蓄水过程中水电站坝基稳定性分析

2023-07-28杨昌兴

陕西水利 2023年7期

杨昌兴

（黄平县重安片区水务站,贵州黄平 556100）

1 引言

水利设施包含了水电站、水坝、水文监测站等一系列水工建筑,集水力发电、抗旱抗洪、旅游运输、畜牧灌溉于一体。水利设施的每一部分都在日常生活中扮演着重要角色[1-2],因此水利设施的安全稳定运行对于保障整体系统具有重要作用,其中坝基作为今年来出现事故最多的位置[3-4],其稳定性是衡量一处水利设施安全性能的主要指标。基于此,不少学者通过不同方法对大坝的稳定性进行了分析预测[5]。

本文以某地水电站为研究对象,考虑坝基不同部位的渗流状态,依托渗流监测实测数据,对蓄水过程中的水电站防渗排水系统的稳定性进行研究评价。

2 工程概况

某水电站主要由拦河坝、泄洪、发电机组等主要设施构成,其中拦河坝坝体顶部高程约为866 m,正常蓄水位为808 m,最大容量为198.71 亿m3。发电站内安装有14 台12.5 万kW发电机组，总容量可达15000 MW,年平均发电量约为609 亿kW・h。水库会进行阶段性蓄水,从2021年4 月进行蓄水至最高值后回落至2022年年初的记录值790 m。

水坝所在的河流流域洪峰期平均为3 天,5年平均降雨量为1128 mm,其中在汛期时的降水量为全年降雨量的68%,5年内最大降雨量为1997 mm,5年中最小降雨量为711 mm。5年中水坝平均流量为63 m3/s,5年中的最大流量为2591 m3/s,最小流量为15.8 m3/s。水坝所处区域位于河谷地带,且上下游地形落差较大。坝区地层为第四系覆盖层,覆盖层厚度约为18 m~64 m 范围,覆盖层主要由坡残积物（Q4edl）和冲洪积物（Q4pal）构成,其地层构成主要包含黏土、卵石、粉质黏土。

水利枢纽的防渗帷幕由三部分构成,分为基础帷幕、厂房帷幕和二道坝防渗。从整体上看坝体左岸分别在6 个不同的高程上设置了6 层灌浆孔洞,右岸同样在6 个不同高程设置6 层灌浆孔洞。坝体的三排帷幕灌浆集中在以坝基为准500 m 以下的高程中,其中三排帷幕中中层属于主要帷幕。主要帷幕孔洞底部的高程为500 m,其余两层副帷幕的深度均为主要帷幕深度的7/10。

坝体的排水主要分为大坝基础排水和水垫塘排水。大坝基础排水的排水模式为引流排水,而水垫塘排水的方式主要为抽排。大坝基础排水的排水系统构成分为止水帷幕、集水井及泵房。其中排水帷幕设置为2 层,其中第一层排水帷幕的布置方式为在坝体左右岸同时设置5 个不同高程的排水洞；第二层排水帷幕的布置方式为在500 m 高程下的区域设置两排间距为1.5 m 的排水孔洞,其中排水孔洞同样分为主孔洞及副孔洞,副孔洞的深度为主孔洞的7/10。

3 研究方法

在大坝修建完成并开始蓄水后,由于存在高低水头差,水库中的水土会以坝基及坝肩之中的软弱结构作为渗流通道发生渗流。随着渗流通道的逐渐扩张,造成的渗漏不仅使库区水体流失,还会影响发电效益,此外通过渗透水流产生的扬压力会对坝体的稳定性造成负面影响。

在此条件下,该水电站采取防渗为主并结合排水的形式,为了对坝体在蓄水过程中的防渗效果及稳定性进行分析,分别对坝基蓄水过程中的渗流量、降雨量进行持续监测。坝基渗流量的获取方法主要通过将坝体分割为如图1 所示的1-31坝段后,将量水堰分别布设在各个具有代表性的坝段内。如坝基处的量水堰布设在19、20 号坝段的排水廊道之中用以监测11~24 号坝段的排水流量。降雨量监测：在坝区的左右岸及河床坝基处分别设置3 个降雨量监测点,主要采用虹吸式雨量计,持续记录降水量和降水时长数。水位线监测：在大坝上下游各设置一个监测点,采用压力式水位计对坝区蓄水前后的水位线变化进行持续观测。渗流量、降雨量及水位线观测时间从2021年1 月持续至2022年2 月截止。

图1 坝体分段剖面图

对于渗透流量的监测,根据量水堰的监测结果如实记录；对于虹吸式雨量计监测的降雨量结果,由于设置3 个监测点,根据3 个监测点监测到的数据取其平均值作为最终降雨量；根据压力式水位监测的蓄水前后水位线的变化情况,对坝体上下游水位线变化情况分别记录为上游水位线和下游水位线数据。

4 结果分析

4.1 坝基渗流分析

通过1年的持续观测,将获取的河床坝基处的渗流量及降雨量观测数据绘制成河床坝基总渗流量及降雨量时序变化图,见图2。

图2 河床坝基总渗流量及降雨量时序变化图

从图中可以看出,在蓄水前由于需要将部分排水孔进行封闭,因此在蓄水前河床坝基的总渗流量呈现出下降的趋势,总体渗流量降至330 L/min,而在蓄水完成则需将部分排水孔开放,因此从2021年4 月开始蓄水至2021年10 月,河床坝基总渗流量呈现出不断增长的趋势,最大渗流量达1225 L/min。通过对比上游水位的变化趋势可以看出：上游水位与河床坝基总渗流量的相关性较为密切,变化趋势大致相当,而降雨量则对河床坝基总渗流量影响较小,说明渗流总量的变化主要与上游水位相关。

为了进一步分析降雨量及上游水位与渗流量的关系,分别对左右岸的渗流量进行监测,并绘制左右岸坝基总渗流量及降雨量时序变化图,见图3。从图中可以看出,对比于坝基总渗流量,左右岸两侧的渗流量较小,其中左岸最大渗流量为360 L/min,而右岸的最大渗流量为90 L/min。且渗流量较大时间段均对应于降雨量集中时间段,左右岸的渗流量分布规律大致相同,但左岸渗流量远大于右岸渗流量,可能原因在于左右两岸的地形地质分布不同,而致使流量不均。上述结果表明：降雨量对左右岸两侧的渗流量影响较大。

图3 左右岸坝基总渗流量及降雨量时序变化图

4.2 坝基渗透压分析

水流渗透通过坝基位置时,产生的渗透压力会降低坝体的抗滑稳定性,因此在考虑渗流量影响的基础上还需对坝基的渗透压力进行分析。通过在不同坝段及不同高程灌浆孔洞上布设渗压计来对坝基及两岸的渗透压力分布情况进行分析研究。折算后的各坝段坝基地下水左右岸方向分布图见图4。

图4 折算后的各坝段坝基地下水左右岸方向分布图

从图中可以看出,各个坝段的水位相较于库区上游水位均较低,且越靠近坝段中部位置,水位越低,靠近两侧水位则越高,总体呈现出二次抛物线的变化趋势。当水流通过坝基位置的排水孔时,各段的折算后的水位均低于排水廊道的底板。此现象表明：坝基排水孔能够降低坝基位置的压降。

考虑到坝基软弱面处的抗变形能力差、遇水劣化等特点,因此需要针对此部分进行渗透压力监测,其监测手段仍然采用渗压计,选用PYC3-1 和PZC3-1-1 两种渗压计进行监测,其中PYC3-1 安装于26 号坝段（右岸）,PZC3-1-1 安装于4号坝段（左岸）,根据检测结果绘制渗压计监测下的水位与上游水位变化趋势图,见图5。

图5 渗压计监测下的水位与上游水位变化趋势图

从图5 可以看出,PYC3-1 渗压计水位随时间的变化趋势监测到的4 号坝段水位线与上游水位变化趋势大致相当,此结果表明坝基左岸坝基部位位置处的水流渗透较为活跃,上游水位与下游水位联系能力较强,因而使得分布于左岸的坝基的软弱层可能为库区水的渗透提供渗透通道,而导致左岸渗透压力大的原因可能在于左岸坝基错动带与库区水的连通能力较差,且针对左岸的渗控措施未能有效发挥到控渗作用,使得软弱地层为左岸坝基渗透提供了一定的通道；PZC3-1-1渗压计水位随时间的变化趋势与上游水位变化趋势相关程度不如PYC3-1,但总体上仍然趋近一致,此结果表明左岸坝基的渗水能力较高,因此左岸软弱层结构可能为库区水渗漏造成一定影响。

4.3 坝段渗流分析

根据监测结果,做出了如图6 所示的折算后的17 号~19 号段坝基地下水分布图。从图中可以看出,对于帷幕前的折算水位,18 号坝段明显低于17 号与19 号坝段,但灌浆廊道、基础排水廊道等帷幕后的折算后水位又高于17号及19号坝段。此现象表明：18 号坝段的灌浆效果较17 号及19 号坝段的灌浆效果差,从而导致库区水流经防渗帷幕的薄弱处向外渗流,使得17 号和18 号坝段在蓄水前的各段渗流量相对较高。