瀑布沟水电站水工建筑物特征

瀑布沟水电站水工建筑物特征

1坝体及坝体以坝为背景的坝体设计瀑布沟水库位于河的中间。年平均流量为1230.137mm，总储水量超过50亿3m，国内能源能力超过330万吨。年平均流量超过140亿hm。该水电站主要水工建筑物有拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电建筑物、放空水库用的泄水建筑物及木材过坝建筑物等。拦河大坝采用土质直心墙堆石坝,坝顶高程856m,最大坝高190m,上游坝坡为1∶2.00～1∶2.25,下游坝坡为1∶2.00～1∶2.20。心墙顶高程855m,心墙底高程664m,心墙顶宽10m,心墙底部最大宽度99m,上、下游坡均为1∶0.25,心墙上、下游面均设有反滤层。河床内基础防渗采用两道混凝土防渗墙,其厚均为1.4m,最大墙高70m,墙间净距3m,两岸及河床底部基岩均设置灌浆帷幕,分别向左、右两岸内延伸约450m和100m。坝区为中高山峡谷地形。河谷两岸山体雄厚,谷坡陡峭,坡度一般为35～50°,右岸因大渡河与尼日河夹持形成条形山脊,相对单薄。河床砂砾石覆盖层一般厚40～60m,最厚达75.36m,具多层次结构,其间夹砂层透镜体。两岸基岩大部裸露,属硬岩及中硬岩,左岸分布的主要为坚硬完整的花岗岩,右岸坝肩为变质玄武岩及凝灰岩组成,坝线下游为花岗岩。靠近尼日河汇口处,因受大渡河、尼日河切割岩体单薄,呈条形山脊,岩石风化较深,花岗岩与变质玄武岩交界面接触带有断层F2斜切河床岩体,以弱微风化为主。总的来说,右岸透水性比左岸相对较弱,除F2断层为高倾角含水透水带外,坝基岩体透水性有随深度增加而逐渐减小的规律。2数学模型与边界条件2.1s14.3渗流方程的计算非均质、各向异性的,服从达西定律的三维非稳定渗流问题,若不考虑含水层的弹性释水量,也不考虑自由面上的蒸发和入渗,其基本方程和边界条件为:∂∂x(Κx∂Η∂x)+∂∂y(Κy∂Η∂y)+∂∂z(Κz∂Η∂z)=0t＞0在Ω内(1)∂∂x(Kx∂H∂x)+∂∂y(Ky∂H∂y)+∂∂z(Kz∂H∂z)=0t＞0在Ω内(1)初始条件:边界条件: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为水头函数;Kx\,Ky\,Kz分别为坐标轴x\,y\,z方向的渗透系数;坐标轴方向与渗透主方向一致;Ω为渗流区域;S1为已知水头值的边界曲面;S2为给定流量边界曲面积;S4为逸出段;q为边界上的单位面积的流量,当q=0表示为不透水边界;n为边界的外法线方向。对于各向同性的介质即Kx=Ky=Kz=K,公式(4)可简化为∂H/∂n=0。对于非稳定渗流的自由面S3,可按流量边界来处理,若取外法向为正,自由面下降时,从自由面边界流入的单位面积的流量为:q=μ∂Η*∂tcosθq=μ∂H∗∂tcosθ式中:μ为给水度;θ为自由面外法向与垂直轴的夹角;H*为自由面上的水头。同时,自由面还应满足H*=Z。对于所研究的非稳定渗流场,根据变分原理,上述定解问题的求解等价于求下列泛函的极值问题,即式中符号同上所述。2.2模型边界面的设置确定计算模型的边界及其条件,以不使坝体和坝基中的渗流状态失真为原则。模型的上游边界取至距离坝轴线上游700m处,下游取至距离坝轴线下游660m处,模型的右边界取至距离纵剖面12-5右边540m处,模型的左边界取至距离纵剖面12-5左边480m处。除左右边界在坝轴线附近按两岸山体的地下水位850m进行控制外,其余边界面均设置不透水边界,即∂H/∂n=0。上游850m高程以下区域,设置其已知水头为850.0m,下游河床段按河水位控制,设置已知水头为670m。模型的底边界取至高程为500m,视为不透水边界,即∂H/∂n=0。2.3计算参数和期限的划分2.3.1进水度与进水孔隙率根据委托单位提供的资料,坝体和坝基各层渗透系数见表1。由于微风化层以下渗透性非常小,为了简便起见,将微风化层与极微风化层合并,取其平均值,并把模型的底部边界取至500m高程。给水度是非稳定渗流分析中的主要参数,它不仅与介质的渗透系数K密切相关,而且与介质的密度有关,其数值反映库水位变化时排泄水量能力,表示单位体积介质在饱和含水情况下降落排出的水量,又称介质的排水孔隙率,一般的通过野外或室内试验求得,但由于现场试验耗资大,一般工程采用公式μ=an来求给水度。其中n为介质体积孔隙率,a为不同土料的折减系数。结合瀑布沟工程的实际情况,采用工程类比的方法,经与委托单位研究商定,给水度μ值如表1所示。2.3.2维放空库存放时间步长选取库水位降落速度最快是因人防或坝体维修等紧急情况需要放空水库,根据委托单位提供的水库放空历时曲线(枯水年)分为两级:一级放空,库水位从850m降至790m,历时13.671d,二级放空库水位再由790m降至750m,历时25.411d。三维非稳定渗流进行一级放空和二级放空两种方案计算,心墙进行二维非稳定渗流一级放空计算。时间步长的选取很重要,它直接影响计算精度和计算工作量。这是非稳定渗流计算中的一个关键问题。如果时间步长取得太大,会使解的误差过大,计算结果偏离真解。取得太小,计算工作量将增大,浪费机时。本项计算经过反复试算:时间步长取以下几种:Δt=0.68d、0.9d、1.07d。3库水位下降本项计算分成坝区三维非稳定渗流计算和心墙二维非稳定渗流计算两部分。坝区三维非稳定渗流问题进行库水位由850m降至790m的一级放空情况的计算和由850m降至750m的二级放空情况的计算。心墙二维非稳定渗流问题进行库水位由850m降至790m的一级放空情况的计算,计算成果分别分析如下。3.1心墙上坡水岸坡渗流状态(1)上游堆石坝壳的自由面降落较快,与库水位下降速度接近。衡量库水位降落影响的快慢指标一般采用比值K/μV(K为渗透系数,μ为介质的给水度,V为库水位下降速度),此比值反映介质孔隙中水体降落速度与库水位降落速度间的比值关系。以此来判别对坝坡稳定性的影响,由于坝壳渗透性大,其渗透系数为1.0×10-2cm/s(即8.64m/d),对于一级放空和二级放空,相应的K/μV的比值分别为10.9和18.8,此比值均较大,故自由面降落很快。从表2可以看到当库水位降至790m高程时,心墙上游坡处自由面一般约高出该时库水位8.4～9.7m,最大值为22.9m。当库水位降至750m高程时,一般约高出该时库水位9.1～11.8m,最大值为22.0m。从表中还可以看到心墙上游坡自由面呈现河床中部最低,靠近两岸处较高,而且右边比左边高。这是因为受两岸绕渗和岸坡基岩的影响。总的说来,在库水位降落过程中,上游堆石坝壳的自由面高出库水位不多,因此坝壳的渗流比降很小,不会对上游的坝坡稳定造成影响。(2)两岸坝肩和岸坡的自由面降落较慢,高出库水位较多,且出现渗流逸出区。由于两岸基岩的渗透性相对较小,比值K/μV相对也较小,仅为1.67左右,加上两岸山体地下水的影响。故对于库水位由850m降至790m时,岸坡自由面仍保持在较高的位置,从图1可看出,上游离水边线50m以上的左岸坡区域和离水边线60m以上的右岸坡区域的地下水位仍保持在830m以上,即高出库水位40m以上。从图2中可以看到,对于库水位由850m降至750m时,上游离水边线60m以上的左岸坡区域和离水边线60～70m的右岸坡区域的地下水位仍保持在800m以上,即高出库水位50m以上,故坡边的渗流比降较大。对于库水位一级放空和二级放空过程,在岸坡较陡或河床阶地与岸坡交界处附近均出现相当一片的渗流出逸区(见图1,图2)。所有这此,对上游库区岸坡稳定不利,应予以重视。(3)防渗墙和灌浆帷幕的防渗效果。从图中可以看到防渗墙和河床段的灌浆帷幕的防渗降压效果很大,它们在强透水的砂卵石复盖层和风化的基岩层中截堵上游的渗水。防渗墙承受90%以上的水头损失,河床段的灌浆帷幕承受70%以上的水头损失。而两岸的灌浆帷幕的防渗降压作用较小,而且随着向岸内延伸,其作用越来越小,这是因为防渗墙和灌浆帷幕的防渗降压作用具有相对性。砂卵石复盖层的渗透系数为64.8m/d,而防渗墙的渗透系数为0.0000864m/d,它们相差几十万倍。灌浆帷幕的渗透系数为0.00432m/d,它所在的弱风化层的岩层为0.147m/d,它们也相差34倍,但在两岸随着帷幕向岸内延伸,基岩的渗透性越来越小。这时,用增加灌浆帷幕的长度来防渗降压的效果就很小了。因此,单纯从降低渗流水头角度来考虑,两岸帷幕的作用不明显。(4)下游坝区的渗流状态。从图1和图2的比较可以看到,库水位在放空降落的过程中,坝轴线以下的下游坝区的大部分地区地下水位变化很小,在3m以内。仅在两岸坝肩附近变化稍大,在5～10m左右。从图中还可以看到,在下游尼日河谷将出现局部渗流出逸。3.2心墙土料的渗透系数为了研究库水位一级放空过程时,即库水位由850m降至790m(T=13.67d)时心墙内的渗流状态,我们以12-5#剖面为典型断面加密网络进行二维非稳定渗流计算,计算结果为图3～图4所示,其中图3是心墙760m以上的土料的渗透系数为0.00368m/d,而心墙760m以下的土料的渗透系数为0.000864m/d的计算结果。图4是心墙760m以上的土料的渗透系数为0.000864m/d,而心墙760m以下的土料的渗透系数为0.00368m/d的计算结果。从图中可以看到由于心墙的渗透系数很小,比值K/μV小于0.1,故库水位降落属于骤降,库水位降落至790m时,心墙内自由面降落很小,仍保持在很高的位置,仍有总水头的90%以上。心墙上游坡的渗透比降约为1.0左右。4坡下地区的地下水位下降较1)上游堆石坝壳的自由面降落较快,与库水位下降速度接近。当库水位降落时,心墙上游坡处自由面高程仅高出库水位10m左右。自由面呈现河床中部最低,靠近两岸处最高,不会对上游的坝坡稳定造成影响。