清原抽水蓄能电站防渗帷幕深度优化设计研究

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程简介

辽宁清原抽水蓄能电站位于辽宁省抚顺市清原满族自治县北三家乡境内，为日调节抽水蓄能电站[1]。电站的下水库坝址距清原满族自治县30km、距抚顺市117km、距沈阳市176km。清原抽水蓄能电站枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统和地面开关站等建筑物组成，为Ⅰ等大(1)型工程，永久性主要建筑物级别为1级，永久性次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级，设计洪水标准为200年一遇，校核洪水标准为2000年一遇[2]。

下水库位于浑河右岸支流树基沟河内，在树基沟村上游、河曲转弯段下游350m处拦沟筑坝形成下水库。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长372m，最大坝高49.55m。溢洪道布置在右岸坝端，泄洪放空洞布置在大坝右岸山体内，同时兼顾施工期导流。下水库坝基采用防渗墙和帷幕防渗。其中，防渗墙位于大坝轴线上游5m处，设计为C25混凝土防渗墙，墙深约11～29m，厚1.0m。防渗墙的顶端与坝体相连，底部设计帷幕灌浆。防渗帷幕的顶端为防渗墙底部，防渗帷幕的底部进入相对不透水层5m，高程约180.50～285.00m，原始设计方案布置1排孔距为1.50m的帷幕灌浆孔。鉴于大坝左岸顺河方向有F1断层穿过，原方案在其影响范围内加密3排灌浆帷幕，排距为1m，孔距为1.50m，帷幕底部高程为181.00m。为了防止大坝左岸坝肩上部和右岸坝肩下部的绕渗，原方案采取延长防渗帷幕的处理方式。结合大坝坝址的水文地质条件和工程条件，认为防渗帷幕原设计方案偏于保守，有进一步优化设计的可能。

2 三维有限元计算模型

2.1 模型的构建

ABAQUS软件[3]功能齐全，被广泛应用于工程模型计算的各个领域[4]。因此，本次研究中采用ABAQUS有限元软件构建大坝渗流模型。在模型构建过程中，将大坝坝轴线指向右岸的方向为模型的X轴正方向，垂直于大坝指向上游的方向为Y轴正方向，Z轴为竖直方向，向上为正方向[5]。模型的底部计算边界为80.0m高程，顶部计算边界为433.00m高程。由于大坝坝基渗流场受到的影响因素较多，因此采取细网格划分的C3D8R单元[6]，模型共划分为737218个单元、50214个计算节点。

2.2 计算参数

渗流系数对渗流场的计算和分析至关重要，在模型计算中根据清原抽水蓄能电站下水库坝址区的钻孔压实试验和注水试验结果，获得不同分区岩体渗透系数[7](见表1)。

表1 材料分区计算参数

2.3 计算工况设计

为了研究不同帷幕深度对防渗效果的影响，在原始方案基础上，以帷幕底部高程170.00m、210.00m和240.00m，按照正常蓄水位、20年一遇洪水位、50年一遇洪水位、设计洪水位和校核洪水位五个特征水位，在下游水位为266.00m条件下，设计出计算工况[8](见表2)。

表2 计算工况设计

3 计算结果分析

3.1 帷幕底部高程170.00m

在正常蓄水位条件下计算清原抽水蓄能电站下水库坝址区三维渗流场，得到总水头云图(见图1)和压力水头云图(见图2)。由计算结果可知，自由面在大坝的坝体以及左右坝肩部位均匀降低，坝体、防渗墙以及帷幕构成的大坝防渗系统中，水位降低十分明显，而防渗体系之外的山体内，水位降幅明显变缓。水库上游水位在经过防渗帷幕后水头有所降低，同时，防渗帷幕的渗透系数为0.01m/d，说明仅有较少水量渗流通过防渗帷幕。此时水流只有通过弱透水层向大坝下游渗流，因此，导致防渗帷幕处自由面均匀降低，由于大坝防渗体系之外的区域没有采取任何防渗工程措施，但是两侧宽厚的山体延长了渗流路径，从而使水库大坝上游两侧山体处的渗流水流呈现出缓慢降低的特征。

图1 总水头云图

图2 压力水头云图

对其余四个特征水位下的渗流场进行计算，结果显示出与正常蓄水位类似的分布形态。但是，坝址区各分区的渗漏量会随着水位的升高而增大。五个特征水位条件下的各分区渗流量计算结果见表3。正常蓄水位条件下，坝址区的总渗漏量为287.8m3/d；在20年一遇洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为333.7m3/d；在50年一遇洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为378.9m3/d；在设计洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为381.6m3/d；在校核洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为393.7m3/d。

表3 帷幕底部高程170.00m下渗漏计算成果

3.2 帷幕底部高程210.00m

计算清原抽水蓄能电站下水库坝址区三维渗流场，得到与帷幕底部高程180.00m工况下类似的分布特征：自由面在大坝的坝体以及左右坝肩部位均匀降低，坝体、防渗墙以及帷幕构成的大坝防渗系统中，水位降低十分明显，而防渗体系之外的山体内，水位降幅明显变缓。水库的上游水位在经过防渗帷幕后水头有所降低，同时防渗帷幕的渗透系数为0.01m/d，说明仅有较少水量渗流通过防渗帷幕。对五个特征水位下大坝不同分区的渗流量进行计算(结果见表4)。由表4可知，各分区的渗漏量会随着水位的升高而增大，在正常蓄水位条件下，坝址区的总渗漏量为399.0m3/d；在20年一遇洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为440.7m3/d；在50年一遇洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为482.8m3/d；在设计洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为492.5m3/d；在校核洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为507.5m3/d。

表4 帷幕底部高程210.00m下渗漏计算成果

3.3 帷幕底部高程240.00m

计算清原抽水蓄能电站下水库坝址区三维渗流场，得到与前两种工况下类似的分布特征，这里不再赘述。对不同特征水位下大坝不同分区的渗流量进行计算(结果见表5)。由表5可知，各分区的渗漏量会随着水位的升高而增大，在正常蓄水位条件下，坝址区的总渗漏量为510.8m3/d；在20年一遇洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为547.6m3/d；在50年一遇洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为600.3m3/d；在设计洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为632.0m3/d；在校核洪水位条件下，坝址区的总渗漏量为733.9m3/d。

表5 帷幕底部高程240.00m下渗漏计算成果

3.4 帷幕深度优化结果分析

根据不同工况的计算结果，在各种特征水位条件下，改变防渗帷幕底部高程，主要影响大坝坝基部位的渗漏量，而对左岸和右岸的影响不大。在正常蓄水位条件下，如果将帷幕的底部高程降低至170.00m，坝址区的渗漏总量为287.80m3/d；年渗漏量占入库总量的0.32%；如果将帷幕的底部高程抬高至210.00m，坝址区的渗漏总量为399m3/d；年渗漏量占入库总量的0.44%；如果将帷幕的底部高程抬高至240.00m，坝址区的渗漏总量为510.80m3/d；年渗漏量占入库总量的0.57%。

计算结果显示，将帷幕的底部高程抬高至210.00m时，坝址区的渗漏总量与原始设计方案比较接近，同时也符合工程渗漏设计要求。因此，建议在原始设计方案中将帷幕底部高程抬升至210.00m，既可以保证防渗系统具有相同的防渗效果，还可以减少工程投资，缩短建设工期。

4 结 论

水库工程建设过程中，坝址区渗漏问题不仅会影响水库经济和社会效益的正常发挥，还给远期的大坝安全带来不利影响。显然，坝址区防渗体系设计标准过低，则达不到防渗目的，如果设计标准过高，又不利于体现经济性。本文以辽宁省清原抽水蓄能电站下水库为例，利用ABAQUS三维有限元模型对坝基防渗帷幕的深度进行优化设计，获得如下结论：利用模型计算方法对坝址区三维渗流场进行分析，结果显示不同帷幕深度工况下，坝址区渗流场具有类似的分布特征，自由面在大坝的坝体以及左右坝肩部位均匀降低，坝体、防渗墙以及帷幕构成的大坝防渗系统中，水位降低十分明显，而防渗体系之外的山体内，水位降幅明显变缓；帷幕底部高程抬高至210.00m时，坝址区的渗漏总量与原始设计方案比较接近，建议在原始设计方案中将帷幕底部高程抬升至210.00m。