堆龙河下游梯级水闸库区渗流场分析及渗控研究

2022-12-15丁晶晶蔡明光

水电站设计 2022年4期

马林，丁晶晶，蔡明光

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611730）

0 前言

堆龙德庆区堆龙河两岸综合治理工程（下游）位于西藏自治区拉萨市堆龙新区境内的堆龙河干流上。工程根据河道输沙、小范围内集中清沙的河道功能要求，并结合水生态、城市居民亲水性等需要，自上游向下游方向设置了4座梯级生态蓄水闸。根据地质勘探，工程河段存在较厚的强透水砂卵石覆盖层，生态蓄水闸工程建成蓄水后，库区水位抬高，必然造成库区渗流场变化，导致库岸浸没、渗透稳定及库区生态蓄水平衡等工程问题［1-2］。堆龙河生态蓄水闸蓄水后形成的水库属城市型水库，库岸两侧已建成或待建大量建筑，库岸地下水位抬升引起的浸没问题势必对这些建筑物基础产生不利影响，而渗透稳定及库区蓄水平衡问题则直接影响水库的安全及蓄水效果。关于渗流及防渗技术的研究已有大量文献记录［3-6］，本文结合工程河段地质条件及工程设计成果，拟开展相关渗流分析及渗控方案研究工作，为工程设计提供理论依据。

1 有限元计算模型及计算方案

基于渗流场与温度场在基本理论、微分方程、初始条件及边界条件的相似性，渗流计算采用ANSYS的热分析模块。已有的案例［7-9］显示该热分析模块应用于渗流场模拟，具有较好的可行性及可靠性。

1.1 有限元计算模型

根据堆龙河拟建闸坝库区地形地貌、水文地质条件及划分出的两岸浸没区范围，确定三维渗流场有限元计算模型范围为：自4号闸坝轴线取至上游约740m，自1号闸坝轴线取至下游约160m，顺水流方向共3600m；左岸自3号闸坝中心往左岸约1250m，右岸自3号闸坝中心往右岸约1050m，模型横河向长度约为2300m；在高程方向模型从地表覆盖层到基岩（相对不透水层）的完整地层，模型平均厚度约150m（见图1）。

图1 三维有限元模型

1.2 计算方案及计算参数

库区初步设计防渗措施为：①闸前水平防渗由上游侧膨润土防水毯、铺盖、闸底板三部分共同组成；②堤岸垂直防渗形式采用塑性混凝土防渗墙方案。

为了深入研究建闸蓄水后堤岸垂直防渗与闸前水平防渗措施的渗控效果，优化闸坝防渗措施（闸前水平防渗毯、闸基垂直防渗墙），初拟以下3种渗控方案开展建闸后最高蓄水位条件下的渗流计算研究。渗控计算方案见表1，库岸各地层渗透系数见表2。

表1 计算方案

表2 库岸各地层及防渗墙渗透系数

2 模型验证

根据堆龙河区域水文地质条件的综合分析，三维有限元模型在天然平水期的计算边界按如下方法确定：①底边界取为隔水边界；②地表边界，主要确定主河床水位，主河床水位根据BZK2钻孔及BZK3钻孔水位确定相应河道断面处的水位及河道水面坡降；③上下游边界、左右岸边界取为第一类边界条件，即定水头边界条件，具体水头值将通过天然渗流场反演分析各钻孔水位确定，钻孔位置及钻孔水位见图2和表3。

为论证计算模型边界选取的合理性，提取水位观察钻孔部位的水位计算值与观察值进行对比分析如表3所示。从表3中可知，渗流反演计算得出的钻孔水位与实际观察水位的绝对误差均值小于0.5m，相关系数约0.991，说明反演渗流场能够较客观地反映河道钻孔区域的渗流特性。

表3 钻孔水位计算值与观测值对比分析结果

3 结果及分析

3.1 库岸浸没影响分析

图3为库岸区域蓄水前后渗流场分布及地下水位等高线及流势，图4为各方案蓄水工况区域地下水位变化值等值线。由图3～4看出，堆龙河在拟建多级闸段两岸地形较为平缓，从地下水渗流趋势来看，区域天然平水期的地下水总体呈上游向下游补给为主，两侧向河床补给为辅的趋势；蓄水后，由于河床水位抬高，堆龙河区域的地下水大致呈上游向下游补给、河床向两岸流失的趋势；在最高蓄水位期沿岸未设垂直防渗措施时，较天然平水期的地下水位抬升最大值达2.84m。

图3 库岸区域地下水位等高线及流势

图4 各方案区域地下水位变化值等值线

各方案下，垂直防渗墙形式以及闸坝防渗措施（上游水平防渗毯及闸基垂直防渗墙）对于库区总体渗流场的地下水位影响程度有限，对地下水位的影响值最大不超过4cm，这是由于库区的主要渗透通道为包括河床内外的最大厚度大于80m的强透水松散-密实卵石层，而悬挂式防渗墙深度8m，无法完全截断河道向两岸的渗漏通道，故防渗墙对于库岸区域的整体地下水水位影响并不显著。

3.2 库区水量平衡分析

建闸蓄水后，因库区地层组成物质主要为强透水的卵石层，库区易发生排泄型渗漏，渗漏程度直接影响库区的蓄水效果。经计算，各方案库区最高蓄水位期较天然平水期的库区总渗漏量差见表4。

表4 各计算方案库区最高蓄水位较天然平水期的库区渗漏量差

由表4可知，堤岸无垂直防渗墙措施时，四级闸库区的总渗漏量约为4.82m3／s，略大于河道枯水期最小来水量4.7m3／s，不能满足建闸后的河道综合治理蓄水要求。在设置沿堤岸8m深防渗墙方案下，库区最高蓄水位较天然平水期的库区渗漏量差均小于枯水期平均最少来水量4.7m3／s。相较于堤岸不设防渗墙工况，如设置沿堤岸8m深塑性混凝土防渗墙，河道内总渗量减小41.68%；设置沿堤岸8m深高压旋喷防渗帷幕后，使河道内总渗量减小32.53%。方案四在闸坝处防渗措施采取闸底垂直防渗墙后，使河道内总渗量减小44.39%，与方案二的防渗效果相比只提升了2.71%，可见闸基的水平防渗和垂直防渗措施对河床的总渗漏量影响较小。

3.3 河床覆盖层及闸坝结构渗透稳定分析

最高蓄水位工况下，河道内水位升高，可能引起河床覆盖层渗透比降增大，当渗透比降大于覆盖层允许渗透比降时，会威胁到工程结构的安全稳定性。结合渗流计算结果在工程区域选取4个横河向剖面（见图5中剖面A-A′、B-B′、C-C′、D-D′）和4个顺河向剖面（见图5中剖面1-1′、2-2′、3-3′、4-4′），分析不同渗控方案下典型剖面的地层和防渗结构的渗透比降分布规律。图5为上述剖面在有限元模型研究范围内的布置示意。

图5 典型剖面布置示意

各渗控方案下工程区域防渗结构及典型剖面地层最大渗透比降见表5。从表5中可以看出，最高蓄水位工况下，方案一未设置垂直防渗措施，堤岸下方土层内局部区域渗透比降最大值可达到0.64，远超允许渗透比降0.15～0.20，该情况下堤岸土层极有可能发生渗透破坏。

表5 各渗控方案下工程区域防渗结构及典型剖面地层最大渗透比降汇总

堤岸塑性防渗墙与高喷防渗墙对减小堤岸土层渗透比降均有显著效果，能有效避免地基发生渗透破坏。施作防渗墙后，闸基地层最大渗透比降分布在与闸前防水垫层前缘或闸室底板前缘接触部位，堤岸最大渗透比降分布在与堤岸防渗墙接触区域，最大渗透比降均在允许渗透比降0.15～0.2范围内，但从渗透比降的角度比较，悬挂式塑性防渗墙与旋喷灌浆式防渗墙存在一定差异，施作高喷防渗墙的情况下，墙体周围地层渗透比降略大，导致渗流量有所提高。