新疆ZG水电站覆盖层上泄洪冲沙闸渗流计算分析评价

吉永军

(新疆自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

1 概 述

水闸是水利工程建设中广泛应用的一种水工建筑物，渗流是工程设计、施工以及安全运行的关键因素，地基渗流控制不当会导致闸坝发生渗流事故和破坏，从而诱发重大质量安全事故[1-4]。据统计，近40年，由于深厚覆盖层上建筑物变形控制不当导致失事的水闸和大坝，约占失事工程的25%[5-7]。另据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的水工建筑物，约有一半事故是由于坝基渗透破坏、沉陷太大或滑动等因素导致的[8-9]。因此，河道段深厚覆盖层上建筑物的渗流控制成为目前设计阶段研究内容重要部分。渗流分析为选择合理渗流控制措施以及评价闸坝工程的安全可靠性提供必要的依据[10-12]。渗流分析一般采用分段法、改进阻力系数法以及有限元法进行计算。分段法是一种计算任意地下水系统水流和压力的近似解析方法。改进阻力系数法通过简化基础区域并进行划分，计算出各个分段的沿程阻力系数，再进行求和得出闸室各段渗流要素[2]。有限元法的解算原理是把计算区域离散为有限个单元，求解结点处的插值点，求出各个结点渗流要素[13]。ABAQUS软件被广泛地认为是功能最强的有限元软件，其渗流模块能够求解多孔介质的饱和渗流、非饱和渗流及二者的混合问题[14-15]。计算过程中可以考虑流体重力的作用，并能够求解流体总体的孔隙压力或超孔隙压力，渗透定律可采用达西定律或更广泛的非线性定律。

本文采用大型商用该软件ABAQUS，建立泄洪冲沙闸、连接板、防渗墙、护坦的三维渗流有限元计算模型，通过渗流模块研究泄洪冲沙闸在设计阶段渗流控制情况[15-18]。

2 工程概况

ZG水电站是叶尔羌河干流阿尔塔什以下河段水电规划梯级开发中的第1级电站，为引水式电站，其上游为阿尔塔什水利枢纽，下游为恰木萨水电站。ZG水电站位于新疆喀什地区莎车县霍什拉甫乡境内，拦河枢纽距厂房9 km，厂房距莎车县约97 km。目前，工程区右岸沿现有道路可达莎车县霍什拉甫乡，霍什拉甫乡现有道路与卡群水电站连接可至莎车县、泽普县；工程区左岸利用甘加特沟道路可达阿尔塔什进场道路，可至莎车县；左右岸施工对外交通比较便利。

水库正常蓄水位1 611 m，正常蓄水位相应库容1 656.1×104m3；死水位1 608 m，死库容1 045.1×104m3，调节库容611×104m3，工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。泄洪冲沙闸的主要任务是：①泄洪，保证拦河引水枢纽运行安全；②冲沙，确保发电引水闸和生态电站进水口门前清。进口底板高程1 595.00 m，河床平均底高程为1 594.5 m，略高于河床底高程0.5 m，以利于汛期泄洪冲沙。

泄洪冲沙闸共设20孔胸墙式水闸，孔口尺寸4.0 m×4.0 m(宽×高)。坝0+344.88 m～坝0+456.58 m段共布置18孔，采用三孔一连的结构长度为18.6 m，共分为6个结构段。坝0+519.20 m～坝0+533.00 m段布置2孔。闸进口底板高程1 595.00 m，闸顶高程1 614.30 m。考虑闸门启闭空间及闸墩顶部交通等因素，闸室长度取21 m，为C25、F300钢筋混凝土结构，底板厚2.0 m，中墩厚1.8 m，三孔一连闸室边墩厚1.5 m，两孔一连闸室边墩厚2.0 m，泄洪冲沙闸标准横剖面图见图1。泄洪冲沙闸防渗系统为防渗墙+连板板+闸室，防渗墙深度覆盖层底部入岩1 m，具体防渗结构大样见图2。

图1 泄洪冲沙闸标准横剖面图

图2 泄洪冲沙闸防渗系统大样

3 基本地质条件

ZG水电站坝址区位于西昆仑山东部中低山区，叶尔羌河由霍斯拉甫大弯曲转为较顺直段，流向近北东向。坝址为宽U形河谷，左岸有Ⅰ～Ⅳ级阶地分布，Ⅲ、Ⅰ级阶地分布不连续，Ⅱ、Ⅳ级阶地分布相对而言较连续，总体坡度在30°～35°，地形相对较缓。右岸为一北东向延伸的基岩山梁，岸坡自然坡度45°～55°。现代河床500 m左右，发育漫滩、心滩。河床覆盖层为第四系冲积砂卵石，最大厚度55 m为深厚砂砾石覆盖层，主要为砂卵砾石层夹有多层缺细粒充填卵砾石(强渗层)，为强透水层。

4 有限元计算模型

根据规范要求[19]，水闸地基在各种运用情况下均应满足渗透稳定的要求。由于本工程的泄洪冲沙闸位于深厚覆盖层上，闸室属于轴对称结构，根据泄洪冲沙闸结构和覆盖层等条件，模型向左右岸延伸40 m，顺河向上下游延伸至80 m，深厚砂砾石覆盖层55 m，向下延伸30 m至基岩层，左右两侧及底部为不透水边界。在确定上述模型边界下，建立本工程三维渗流有限元网格模型，见图3，结点总数为20 688个，单元总数为14 887个。护坦结点总数为1 806个，单元总数为1 220个，防渗墙结点总数为2 184个，单元总数为1 500，以上所有单元类型均为C3D8P单元，渗流应力耦合单元。

图3 泄洪冲沙闸段模型的有限元离散图

4.1 计算工况

通过三维渗流分析，确定闸室底部覆盖层浸润线及其下游出逸点的位置及出逸比降，同时绘制覆盖层等势线分布图，估算整个覆盖层渗流量。对应水库各个特征水位为，正常蓄水位1 611.00 m时，下游水位为1 595.00 m；设计洪水位1 611.27 m时，下游水位为1 600.08 m；校核洪水位(P=0.1%)1 612.96 m时，下游水位为1 600.81 m。

4.2 有限元计算方法及成果分析

根据以往工程及现场试验，模型中泄洪冲沙闸、连接板层、防渗墙、覆盖层、基岩渗流计算参数见表1。

表1 模型材料参数表

4.3 计算结果及结论

通过二维稳态渗流计算闸室覆盖层在有防渗墙时的正常蓄水位、设计水位以及校核水位时，出逸点及基础渗透比降均小于砂砾石的允许渗透比降，正常运行工况最大渗流量为3.3×10-5m3/s·m，闸室平均宽度350 m，可估最大渗流量为1.2×10-2m3/s。设计洪水位最大渗流量为1.8×10-5m3/s·m，闸室平均宽度350 m，可估最大渗流量为6×10-3m3/s。校核洪水位最大渗流量为1.9×10-5m3/s·m，闸室平均宽度350 m，可估最大渗流量为7×10-3m3/s。正常蓄水位工况、设计水位工况、校核水位工况覆盖层渗透比降均小于允许比降，因此泄洪冲沙闸及覆盖层在各个工况下的渗透稳定均能满足允许比降要求要求，计算成果见表2。上述3种工况渗漏量均很小，表明防渗系统的防渗效果较好。各个蓄水位泄洪冲沙闸基础等势线、孔隙压力、速度矢量场分布符合一般渗流规律，现只列出正常蓄水位泄洪冲沙闸与基础的渗流要求计算成果图，见图4-图6。

表2 稳定渗流期计算结果表

图4 正常蓄水位泄洪冲沙闸基础等势线(单位：m)

图5 正常蓄水位泄洪冲沙闸基础孔隙压力(单位：kPa)

图6 正常蓄水位泄洪冲沙闸基础流速矢量场(单位：m/s)

5 结 论

本工程为Ⅲ等中型工程，对整个地区经济贡献较大。鉴于深厚覆盖上防渗墙+连接板+泄洪冲沙闸渗流问题对整个工程安全运行至关重要，通过大型商用软件ABAQUS渗流模块对该段泄洪冲沙闸进行三维有限元渗流分析，得出各个工况下闸室基础覆盖层等势线、孔隙压力、速度矢量场、出逸点比降等水利要素的分布情况及整个断面的渗漏量等成果，可以清晰地对结构、地基的渗透稳定性及单宽和整体渗漏量进行评价。同时，通过有限元法计算分析此类工程，为今后研究闸坝类工程的渗透稳定性及渗漏量提供借鉴。