清原抽水蓄能電站防滲帷幕深度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程簡介

遼寧清原抽水蓄能電站位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣北三家鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站[1]。電站的下水庫壩址距清原滿族自治縣30km、距撫順市117km、距沈陽市176km。清原抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面開關(guān)站等建筑物組成，為Ⅰ等大(1)型工程，永久性主要建筑物級別為1級，永久性次要建筑物級別為3級，臨時(shí)性建筑物級別為4級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇[2]。

下水庫位于渾河右岸支流樹基溝河內(nèi)，在樹基溝村上游、河曲轉(zhuǎn)彎段下游350m處攔溝筑壩形成下水庫。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長372m，最大壩高49.55m。溢洪道布置在右岸壩端，泄洪放空洞布置在大壩右岸山體內(nèi)，同時(shí)兼顧施工期導(dǎo)流。下水庫壩基采用防滲墻和帷幕防滲。其中，防滲墻位于大壩軸線上游5m處，設(shè)計(jì)為C25混凝土防滲墻，墻深約11～29m，厚1.0m。防滲墻的頂端與壩體相連，底部設(shè)計(jì)帷幕灌漿。防滲帷幕的頂端為防滲墻底部，防滲帷幕的底部進(jìn)入相對不透水層5m，高程約180.50～285.00m，原始設(shè)計(jì)方案布置1排孔距為1.50m的帷幕灌漿孔。鑒于大壩左岸順河方向有F1斷層穿過，原方案在其影響范圍內(nèi)加密3排灌漿帷幕，排距為1m，孔距為1.50m，帷幕底部高程為181.00m。為了防止大壩左岸壩肩上部和右岸壩肩下部的繞滲，原方案采取延長防滲帷幕的處理方式。結(jié)合大壩壩址的水文地質(zhì)條件和工程條件，認(rèn)為防滲帷幕原設(shè)計(jì)方案偏于保守，有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能。

2 三維有限元計(jì)算模型

2.1 模型的構(gòu)建

ABAQUS軟件[3]功能齊全，被廣泛應(yīng)用于工程模型計(jì)算的各個(gè)領(lǐng)域[4]。因此，本次研究中采用ABAQUS有限元軟件構(gòu)建大壩滲流模型。在模型構(gòu)建過程中，將大壩壩軸線指向右岸的方向?yàn)槟Ｐ偷腦軸正方向，垂直于大壩指向上游的方向?yàn)閅軸正方向，Z軸為豎直方向，向上為正方向[5]。模型的底部計(jì)算邊界為80.0m高程，頂部計(jì)算邊界為433.00m高程。由于大壩壩基滲流場受到的影響因素較多，因此采取細(xì)網(wǎng)格劃分的C3D8R單元[6]，模型共劃分為737218個(gè)單元、50214個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

滲流系數(shù)對滲流場的計(jì)算和分析至關(guān)重要，在模型計(jì)算中根據(jù)清原抽水蓄能電站下水庫壩址區(qū)的鉆孔壓實(shí)試驗(yàn)和注水試驗(yàn)結(jié)果，獲得不同分區(qū)巖體滲透系數(shù)[7](見表1)。

表1 材料分區(qū)計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

為了研究不同帷幕深度對防滲效果的影響，在原始方案基礎(chǔ)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、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位五個(gè)特征水位，在下游水位為266.00m條件下，設(shè)計(jì)出計(jì)算工況[8](見表2)。

表2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 帷幕底部高程170.00m

在正常蓄水位條件下計(jì)算清原抽水蓄能電站下水庫壩址區(qū)三維滲流場，得到總水頭云圖(見圖1)和壓力水頭云圖(見圖2)。由計(jì)算結(jié)果可知，自由面在大壩的壩體以及左右壩肩部位均勻降低，壩體、防滲墻以及帷幕構(gòu)成的大壩防滲系統(tǒng)中，水位降低十分明顯，而防滲體系之外的山體內(nèi)，水位降幅明顯變緩。水庫上游水位在經(jīng)過防滲帷幕后水頭有所降低，同時(shí)，防滲帷幕的滲透系數(shù)為0.01m/d，說明僅有較少水量滲流通過防滲帷幕。此時(shí)水流只有通過弱透水層向大壩下游滲流，因此，導(dǎo)致防滲帷幕處自由面均勻降低，由于大壩防滲體系之外的區(qū)域沒有采取任何防滲工程措施，但是兩側(cè)寬厚的山體延長了滲流路徑，從而使水庫大壩上游兩側(cè)山體處的滲流水流呈現(xiàn)出緩慢降低的特征。

圖1 總水頭云圖

圖2 壓力水頭云圖

對其余四個(gè)特征水位下的滲流場進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示出與正常蓄水位類似的分布形態(tài)。但是，壩址區(qū)各分區(qū)的滲漏量會隨著水位的升高而增大。五個(gè)特征水位條件下的各分區(qū)滲流量計(jì)算結(jié)果見表3。正常蓄水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為287.8m3/d；在20年一遇洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為333.7m3/d；在50年一遇洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為378.9m3/d；在設(shè)計(jì)洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為381.6m3/d；在校核洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為393.7m3/d。

表3 帷幕底部高程170.00m下滲漏計(jì)算成果

3.2 帷幕底部高程210.00m

計(jì)算清原抽水蓄能電站下水庫壩址區(qū)三維滲流場，得到與帷幕底部高程180.00m工況下類似的分布特征：自由面在大壩的壩體以及左右壩肩部位均勻降低，壩體、防滲墻以及帷幕構(gòu)成的大壩防滲系統(tǒng)中，水位降低十分明顯，而防滲體系之外的山體內(nèi)，水位降幅明顯變緩。水庫的上游水位在經(jīng)過防滲帷幕后水頭有所降低，同時(shí)防滲帷幕的滲透系數(shù)為0.01m/d，說明僅有較少水量滲流通過防滲帷幕。對五個(gè)特征水位下大壩不同分區(qū)的滲流量進(jìn)行計(jì)算(結(jié)果見表4)。由表4可知，各分區(qū)的滲漏量會隨著水位的升高而增大，在正常蓄水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為399.0m3/d；在20年一遇洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為440.7m3/d；在50年一遇洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為482.8m3/d；在設(shè)計(jì)洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為492.5m3/d；在校核洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為507.5m3/d。

表4 帷幕底部高程210.00m下滲漏計(jì)算成果

3.3 帷幕底部高程240.00m

計(jì)算清原抽水蓄能電站下水庫壩址區(qū)三維滲流場，得到與前兩種工況下類似的分布特征，這里不再贅述。對不同特征水位下大壩不同分區(qū)的滲流量進(jìn)行計(jì)算(結(jié)果見表5)。由表5可知，各分區(qū)的滲漏量會隨著水位的升高而增大，在正常蓄水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為510.8m3/d；在20年一遇洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為547.6m3/d；在50年一遇洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為600.3m3/d；在設(shè)計(jì)洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為632.0m3/d；在校核洪水位條件下，壩址區(qū)的總滲漏量為733.9m3/d。

表5 帷幕底部高程240.00m下滲漏計(jì)算成果

3.4 帷幕深度優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)不同工況的計(jì)算結(jié)果，在各種特征水位條件下，改變防滲帷幕底部高程，主要影響大壩壩基部位的滲漏量，而對左岸和右岸的影響不大。在正常蓄水位條件下，如果將帷幕的底部高程降低至170.00m，壩址區(qū)的滲漏總量為287.80m3/d；年滲漏量占入庫總量的0.32%；如果將帷幕的底部高程抬高至210.00m，壩址區(qū)的滲漏總量為399m3/d；年滲漏量占入庫總量的0.44%；如果將帷幕的底部高程抬高至240.00m，壩址區(qū)的滲漏總量為510.80m3/d；年滲漏量占入庫總量的0.57%。

計(jì)算結(jié)果顯示，將帷幕的底部高程抬高至210.00m時(shí)，壩址區(qū)的滲漏總量與原始設(shè)計(jì)方案比較接近，同時(shí)也符合工程滲漏設(shè)計(jì)要求。因此，建議在原始設(shè)計(jì)方案中將帷幕底部高程抬升至210.00m，既可以保證防滲系統(tǒng)具有相同的防滲效果，還可以減少工程投資，縮短建設(shè)工期。

4 結(jié) 論

水庫工程建設(shè)過程中，壩址區(qū)滲漏問題不僅會影響水庫經(jīng)濟(jì)和社會效益的正常發(fā)揮，還給遠(yuǎn)期的大壩安全帶來不利影響。顯然，壩址區(qū)防滲體系設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過低，則達(dá)不到防滲目的，如果設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高，又不利于體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。本文以遼寧省清原抽水蓄能電站下水庫為例，利用ABAQUS三維有限元模型對壩基防滲帷幕的深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得如下結(jié)論：利用模型計(jì)算方法對壩址區(qū)三維滲流場進(jìn)行分析，結(jié)果顯示不同帷幕深度工況下，壩址區(qū)滲流場具有類似的分布特征，自由面在大壩的壩體以及左右壩肩部位均勻降低，壩體、防滲墻以及帷幕構(gòu)成的大壩防滲系統(tǒng)中，水位降低十分明顯，而防滲體系之外的山體內(nèi)，水位降幅明顯變緩；帷幕底部高程抬高至210.00m時(shí)，壩址區(qū)的滲漏總量與原始設(shè)計(jì)方案比較接近，建議在原始設(shè)計(jì)方案中將帷幕底部高程抬升至210.00m。