瀑布溝水電站水工建筑物特征

瀑布溝水電站水工建筑物特征

1壩體及壩體以壩為背景的壩體設(shè)計(jì)瀑布溝水庫(kù)位于河的中間。年平均流量為1230.137mm，總儲(chǔ)水量超過(guò)50億3m，國(guó)內(nèi)能源能力超過(guò)330萬(wàn)噸。年平均流量超過(guò)140億hm。該水電站主要水工建筑物有攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物、放空水庫(kù)用的泄水建筑物及木材過(guò)壩建筑物等。攔河大壩采用土質(zhì)直心墻堆石壩,壩頂高程856m,最大壩高190m,上游壩坡為1∶2.00～1∶2.25,下游壩坡為1∶2.00～1∶2.20。心墻頂高程855m,心墻底高程664m,心墻頂寬10m,心墻底部最大寬度99m,上、下游坡均為1∶0.25,心墻上、下游面均設(shè)有反濾層。河床內(nèi)基礎(chǔ)防滲采用兩道混凝土防滲墻,其厚均為1.4m,最大墻高70m,墻間凈距3m,兩岸及河床底部基巖均設(shè)置灌漿帷幕,分別向左、右兩岸內(nèi)延伸約450m和100m。壩區(qū)為中高山峽谷地形。河谷兩岸山體雄厚,谷坡陡峭,坡度一般為35～50°,右岸因大渡河與尼日河夾持形成條形山脊,相對(duì)單薄。河床砂礫石覆蓋層一般厚40～60m,最厚達(dá)75.36m,具多層次結(jié)構(gòu),其間夾砂層透鏡體。兩岸基巖大部裸露,屬硬巖及中硬巖,左岸分布的主要為堅(jiān)硬完整的花崗巖,右岸壩肩為變質(zhì)玄武巖及凝灰?guī)r組成,壩線下游為花崗巖?？拷崛蘸訁R口處,因受大渡河、尼日河切割巖體單薄,呈條形山脊,巖石風(fēng)化較深,花崗巖與變質(zhì)玄武巖交界面接觸帶有斷層F2斜切河床巖體,以弱微風(fēng)化為主?？偟膩?lái)說(shuō),右岸透水性比左岸相對(duì)較弱,除F2斷層為高傾角含水透水帶外,壩基巖體透水性有隨深度增加而逐漸減小的規(guī)律。2數(shù)學(xué)模型與邊界條件2.1s14.3滲流方程的計(jì)算非均質(zhì)、各向異性的,服從達(dá)西定律的三維非穩(wěn)定滲流問(wèn)題,若不考慮含水層的彈性釋水量,也不考慮自由面上的蒸發(fā)和入滲,其基本方程和邊界條件為:??x(Κx?Η?x)+??y(Κy?Η?y)+??z(Κz?Η?z)=0t＞0在Ω內(nèi)(1)??x(Kx?H?x)+??y(Ky?H?y)+??z(Kz?H?z)=0t＞0在Ω內(nèi)(1)初始條件:邊界條件:Η(x,y,z,t)|s1=f(x,y,z,t)t>0在S1上(3)Η(x,y,z,t)|S4=z(x,y,t)t>0在S4上(4)Κx?Η?xcos(n,x)+Κy?Η?ycos(n,y)+Κz?Η?zcos(n,z)=-q(x,y,z,t)t>0在S2上(5)H(x,y,z,t)|s1=f(x,y,z,t)t>0在S1上(3)H(x,y,z,t)|S4=z(x,y,t)t>0在S4上(4)Kx?H?xcos(n,x)+Ky?H?ycos(n,y)+Kz?H?zcos(n,z)=?q(x,y,z,t)t>0在S2上(5)式中:H為水頭函數(shù);Kx\,Ky\,Kz分別為坐標(biāo)軸x\,y\,z方向的滲透系數(shù);坐標(biāo)軸方向與滲透主方向一致;Ω為滲流區(qū)域;S1為已知水頭值的邊界曲面;S2為給定流量邊界曲面積;S4為逸出段;q為邊界上的單位面積的流量,當(dāng)q=0表示為不透水邊界;n為邊界的外法線方向。對(duì)于各向同性的介質(zhì)即Kx=Ky=Kz=K,公式(4)可簡(jiǎn)化為?H/?n=0。對(duì)于非穩(wěn)定滲流的自由面S3,可按流量邊界來(lái)處理,若取外法向?yàn)檎?自由面下降時(shí),從自由面邊界流入的單位面積的流量為:q=μ?Η*?tcosθq=μ?H??tcosθ式中:μ為給水度;θ為自由面外法向與垂直軸的夾角;H*為自由面上的水頭。同時(shí),自由面還應(yīng)滿足H*=Z。對(duì)于所研究的非穩(wěn)定滲流場(chǎng),根據(jù)變分原理,上述定解問(wèn)題的求解等價(jià)于求下列泛函的極值問(wèn)題,即式中符號(hào)同上所述。2.2模型邊界面的設(shè)置確定計(jì)算模型的邊界及其條件,以不使壩體和壩基中的滲流狀態(tài)失真為原則。模型的上游邊界取至距離壩軸線上游700m處,下游取至距離壩軸線下游660m處,模型的右邊界取至距離縱剖面12-5右邊540m處,模型的左邊界取至距離縱剖面12-5左邊480m處。除左右邊界在壩軸線附近按兩岸山體的地下水位850m進(jìn)行控制外,其余邊界面均設(shè)置不透水邊界,即?H/?n=0。上游850m高程以下區(qū)域,設(shè)置其已知水頭為850.0m,下游河床段按河水位控制,設(shè)置已知水頭為670m。模型的底邊界取至高程為500m,視為不透水邊界,即?H/?n=0。2.3計(jì)算參數(shù)和期限的劃分2.3.1進(jìn)水度與進(jìn)水孔隙率根據(jù)委托單位提供的資料,壩體和壩基各層滲透系數(shù)見(jiàn)表1。由于微風(fēng)化層以下滲透性非常小,為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),將微風(fēng)化層與極微風(fēng)化層合并,取其平均值,并把模型的底部邊界取至500m高程。給水度是非穩(wěn)定滲流分析中的主要參數(shù),它不僅與介質(zhì)的滲透系數(shù)K密切相關(guān),而且與介質(zhì)的密度有關(guān),其數(shù)值反映庫(kù)水位變化時(shí)排泄水量能力,表示單位體積介質(zhì)在飽和含水情況下降落排出的水量,又稱(chēng)介質(zhì)的排水孔隙率,一般的通過(guò)野外或室內(nèi)試驗(yàn)求得,但由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)耗資大,一般工程采用公式μ=an來(lái)求給水度。其中n為介質(zhì)體積孔隙率,a為不同土料的折減系數(shù)。結(jié)合瀑布溝工程的實(shí)際情況,采用工程類(lèi)比的方法,經(jīng)與委托單位研究商定,給水度μ值如表1所示。2.3.2維放空庫(kù)存放時(shí)間步長(zhǎng)選取庫(kù)水位降落速度最快是因人防或壩體維修等緊急情況需要放空水庫(kù),根據(jù)委托單位提供的水庫(kù)放空歷時(shí)曲線(枯水年)分為兩級(jí):一級(jí)放空,庫(kù)水位從850m降至790m,歷時(shí)13.671d,二級(jí)放空庫(kù)水位再由790m降至750m,歷時(shí)25.411d。三維非穩(wěn)定滲流進(jìn)行一級(jí)放空和二級(jí)放空兩種方案計(jì)算,心墻進(jìn)行二維非穩(wěn)定滲流一級(jí)放空計(jì)算。時(shí)間步長(zhǎng)的選取很重要,它直接影響計(jì)算精度和計(jì)算工作量。這是非穩(wěn)定滲流計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如果時(shí)間步長(zhǎng)取得太大,會(huì)使解的誤差過(guò)大,計(jì)算結(jié)果偏離真解。取得太小,計(jì)算工作量將增大,浪費(fèi)機(jī)時(shí)。本項(xiàng)計(jì)算經(jīng)過(guò)反復(fù)試算:時(shí)間步長(zhǎng)取以下幾種:Δt=0.68d、0.9d、1.07d。3庫(kù)水位下降本項(xiàng)計(jì)算分成壩區(qū)三維非穩(wěn)定滲流計(jì)算和心墻二維非穩(wěn)定滲流計(jì)算兩部分。壩區(qū)三維非穩(wěn)定滲流問(wèn)題進(jìn)行庫(kù)水位由850m降至790m的一級(jí)放空情況的計(jì)算和由850m降至750m的二級(jí)放空情況的計(jì)算。心墻二維非穩(wěn)定滲流問(wèn)題進(jìn)行庫(kù)水位由850m降至790m的一級(jí)放空情況的計(jì)算,計(jì)算成果分別分析如下。3.1心墻上坡水岸坡滲流狀態(tài)(1)上游堆石壩殼的自由面降落較快,與庫(kù)水位下降速度接近。衡量庫(kù)水位降落影響的快慢指標(biāo)一般采用比值K/μV(K為滲透系數(shù),μ為介質(zhì)的給水度,V為庫(kù)水位下降速度),此比值反映介質(zhì)孔隙中水體降落速度與庫(kù)水位降落速度間的比值關(guān)系。以此來(lái)判別對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響,由于壩殼滲透性大,其滲透系數(shù)為1.0×10-2cm/s(即8.64m/d),對(duì)于一級(jí)放空和二級(jí)放空,相應(yīng)的K/μV的比值分別為10.9和18.8,此比值均較大,故自由面降落很快。從表2可以看到當(dāng)庫(kù)水位降至790m高程時(shí),心墻上游坡處自由面一般約高出該時(shí)庫(kù)水位8.4～9.7m,最大值為22.9m。當(dāng)庫(kù)水位降至750m高程時(shí),一般約高出該時(shí)庫(kù)水位9.1～11.8m,最大值為22.0m。從表中還可以看到心墻上游坡自由面呈現(xiàn)河床中部最低,靠近兩岸處較高,而且右邊比左邊高。這是因?yàn)槭軆砂独@滲和岸坡基巖的影響?？偟恼f(shuō)來(lái),在庫(kù)水位降落過(guò)程中,上游堆石壩殼的自由面高出庫(kù)水位不多,因此壩殼的滲流比降很小,不會(huì)對(duì)上游的壩坡穩(wěn)定造成影響。(2)兩岸壩肩和岸坡的自由面降落較慢,高出庫(kù)水位較多,且出現(xiàn)滲流逸出區(qū)。由于兩岸基巖的滲透性相對(duì)較小,比值K/μV相對(duì)也較小,僅為1.67左右,加上兩岸山體地下水的影響。故對(duì)于庫(kù)水位由850m降至790m時(shí),岸坡自由面仍保持在較高的位置,從圖1可看出,上游離水邊線50m以上的左岸坡區(qū)域和離水邊線60m以上的右岸坡區(qū)域的地下水位仍保持在830m以上,即高出庫(kù)水位40m以上。從圖2中可以看到,對(duì)于庫(kù)水位由850m降至750m時(shí),上游離水邊線60m以上的左岸坡區(qū)域和離水邊線60～70m的右岸坡區(qū)域的地下水位仍保持在800m以上,即高出庫(kù)水位50m以上,故坡邊的滲流比降較大。對(duì)于庫(kù)水位一級(jí)放空和二級(jí)放空過(guò)程,在岸坡較陡或河床階地與岸坡交界處附近均出現(xiàn)相當(dāng)一片的滲流出逸區(qū)(見(jiàn)圖1,圖2)。所有這此,對(duì)上游庫(kù)區(qū)岸坡穩(wěn)定不利,應(yīng)予以重視。(3)防滲墻和灌漿帷幕的防滲效果。從圖中可以看到防滲墻和河床段的灌漿帷幕的防滲降壓效果很大,它們?cè)趶?qiáng)透水的砂卵石復(fù)蓋層和風(fēng)化的基巖層中截堵上游的滲水。防滲墻承受90%以上的水頭損失,河床段的灌漿帷幕承受70%以上的水頭損失。而兩岸的灌漿帷幕的防滲降壓作用較小,而且隨著向岸內(nèi)延伸,其作用越來(lái)越小,這是因?yàn)榉罎B墻和灌漿帷幕的防滲降壓作用具有相對(duì)性。砂卵石復(fù)蓋層的滲透系數(shù)為64.8m/d,而防滲墻的滲透系數(shù)為0.0000864m/d,它們相差幾十萬(wàn)倍。灌漿帷幕的滲透系數(shù)為0.00432m/d,它所在的弱風(fēng)化層的巖層為0.147m/d,它們也相差34倍,但在兩岸隨著帷幕向岸內(nèi)延伸,基巖的滲透性越來(lái)越小。這時(shí),用增加灌漿帷幕的長(zhǎng)度來(lái)防滲降壓的效果就很小了。因此,單純從降低滲流水頭角度來(lái)考慮,兩岸帷幕的作用不明顯。(4)下游壩區(qū)的滲流狀態(tài)。從圖1和圖2的比較可以看到,庫(kù)水位在放空降落的過(guò)程中,壩軸線以下的下游壩區(qū)的大部分地區(qū)地下水位變化很小,在3m以內(nèi)。僅在兩岸壩肩附近變化稍大,在5～10m左右。從圖中還可以看到,在下游尼日河谷將出現(xiàn)局部滲流出逸。3.2心墻土料的滲透系數(shù)為了研究庫(kù)水位一級(jí)放空過(guò)程時(shí),即庫(kù)水位由850m降至790m(T=13.67d)時(shí)心墻內(nèi)的滲流狀態(tài),我們以12-5#剖面為典型斷面加密網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二維非穩(wěn)定滲流計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為圖3～圖4所示,其中圖3是心墻760m以上的土料的滲透系數(shù)為0.00368m/d,而心墻760m以下的土料的滲透系數(shù)為0.000864m/d的計(jì)算結(jié)果。圖4是心墻760m以上的土料的滲透系數(shù)為0.000864m/d,而心墻760m以下的土料的滲透系數(shù)為0.00368m/d的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看到由于心墻的滲透系數(shù)很小,比值K/μV小于0.1,故庫(kù)水位降落屬于驟降,庫(kù)水位降落至790m時(shí),心墻內(nèi)自由面降落很小,仍保持在很高的位置,仍有總水頭的90%以上。心墻上游坡的滲透比降約為1.0左右。4坡下地區(qū)的地下水位下降較1)上游堆石壩殼的自由面降落較快,與庫(kù)水位下降速度接近。當(dāng)庫(kù)水位降落時(shí),心墻上游坡處自由面高程僅高出庫(kù)水位10m左右。自由面呈現(xiàn)河床中部最低,靠近兩岸處最高,不會(huì)對(duì)上游的壩坡穩(wěn)定造成影響。