基于有限元軟件SEEP/W對云南吊江巖水電站地下滲流情況的分析

秦乙洪,陳佳文，廖一天，辛 欣

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

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基于有限元軟件SEEP/W對云南吊江巖水電站地下滲流情況的分析

秦乙洪,陳佳文，廖一天，辛 欣

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

在水電工程建設中經(jīng)常遇到不良的地質(zhì)條件，需要對其進行處理，以滿足建筑物對地基的要求。本文結(jié)合工程實例采用SEEP/W軟件進行滲流分析，提出了適合該工程的防滲措施，可供該工程參考。

地基處理；滲流分析；防滲措施

眾所周知，在水利水電工程建設中，經(jīng)常會遇到不良的地質(zhì)條件，防止不同條件下地基的滲漏是正在研究的重要課題。壩基滲漏又稱壩下滲漏，是指由于水庫蓄水后導致水庫上、下游水頭差，使水庫中水沿壩基巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層等處向下游滲漏的現(xiàn)象[1]。壩基的滲漏不僅會降低水庫的綜合效益，增大對壩底的揚壓力，而且還可能引起壩基巖上體潛蝕，導致壩基失穩(wěn)[2]，引發(fā)難以估計的損失與后果[3]。本文選擇云南碩多崗河吊江巖水電站作為分析指標，采用有限元軟件SEEP/W對壩基進行分析和計算[4]，提出了相應的防滲方案，并比較了方案的優(yōu)缺點，選取了適合本工程的最佳防滲方案，結(jié)果可為該工程壩基地下防滲措施的選擇提供有力依據(jù)，可供參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

云南碩多崗河吊江巖水電站是在此河流上建筑規(guī)劃的第四個梯級水電站，建設地點位于云南迪慶州香格里拉縣虎跳鎮(zhèn)，該電站為單一發(fā)電工程。

整個混凝土閘壩坐落在沖積層上，初步擬定的基礎防滲措施是采用帷幕灌漿與混凝土防滲墻相結(jié)合的垂直防滲方式，防滲墻底高程2519 m，厚度0.6 m，最大高度19 m，左右岸帷幕灌漿廊道長度分別為20 m和60 m。

1.2 地層巖性

第四紀(Q4)：由坡崩積層和沖積層組成，總厚度大約為3.70～15.30 m。坡崩積層主要為混合土碎石和碎石混合土；沖擊層主要為卵石混合土、級配不良砂和粉土質(zhì)砂[5]。從上而下描述如下：

第一層混合土碎石：廣泛分布于兩岸邊坡及坡腳處，主要成分為灰?guī)r、板巖，其余為粉土和粘土，厚度大于150 m；第二層碎石混合土：碎石混合土分布較少，成分為板巖，其余為粉土及砂，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，厚度大約為20～70 m；第三層混合土卵石：該層混合土卵呈中密狀態(tài)，漂石含量較少，卵石含量較多，礫石含量約20%～30%，其余為砂，成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主，厚度大約為30～50 m；第四層粉土質(zhì)砂：粘粒含量和礫石含量較少，砂含量約較多，粉粒含量約22.0%，呈可塑狀態(tài)，厚度大約為80～150 m;第五層混合土卵石：第五層混合土卵石呈密實狀態(tài)，卵石含量約占大部分，礫石含量約20%～30%，其余為砂，其成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主。

2 巖(土)體物理力學參數(shù)

巖(土)體物理力學參數(shù)見表1、表2。

表1 壩基各巖石(體)的物理力學參數(shù)建議值

表2 壩址土體物理力學參數(shù)建議值表

3 地基滲流分析

3.1 計算時的邊界條件及材料參數(shù)

上游水位正常蓄水位高程為2563.30 m，下游無水高程為2540.8 m，故上游的水深為22.5 m。計算區(qū)域：左邊距離上游壩趾15 m，右邊距離下游壩趾27 m，地面距離弱風化板巖底部29.5 m，其中上游壩趾距離縱坐標軸20 m，下游壩趾距離縱坐標軸53 m，弱風化板巖底部與橫坐標軸重合。

根據(jù)工程參考資料對地基進行分區(qū)，由地面從上至下依次分別為：混合土卵石1層，粉土質(zhì)砂層，混合土卵石2層，強風化板巖層，弱風化板巖層。為研究上游有水作用時的滲流情況,此處將大壩的澆注材料混凝土也作為一種材料。具體材料對應的參數(shù)如下表3。

表3 地基材料分區(qū)及其對應參數(shù) m·s-1

3.2 有限元軟件SEEP/W建模及結(jié)果分析

SEEP/W 是一款巖土體滲流分析軟件，可以分析從簡單的飽和問題到復雜的非飽和問題，穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流。軟件可以定義滲透各項特性，通過瞬態(tài)分析，可以得出不同時刻、不同點的孔隙水壓力分布狀況。工程無防滲措施時總水頭曲線點選圖見圖1、總水頭變化分布圖見圖2。

由圖1可知地基下滲的水絕大多數(shù)從混合土卵石1層流出，且沒從壩體滲漏。由圖2知總水頭值沿程下降，在壩底下降的比較均勻。

由圖3和圖4中的總水頭曲線圖可以看出總水頭呈現(xiàn)沿程逐漸下降的趨勢，最大值52 m，最小值29.5 m。

圖1 總水頭曲線點選圖

圖2 總水頭變化分布圖

圖3 總水頭曲線點選圖

圖4 總水頭曲線圖

根據(jù)表2有混合土卵石的允許滲透坡降為0.07～0.12，由圖5和圖6混合土卵石1層滲透坡降圖表明，該地層最大滲透坡降為0.67，不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理[6]。

根據(jù)表2粉土質(zhì)砂的允許滲透坡降為0.05～0.07，由圖7和圖8粉土質(zhì)砂層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為1.62，不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理。

根據(jù)表2混合土卵石的允許滲透坡降為0.07～0.12，由圖9和圖10混合土卵石2層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.33，顯然不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理。

圖5 混合土卵石1層坡降曲線點選圖

圖6 混合土卵石1層坡降曲線圖

圖7 粉土質(zhì)砂層坡降曲線點選圖

圖8 粉土質(zhì)砂層坡降曲線圖

圖9 混合土卵石2層坡降曲線點選圖

圖10 混合土卵石2層坡降曲線圖

根據(jù)資料查得板巖的允許滲透坡降為7×10-11～1.6×10-10，由圖11和圖12強風化板巖層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.27，顯然不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理[7]。

根據(jù)資料查得板巖的允許滲透坡降為7×10-11～1.6×10-10，由圖13和圖14弱風化板巖層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.25，顯然不滿足規(guī)范要求，要對其進行防滲處理。

圖11 強風化板巖層坡降曲線點選圖

圖12 強風化板巖層坡降曲線圖

圖13 弱風化板巖層坡降曲線點選圖

圖14 弱風化板巖層滲透坡降曲線圖

4 防滲排水方案的初步擬定

本工程防滲排水設計采用上堵下排的設計原則。

(1)防滲設計。為防止庫水外滲與壩基出現(xiàn)滲漏破壞，初步擬定采用上游防滲墻與兩岸灌漿帷幕組成的垂直防滲體系。為防止壩體不均勻沉陷對防滲墻產(chǎn)生的拉裂等不利影響，在閘室及擋水壩段上游設一寬5 m、厚3 m的混凝土段短鋪蓋，混凝土防滲墻設于上游擋水壩段地基以下。根據(jù)地質(zhì)建議防滲墻深入相對不透水層1.0 m(防滲標準為q≤5 Lu)，底高程2519 m，墻厚0.6 m。

(2)排水設計。為將滲流安全的導向下游和減小閘基下游的滲透壓力，在泄洪閘和沖砂閘下游的護坦底部設置3級配的反濾層。濾層厚度0.6 m，由下至上依次為0.2 m中粗砂、0.2 m砂礫石及0.2 m碎石，并在護坦末端齒墻下游回填砂卵石防止出口的滲透破壞。

(3)防滲型式比選。本工程基礎直接建在河床沖積層砂礫石上，故基礎防滲型式對工程投資和運行安全等影響比較大。因此本階段對全帷幕灌漿帷幕防滲和混凝土防滲墻2種防滲型式進行比選，比選情況見表4。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)分析比較，全帷幕防滲及帷幕加上防滲墻的防滲措施均適用于本工程，就防滲效果而言，方案一全帷幕灌漿防滲方案在砂礫石地基層中防滲效果較差。相比之下，方案二帷幕結(jié)合混凝土防滲墻的方案更適合本工程。

(2)全帷幕防滲方案靜態(tài)總投資為401.9萬元，而帷幕結(jié)合防滲墻防滲方案靜態(tài)總投資555.73萬元。全帷幕防滲方案較省，但相對工程投資而言，兩個方案投資差別不大。

(3)綜合以上兩點考慮，更注重防滲效果，本工程推薦選用帷幕結(jié)合防滲墻的方案。

[1] 黃海鴻，楊小平.基礎工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 龔曉南.地基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 彭弟，潘殿琦，李海礁，等.地基處理新技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].長春工程學院學報，2007(3)：1-4.

[4] 郭繼武.建筑地基與基礎[M].北京：高等教育出版社，1990.

[5] 毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[6] 王華俊.錦屏二級水電站閘基深厚覆蓋層滲流分析與控制研究[D].成都：成都理工大學，2005.

[7] 江春波，安曉謐.二維非恒定滲流的有限元并行計算[J].水科學進展,2004，15(4):454-457.

[8] 武漢水利電力學院，土力學及巖石力學[M].北京：中國水利水電出版社，1982.

Analysis based on SEEP/W software subsurface seepage Hanging Rock River hydropower station in Yunnan

QIN Yihong,CHEN Jiawen,LIAO Yitian,XIN Xin

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

There are many poor geological conditions in the construction of hydropower project , in order to meet the demand of the buildings foundation, we need to deal with it.This paper analysis of Seepage by an engineering examples combined with SEEP/W software.Proposed anti-seepage measures reference for the this project.

foundation treatment;seepage analysis;seepage control measures

三峽大學科研創(chuàng)新基金(SDYC2016004)

秦乙洪(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

P641.2

A

2096-0506(2016)11-0009-05