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)計瀑布溝水庫位于河的中間。年平均流量為1230.137mm，總儲水量超過50億3m，國內(nèi)能源能力超過330萬噸。年平均流量超過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、放空水庫用的泄水建筑物及木材過壩建筑物等。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,相對單薄。河床砂礫石覆蓋層一般厚40～60m,最厚達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。靠近尼日河匯口處,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?？偟膩碚f,右岸透水性比左岸相對較弱,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滲流方程的計算非均質(zhì)、各向異性的,服從達西定律的三維非穩(wěn)定滲流問題,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分別為坐標軸x\,y\,z方向的滲透系數(shù);坐標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q=0表示為不透水邊界;n為邊界的外法線方向。對于各向同性的介質(zhì)即Kx=Ky=Kz=K,公式(4)可簡化為?H/?n=0。對于非穩(wěn)定滲流的自由面S3,可按流量邊界來處理,若取外法向為正,自由面下降時,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,自由面還應(yīng)滿足H*=Z。對于所研究的非穩(wěn)定滲流場,根據(jù)變分原理,上述定解問題的求解等價于求下列泛函的極值問題,即式中符號同上所述。2.2模型邊界面的設(shè)置確定計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計算參數(shù)和期限的劃分2.3.1進水度與進水孔隙率根據(jù)委托單位提供的資料,壩體和壩基各層滲透系數(shù)見表1。由于微風(fēng)化層以下滲透性非常小,為了簡便起見,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)值反映庫水位變化時排泄水量能力,表示單位體積介質(zhì)在飽和含水情況下降落排出的水量,又稱介質(zhì)的排水孔隙率,一般的通過野外或室內(nèi)試驗求得,但由于現(xiàn)場試驗耗資大,一般工程采用公式μ=an來求給水度。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)合瀑布溝工程的實際情況,采用工程類比的方法,經(jīng)與委托單位研究商定,給水度μ值如表1所示。2.3.2維放空庫存放時間步長選取庫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,根據(jù)委托單位提供的水庫放空歷時曲線(枯水年)分為兩級:一級放空,庫水位從850m降至790m,歷時13.671d,二級放空庫水位再由790m降至750m,歷時25.411d。三維非穩(wěn)定滲流進行一級放空和二級放空兩種方案計算,心墻進行二維非穩(wěn)定滲流一級放空計算。時間步長的選取很重要,它直接影響計算精度和計算工作量。這是非穩(wěn)定滲流計算中的一個關(guān)鍵問題。如果時間步長取得太大,會使解的誤差過大,計算結(jié)果偏離真解。取得太小,計算工作量將增大,浪費機時。本項計算經(jīng)過反復(fù)試算:時間步長取以下幾種:Δt=0.68d、0.9d、1.07d。3庫水位下降本項計算分成壩區(qū)三維非穩(wěn)定滲流計算和心墻二維非穩(wěn)定滲流計算兩部分。壩區(qū)三維非穩(wěn)定滲流問題進行庫水位由850m降至790m的一級放空情況的計算和由850m降至750m的二級放空情況的計算。心墻二維非穩(wěn)定滲流問題進行庫水位由850m降至790m的一級放空情況的計算,計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,與庫水位下降速度接近。衡量庫水位降落影響的快慢指標一般采用比值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水位降落速度間的比值關(guān)系。以此來判別對壩坡穩(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),對于一級放空和二級放空,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可以看到當庫水位降至790m高程時,心墻上游坡處自由面一般約高出該時庫水位8.4～9.7m,最大值為22.9m。當庫水位降至750m高程時,一般約高出該時庫水位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。這是因為受兩岸繞滲和岸坡基巖的影響?？偟恼f來,在庫水位降落過程中,上游堆石壩殼的自由面高出庫水位不多,因此壩殼的滲流比降很小,不會對上游的壩坡穩(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較小,比值K/μV相對也較小,僅為1.67左右,加上兩岸山體地下水的影響。故對于庫水位由850m降至790m時,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,即高出庫水位40m以上。從圖2中可以看到,對于庫水位由850m降至750m時,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,即高出庫水位50m以上,故坡邊的滲流比降較大。對于庫水位一級放空和二級放空過程,在岸坡較陡或河床階地與岸坡交界處附近均出現(xiàn)相當一片的滲流出逸區(qū)(見圖1,圖2)。所有這此,對上游庫區(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,它們在強透水的砂卵石復(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,其作用越來越小,這是因為防滲墻和灌漿帷幕的防滲降壓作用具有相對性。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,基巖的滲透性越來越小。這時,用增加灌漿帷幕的長度來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,庫水位在放空降落的過程中,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)為了研究庫水位一級放空過程時,即庫水位由850m降至790m(T=13.67d)時心墻內(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)進行二維非穩(wěn)定滲流計算,計算結(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,故庫水位降落屬于驟降,庫水位降落至790m時,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,與庫水位下降速度接近。當庫水位降落時,心墻上游坡處自由面高程僅高出庫水位10m左右。自由面呈現(xiàn)河床中部最低,靠近兩岸處最高,不會對上游的壩坡穩(wěn)定造成影響。