出居沟水电站深覆盖层闸基渗透稳定评价

2018-05-15，

四川水利 2018年2期

，

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610047)

1 工程概况

出居沟水电站位于四川省宝兴县境内的宝兴河一级支流西河上，是西河梯级规划的龙头水库，为低闸引水式电站。水库正常蓄水位1806.00m，总库容32.3万m3，具有日调节性能，电站装机容量85MW，为单一发电工程，无灌溉、防洪等要求。挡水建筑物为闸坝结构，最大坝高22m。

2 闸基覆盖层工程地质特性

闸(坝)基河床覆盖层最大厚度大于85.15m，可分为三大层，闸(坝)基持力层结构不均一，颗粒大小悬殊，以粗粒～巨粒土为主，少量细料充填于粗颗粒之间的空隙中，渗透性强，抗渗性较差，存在渗透变形问题。上部第Ⅲ层漂(块)卵(碎)石层的渗透变形类型为管涌破坏；中部第Ⅱ层粉质粘土透水性微弱，抗渗性好，其渗透变形破坏形式为流土破坏；下部第Ⅰ层泥碎砾石层，组成物质仍以粗粒土为主，虽结构较密实，具中等透水性，但渗透变形破坏形式仍以管涌破坏为主。

坝轴线工程地质剖面如图1所示。

3 渗流计算方法及边界条件

本文计算方法采用饱和非稳定渗流有限元方法，非稳定渗流问题的数学模型如下：

图1 坝轴线工程地质剖面

其中：xi为坐标，i=1，2，3；kij为达西渗透系数张量；h=x3+P/r，为总水头，x3为位置水头，P/r为压力水头；Q为源或汇项(本次计算为降雨入渗量)；Ss为贮水系数(稳定渗流计算时为0)。

边界条件：

h|Γ1=h1

其中：hi为已知水头函数；ni为渗流边界面外法线方向余弦，i=1，2，3；Γ1为第一类渗流边界条件；Γ2为第二类渗流边界条件；Γ3为渗流自由面；Γ4为渗流逸出面；qn为法向流量，流出为正。

4 计算结果与分析

通过三维渗流计算，研究闸基渗流场分布以及覆盖层渗透稳定性。

4.1 模拟范围及边界条件

4.1.1 模型范围

截取边界：X方向，顺河向自上游指向下游取约400m；Y方向，沿坝轴线自右岸指向左岸截取约400m；Z方向，以高程为坐标，底高程截至1650.00m，顶高程截至1808.00m。

4.1.2 模型边界

计算模型中边界类型主要有已知水头边界、不透水边界两种：①已知水头边界包括坝区上下游水位淹没线以下的定水头边界；②坝体按不透水介质处理，即建基面为不透水边界。

4.1.3 水力条件

上游水位取正常蓄水位1806.00m，根据地质提供的地下水资料以及对下游水位的敏感性分析，考虑安全余度，下游截取边界水位1784.00m。

有限元计算模型网格如图2所示。

图2 三维有限元模型

4.2 计算参数

表1为根据试验结果以及工程经验类比确定的各坝料分区和坝基的水平和竖直渗透系数。

4.3 计算结果与分析

出居沟电站闸基覆盖层深度超过80m，对比类似工程，采用悬挂式防渗墙，防渗墙伸入第②层粉质粘土层，闸基防渗效果主要取决于防渗墙深度。研究中，分别选取防渗墙底部高程为1741.00m和1751m进行比选。

坝区典型剖面渗流场(防渗墙底高程为1741.00m)分布如图3所示，由于Ⅱ层相对Ⅰ、Ⅲ层渗透系数较小，Ⅱ层承担了消减水头的作用；在防渗墙底部下游侧(第Ⅱ层内部)其最大渗透坡降可达1.831，以防渗墙底部为中心向外辐射状减小。在防渗墙周围一定范围内Ⅱ层土颗粒可能启动进入上层土体，但还不至于有大量土体颗粒的移动，在该层顶部渗透坡降小于允许渗透坡降，因而总体来说渗透稳定还是比较安全的；第Ⅰ层最大渗透坡降可达0.15，位于防渗墙底部与Ⅱ层交界处，其余部位坡降均小于允许坡降；Ⅲ层在闸底出口段坡降较大，最大为0.245，小于临界坡降(0.62～0.70)，采取反虑排水措施可达到渗透稳定的要求。坝区总渗流量为4809.0m3/d(0.056m3/s)，其中闸基渗流量占总渗流量的93.3%。基于渗流量较小，考虑将原设计防渗墙抬高10m(防渗墙底高程为1751.00m)渗流场分布如图4所示，其两岸渗漏量变化不大，闸基渗漏量增加到原来的4.34倍。因此防渗墙底高程设计为1741.00m。