古贤水利枢纽工程重力坝典型坝段地基渗流分析

阅读:2282020-02-16


        工程概况

        古贤水利枢纽工程位于黄河中游北干流碛口至禹门口河段,国家重点名胜风景区壶口瀑布上游约3.5km~23.5km处,左岸为山西省吉县,右岸为陕西省宜川县。设计大坝采用混凝土重力坝,坝高达200m级,坝顶高程630.00m,水库正常蓄水位627.00m。钻孔揭露和地表调查显示,重力坝典型坝段地基地层中发育430、420、402、390m共4个高程的剪切带,单个剪切带厚2~5m,且渗透性较强。为降低坝基扬压力和渗流量,坝基上下游设置防渗帷幕、主副排水孔和辅助排水孔。上游帷幕宽约2.8m,深约87m;下游帷幕宽约1.5m,深约31m。排水孔孔径110mm,主排水孔排距2.0m,其他排水孔排距4.0m;主排水孔至坝踵的距离约15m,下游排水孔至坝趾的距离约10m。左岸河床典型坝段剖面见图1。鉴于古贤水利枢纽工程重力坝地质条件复杂,因此在工程地质及水文地质条件分析的基础上,系统评价重力坝地基的渗流场分布特征和防渗排水系统的渗流控制效应,进而提出了地基防渗排水设计的优化建议[1],为坝基防渗处理提供了参考依据。       

        2模型构建        2.1计算模型        根据地质资料建立左岸河床典型坝段有限元模型见图2,计算采用连续介质模型,将坝体视为不透水,模型范围包括坝基以下及上下游岩体,上下游边界取1.5倍坝宽;底边界至底部相对隔水层;根据排水孔设置的对称特性,模型坝轴线方向厚度选取两列排水孔共4m厚。模型对坝基材料分区、剪切带及排水孔幕进行了模拟,共划分单元78472个,结点88677个。        排水孔的模拟采用子结构方法,即在有限元网格划分时首先根据排水孔的走向布置尺寸较大的母单元,然后对排水孔穿越的母单元划分子单元形成子结构,从而减小有限元网格划分的难度。        2.2计算边界及参数取值        计算模型的边界条件为:上、下游侧的边界为隔水边界;左、右侧及底部的边界和建基面为隔水边界;上、下游水库淹没区内的表面为水头边界,水头值分别取上、下游水位;排水孔边界为水头边界,水头值取与之相连的排水廊道的底板高程[2]。        根据地质资料,各地层岩体、剪切带、防渗帷幕的渗流计算参数见表1。       

       

        3渗流结果分析        3.1计算结果        采用编写的三维有限元渗流分析软件(计算原理见文献[3]),计算工况选取上游水位为正常蓄水位627.00m,下游水位为463.11m,其中排水廊道底板高程为433.00m。        在水库正常蓄水位工况下,左岸河床典型剖面等水头线分布特征见图3,主排水孔底高程以上平行于坝轴线并穿过排水孔中心线剖面的水头等值线见图4,坝踵至盖重尾部各典型高程扬压力分布见图5,上、下游帷幕前后压力水头见表2。        由图3、表2可见,水头等势线在帷幕附近岩体和渗透性较弱的岩体中比较密集,渗流经上、下游防渗帷幕的降压作用之后,地基的孔隙水压显著降低,上游帷幕顶部前后压力水头降比达90.99%;下游帷幕顶部前后压力水头降比达81.36%,由图5也可看出,同一高程平面帷幕前后位置扬压力降低明显。       

       

       

        由图4可知,排水孔对周围岩体渗流起到良好的降压作用,水头以排水孔中心线为对称轴向两边逐渐增大。主排水孔顶部断面水头变化在9.7m左右,底部断面水头变化在1.5m左右。        计算结果表明,坝段的单宽渗漏流量为9.134m3/d。        3.2渗流特性的敏感性分析        3.2.1防渗帷幕渗透系数的敏感性分析        表3为防渗帷幕取不同渗透系数时上游帷幕前后压力水头。       

        由表3可知,当防渗帷幕的渗透特性降低为原来的0.1倍时,防渗帷幕的作用进一步加强,帷幕顶部前后压力水头降比由90.99%增至92.09%,帷幕底部前后压力水头降比由10.12%增至12.70%。        另外,坝段的单宽渗漏流量为5.912 m3/d,相比原参数渗漏流量9.134m3/d降比达35%,表明防渗帷幕渗透系数与坝段单宽渗流量之间呈正相关关系。        3.2.2坝基岩体渗透系数的敏感性分析        当坝基岩体渗透系数取较小参数(表4)时,上游帷幕前后压力水头见表5。               

        由表5可知,当坝基岩体的渗透系数取较小参数时,防渗帷幕效果仍极为显著但有所减弱,帷幕顶部前后压力水头降比由90.99%降至87.22%,帷幕底部前后压力水头降比由10.12%降至7.46%。

        当坝基岩体的渗透系数取较小参数时,坝段的单宽渗漏流量为4.267m3/d,相比原单宽渗漏流量9.134m3/d降比达53%,表明坝基岩体渗透系数与坝段单宽渗流量之间也呈正相关关系。

        3.2.3排水孔数量的敏感性分析

        比较全排、主排+副排、主排、主排失效50%(失效方式为间隔失效)等不同排水孔设置方式下坝基的渗流特性,428m高程扬压力分布见图6。由图6可看出,排水孔数量的不同设置对下游帷幕前后扬压力分布影响较大。当只设主排水孔时,下游帷幕前后扬压力增加较为显著,帷幕前扬压力由全排时的5.21m增至26.19m,帷幕后扬压力由全排时的27.90m增至32.90m。

        此外,坝段单宽渗漏流量由全排的9.134m3/d减至主排的6.481m3/d,降比达29%,表明副排水孔和辅助排水孔设置对坝段单宽渗漏流量影响较大。

       

        3.3渗透稳定性        左岸河床典型坝段排水孔底、穿过剪切带的排水孔处渗透坡降最大值见表6。辅助排水孔编号从上游到下游方向依次从1到4,其中420剪切带有辅排4和副排穿过,402剪切带全部排水孔均穿过,390剪切带有主排、辅排1和辅排2穿过。       

        由表6可知,主排水孔底、辅排4孔底和副排水孔底的渗透坡降较其它排水孔大,最大值均大于5,应注意防止这些部位发生渗透破坏。另外,剪切带的渗透坡降在排水孔附近相对较大,穿过402剪切带和390剪切带的主排渗透坡降最大值分别为1.033和0.891;穿过402剪切带的辅排4和副排的渗透坡降最大值分别为1.461、4.448;其它排水孔穿过剪切带位置的渗透坡降较小。        4结论        a.在水库正常蓄水位工况下,渗流经过防渗帷幕和排水孔的排水降压作用后,地基的孔隙水压显著降低,其中上游帷幕前后扬压力降比最大为90.99%,防渗排水系统的渗控效果显著。

        b.渗流特性的敏感性分析表明,只设主排水孔时,下游帷幕前后扬压力增加较为显著;坝段单宽渗流量与防渗帷幕渗透系数、坝基岩体渗透系数之间呈正相关关系,副排水孔和辅助排水孔的设置对坝段单宽渗漏流量影响较大。

        c.渗透稳定性分析表明,除帷幕外,排水孔底和穿过剪切带的排水孔附近的渗透坡降相对较大,应注意防止这些部位发生渗透破坏。

        参考文献:

        [1]白正雄,李斌,宋志宇,等.古贤水利枢纽重力坝典型坝段地基渗流分析研究[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司, 2017.

        [2]周创兵,陈益峰,姜清辉,等.复杂岩体多场广义耦合分析导论[M].北京:中国水利水电出版社, 2008.

        [3]毛昶熙,段祥宝,李祖贻,等.渗流数值计算与程序应用[M].南京:河海大学出版社, 1999.。

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