 170～3 187 m,厚度50～60 m。黄褐色—灰色,碎石含量50%～80%,上部碎石含量较高,局部为孤石,下部碎石含量较低,块径1～30 cm,上部碎石以棱角—次棱角状为主,下部碎石磨圆度较好,成分均以花岗岩、石英颗粒及千枚岩为主;其余为砂。

第④层混合土碎石内部发育④-1、④-2、④-3等3层透镜体,其中,④-1层为砂质粉土,④-2、④-3为含细粒土砂。分别描述如下。

④-1砂质粉土:黄褐色,稍湿—湿,结构松散—稍密。主要分布于左岸距离河床约200 m处、第④层之上,钻孔揭露发育高程为3 164.7～3 167.7 m,呈透镜体状,厚度0.5～3.0 m。

④-2含细粒土砂:主要分布于河床至左岸阶地300 m范围内,发育高程3 130～3 160 m,厚度10～30 m,结构稍密。土黄色,砂含量60%～70%;砾石含量20%～30%,块径一般0.2～2 cm,棱角—次棱角状,成分以花岗岩为主;粉土及粘土含量一般5%～10%。

④-3含细粒土砂:颜色及组成物质与④-2一致。主要分布于左岸阶地距离江边约200 m处,呈透镜体状,发育高程3 122～3 129 m,钻孔揭露厚度为6.3 m。

坝址区出露的基岩地层主要为三叠系姐德秀组,岩性以石英千枚岩为主,夹少量的千枚岩及白云石片岩,覆盖层下伏基岩基本以弱—微风化岩体为主,属弱—微透水性。

地下水主要分为基岩裂隙水和第四系松散地层孔隙潜水两种类型。工程区基岩裂隙水较贫乏,接受大气降水及冰雪融水的补给,向河谷排泄。第四系松散地层孔隙潜水主要赋存于河谷谷底分布的阶地内,接受大气降水的补给,向河流排泄。

左岸阶地覆盖层渗透性较好,根据钻孔的地下水位长期观测资料显示,地下水年最高水位基本出现在8月,年最低水位出现在3—4月,水位变幅较小,变化范围在2.7～7.3 m之间。

对左岸阶地钻孔地下水位进行了一个水文年的观测,Ⅲ级阶地地下水位(距离江边0～950 m):由河床至距离江边0～200 m范围地下水位高程为3 167～3 170 m,埋深一般35～40 m,地下水位高程基本与河水面高程一致或略高于河水面;距离江边200～315 m范围内地下水位抬高较为明显,由3 168 m抬高至3 180.60 m(枯水期水位);距离江边315～700 m范围内地下水位变化较小,高程为3 180.60～3 184.54 m(枯水期水位),埋深15～25 m;距离江边700～950 m范围内地下水位高程随着地表高程变化而抬高,地下水位由3 184.54 m抬高到3 188.93 m(枯水期水位)。Ⅳ级阶地:向山里阶地方向地下水位逐渐抬高,由3 188.93 m(枯水期水位)至3 206.93 m(枯水期水位),推测地下水位高程抬高至3 206 m时与江边距离约为1 050 m。左岸阶地的地下水水力坡降为3.52%。

3 渗流计算

坝址区河床处覆盖层厚度较薄,根据水工建筑物布置方案,河床处覆盖层已挖除,除左岸挡水坝段外,其他坝段均坐落于基岩上,因此,绕坝渗漏及渗透稳定问题仅出现在左岸阶地。坝址区左岸阶地左坝肩向山里方向200 m范围内覆盖层厚度为65～92 m,距离左坝肩200～500 m范围内覆盖层厚度为65～75 m,距离左坝肩500～700 m范围内覆盖层厚度为75～90 m。

根据现场勘察资料,提出了坝址区左岸阶地覆盖层的渗透系数及允许水力坡降(表1)。

本文采用了达西定律和三维有限元两种方法对左岸阶地进行了渗流计算,对比研究讨论防渗帷幕线的长度及深度,从而推荐左岸阶地的防渗型式。

表1 左岸阶地覆盖层渗透系数一览表

3.1 达西定律方法

3.1.1 绕坝渗漏计算

由图2可以看出,坝址区左岸Ⅲ级阶地较平坦,地面高程略高于正常蓄水位,库水基本分布于左坝肩延长线附近,长度约675 m。

图2 坝址区左岸绕坝渗漏计算示意图Fig.2 Sketch map of seepage calculation on the left bank around the dam

水库正常蓄水位为3 206 m,库水外渗溢出点高程为3 169 m,水头为37 m,渗漏途径为150～825 m,覆盖层厚度为80 m,具体计算情况见表2。

Q=K·F·I

式中:Q为渗漏量,m3;K为渗透系数,取值1.5×10-1cm/s,即1.5×10-3m/s;I为水力坡降;F为渗漏面积。

由表2可以看出,左岸阶地绕坝渗漏量为7.22 m3/s,即62.38×104m3/d。

根据上述公式,在防渗深度进入弱风化基岩一定深度的基础上,针对不同的防渗帷幕线长度分别计算绕坝渗漏量(表3)。

雅鲁藏布江多年平均流量为1 030 m3/s。由计算结果可知,在防渗深度进入弱风化基岩的基础上,左岸阶地防渗长度在100～600 m时,相应的绕坝渗漏量为4.83～0.39 m3/s,占多年平均流量的4.69‰～0.38‰,其中,防渗长度为400 m时,绕坝渗漏量占多年平均流量的1.53‰。

3.1.2 渗透稳定问题

水库蓄水后,坝前最大水头抬高约37 m,在上下游水头差作用下,坝基覆盖层存在渗透稳定问题。根据试验成果结合工程类比,坝址区③漂卵石、④混合土碎石层渗透变形类型为管涌,④-2～④-3含细粒土砂层渗透变形类型为流土。

根据各层允许水力比降建议值,③漂卵石层所需渗流途径为529 m,则在③漂卵石层内防渗墙长度需>529 m;④混合土碎石层所需的渗流途径为308 m,则在④混合土碎石层内防渗墙长度需>308 m;④-2～④-3含细粒土砂层所需的渗流途径为123 m,则在④-2～④-3含细粒土砂层内防渗墙长度需>123 m。

3.2 三维有限元方法[1]

目前,在裂隙岩体渗流计算方面主要有等效连续介质模型和非连续介质裂隙网络模型等。等效连续介质模型基于多孔介质的渗流理论,一般根据常规的勘探资料即可获得反映裂隙分布特征的统计类参数,并计算得到将岩体裂隙的渗透特性概化为岩体的渗透张量。从目前工程实际应用情况看,用等效连续介质模型研究分析发生在复杂岩体中的渗流问题,不仅可以较容易实现,而且能够满足工程应用的要求,较好地解决实际工程问题。因此,本工程研究岩体的渗流问题采用集主要导水断层为一体的超等效连续介质模型。

表2 左岸阶地绕坝渗漏量计算一览表

表3 左岸阶地不同防渗长度的绕坝渗漏量表

根据有限元计算原理、收敛准则以及边界条件的处理方法,利用河海大学开发的“三维非稳定饱和—非饱和渗流有限元计算分析程序CNPM3D”进行三维有限元渗流计算。

根据渗流分析的一般原则,结合本工程地形和地质条件以及计算要求,确定计算模型范围和边界(图3)。

图3 计算模型截取范围及剖面位置示意图Fig.3 Sketch map of intercept range of calculation model and profile position

在综合分析计算区域内的地形、岩层等特征的基础上形成三维超单元网格。根据建筑物布置、岩体分层、断层构造以及计算要求等信息,取控制断面17个。首先形成三维超单元网格,其结点总数为1 465个,超单元总数为1 333个。加密细分后形成三维有限元网格,生成的有限元网格结点总数为64 388个,单元总数为59 060个。控制断面位置如图3所示,三维有限元模型网格如图4所示。

图4 三维有限元模型网格Fig.4 Grid of three-dimensional finite element model

3.2.1 天然地下水渗流场分析

采用基于三维有限元法的可变容差法反演分析地下水渗流场。首先,根据钻孔地下水位资料,推测计算模型截取边界处的地下水水位,确定初始边界条件。不计降雨入渗等影响因素,按稳定渗流场考虑,计算坝址区的天然地下水渗流场,并比较地下水位的计算值和实测值,分析枢纽区地下水位的分布规律,以及地下水位计算值随边界地下水位变化的规律,逐步调整计算模型截取边界处的边界地下水位和计算模型的岩性分区、计算参数等;反复计算分析和调整,直到地下水位的计算值与实测值的偏差满足工程精度要求(通常取5%),由此确定计算模型和天然渗流场,包括截取边界的地下水位、计算模型的岩性分区和计算参数等。

通过上述方法,分析整理可得地下水位等值线图及各选取剖面的位势分布图等,其中,地下水位等值线见图5。

图5 天然地下水位等值线图Fig.5 Contour map of natural underground water level

3.2.2 蓄水后地下水渗流场分析

水库蓄水后的渗流分析有限元模型的方法与建立天然地下水渗流场分析有限元模型的方法一致,不再赘述。

图6 蓄水后三维有限元模型网格图Fig.6 Grid chart of three-dimensional finite element model after impoundment

在天然地下水渗流场分析有限元模型的基础上,蓄水后三维有限元模型增加了防渗墙、坝基帷幕、消力池底坎帷幕和左右导墙帷幕、泄水和引水建筑物等结构。首先在综合分析计算区域内的地形、岩层、坝体等特征的基础上,生成控制剖面20个,据此在计算区域内形成超单元结构,超单元总数为909个,结点总数为1 087个;然后进一步离散形成有限元网格,生成的有限元网格结点总数为45 853个,单元总数为42 859个。三维有限元模型网格如图6所示。

3.2.3 计算工况

拟定以下工况进行计算分析(表4)。

表4 左岸防渗帷幕布置方案计算工况

3.2.4 计算成果分析

经三维有限元法计算,选取部分剖面进行分析整理,各工况条件下左岸绕坝渗透流量见表5,各工况下左岸阶地覆盖层各层的最大渗透坡降见表6。

表5 各工况下计算域内各部分的渗透流量

表6 覆盖层各分区最大渗透坡降表

由计算成果可以看出,在绕坝渗漏量方面,FSQ-1方案(防渗帷幕线长度500 m,深入基岩1 m)绕坝渗漏量略大,占多年平均流量的2.41‰,其余方案绕坝渗漏量均较小。

在渗透稳定方面,FSQ-1方案(防渗帷幕线长度500 m,深入基岩1 m)的覆盖层(③、④层)渗透坡降大于允许渗透坡降,FSQ-5(防渗帷幕线长度700 m,深度50 m)的覆盖层(③层)渗透坡降大于允许渗透坡降,不能满足要求,其余方案均能满足渗透稳定要求。

3.3 两种计算方法对比

根据达西定律方法进行渗流计算,在防渗长度为400 m、深度计入基岩时,绕坝渗漏量为1.58 m3/s,占多年平均流量的1.53‰,基本可满足防渗要求。当考虑渗透稳定问题时,由于③漂卵石层所需渗流途径为529 m,则在③漂卵石层内防渗长度需>529 m,因此,综合两方面原因,考虑到安全因素,采用达西定律方法进行计算时,左岸阶地防渗范围为左坝肩—左岸550 m、深度进入弱风化基岩1～2 m。

根据三维有限元渗流计算结果,FSQ-1与FSQ-5方案较差,FSQ-2～FSQ-4及FSQ-6方案绕坝渗漏量较小,且能满足渗透稳定要求。考察FSQ-2～FSQ-4及FSQ-6方案,防渗帷幕线深度需>50 m,且当防渗帷幕线深度为70 m、长度为650 m时,③漂卵石层的渗透坡降为允许渗透坡降的上限值,因此,结合分析成果,FSQ-2方案(防渗帷幕线长度700 m,深度70 m)较为合适。或在FSQ-6方案(防渗帷幕线长度700 m,深度进入基岩1 m)的基础上,减小防渗帷幕线长度,但需>500 m,以保证渗透稳定安全。

对比两种计算方法,其结果较为接近,在防渗帷幕线深度进入基岩的条件下,左岸阶地防渗长度在550～700 m之间,但三维有限元渗流计算方法得出的防渗范围略大。

4 结语

西藏雅鲁藏布江发育历史悠久,上新世—早更新世喜马拉雅山抬升,水流开始汇聚在喜马拉雅和冈底斯两个造山带之间,雅鲁藏布江开始形成[2]。在雅鲁藏布江的中游河段,阶地发育,覆盖层厚度较大,渗漏和渗透稳定问题突出。当在这些阶地进行渗流计算时,采用三维有限元方法难度较大,尤其是预可研阶段,难以进行复杂的三维有限元渗流计算,这时可采用较为简便的方法进行初步分析,例如达西定律等,其获得的结果与三维有限方法较为接近,差别不大,可供制定类似工程防渗方案的参考。

[1] 沈振中.西藏雅鲁藏布江某工程三维渗流计算分析与地下水环境影响评价研究[R].南京:河海大学水利水电学院,2015.

[2] 祝嵩.雅鲁藏布江加查段河流地貌对构造运动和气候的响应[J].地球学报,2011,32(3):349-356.

(责任编辑：陈文宝)

Seepage Calculation and Analysis of Terraces on Left Bank ofA Hydropower Station of Yarlung Zangbo River in Tibet

WU Xijiang, LI Yuanzhong, WANG Yiwei, LI Hui

(PowerChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

The power plants at middle reaches of the Yarlung Zangbo river is currently in the accelerating development stage,it has a large thickness and wide distribution of overburden of terraces on both sides of the valley downstream of Zangmu,all the power plants to be developed present the probloms of around the dam leakage and permeation stability of deep overburden. During impervious design,since the water permeability of overburden is strong,the hydraulic gradient which is perpendicular to the river is small,it is difficult to extend impervious curtain line to the intersection of normal water level and the groundwater table.Therefore,the authors use two methods of the Darcy’s law and three dimensional finite elementthe to analyze and calculate the around dam leakage and infiltration stability of the power station,study and discuss the length and depth of the impervious curtain line,to determine the seepage prevention type for the left bank terraces,in order to have reference significance for the construction of hydropower stations in Tibet which has the same type.

terraces; deep overburden; leakage around the dam; seepage stability,impervious curtain line; Yarlung Zangbo River

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

吴喜江(1981-),男,高级工程师,勘察技术与工程专业,从事水利水电工程地质工作。E-mail:sparklesnow@sina.com

TV223.4

A

1671-1211(2016)03-0379-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.031

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1532.040.html 数字出版日期:2016-05-05 15:32