龙滩水电站反倾向高边坡渗流场数值分析.pdf

第33卷第9期人民黄河Vo1．33，No．92011年9月YELLOWRIVERSep．，2011【水利水电工程】龙滩水电站反倾向高边坡渗流场数值分析王长永，赵红敏(1．南阳理工学院土木工程系，河南南阳473004；2．中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙410014)摘要：以现场水文地质条件为基础，采用3DSeepage三维数值模拟软件，对龙滩水电站反倾斜边坡岩体渗流参数进行了反演分析。反演结果与钻孔观测资料对比表明：渗流反演结果基本反映了该地区岩体的渗透特征，即反映了岩体构造、结构面发育状况等地质条件。关键词：边坡；渗流；数值模拟；岩体；水位；龙滩水电站中图分类号：TV223．4文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2011．09．039NumericalAnalysisofReversed-DipHighSlopesSeepageOnLongtanHydropowerStationWANGChang—yong，ZHAOHong—min(1．DepartmentofCivilEngineering，NanyangInstituteofTechnology，Nanyang473004，China；2．HydroChinaZhongnanEngineeringCorporation，Changsha410014，China)Abstract：Basedonthehydrogeologicalconditionsandusing3D·-Seepagenumericalsimulationsoftwareinversionthepaperanalyzedtheanti--sloperockmassseepageparametersofLongtanHydropowerStation．Theseepageinversionresultbasicallyreflectsseepagepermeabilitychara~cterofrockmassinthisarea，andseepagepermeabilitycharactersarethesamewithrockmassstructure，structuralplanedevelopmentstatusandothergeolog—icalconditions．Keywords：sideslope；seepage；numericalsimulation；rockmass；waterstage；LongtanHydropowerStation龙滩水电站位于广西天峨县境内红水河上游，分两期建数。设，前期正常蓄水位375In，最大坝高192In，装机容量4200L()=∑(-Dk~／一(1)MW；后期正常蓄水位400m，最大坝高216．5Ill，装机容量6300lMW。受地形条件限制，左岸地下厂房进水口布置区紧靠发生式中：为待求参数，i为分析区域内的第i条裂隙，i：1，2，⋯，弯曲倾倒变形的自然边坡，其倾倒变形垂直深3O～76in，体积n,j为第i条裂隙的第个参数√=1，2，⋯，rn；to为钻孔水头观约1288万in。进水口开挖后，形成长约400in，最大组合坡高测值k时刻的权重，+：+⋯+￡=1．0，L为区域内观测点420in，坡面面积达18万ITl2，轮廓复杂，岩体构造应力突变的反总数；为钻孔k时刻的计算水位；为钻孔k时刻的观测倾向层状结构岩质高边坡。同时，进水口坝段紧靠坡脚，大坝水位。的稳定依赖于边坡岩体，岩体变形程度直接影响进水口结构物求一组反映裂隙岩体地下水流规律的参数，使目标函数的正常运行。因此，边坡具有使用要求高和运行工况不同于一E趋于最小。实际计算中，先反求出不同区岩体各组结构面的般边坡工程的特殊性。边坡开挖后是否还会发生弯曲倾倒变参数，然后根据参数求出其相对值，最后依据流场内某个形、稳定性如何，以及运行期岩体变形对进水口结构和安全运断面的已知流量换算出参数的绝对值。行的影响，关系着工程建设的成败。为了从宏观上和整体上能正确模拟实际岩体地下水运动地下水是影响边坡稳定性的重要因素之一，了解、掌握施透水性的空间分布，消除个别点误差对计算结果精度的影响，工期和运行期地下水在边坡内的运动规律，不仅有利于准确、将每个钻孔的实际观测水位和计算水位差乘以权重，从而使计合理地进行边坡加固，而且有利于提高边坡稳定性分析的准确算从整体上满足精度要求。性和可靠性。笔者采用3DSeepage三维数值模拟软件对龙滩1．2参数选取左岸倾倒蠕变岩体与进水口高边坡进行了渗流分析研究。计算范围为上游①号冲沟至⑨号冲沟及其延长线包络的1岩体渗流场数值分析收稿日期：201卜04—121．1参数反演模型作者简介：王长永(1965～)，男，河南方城人，副教授，主要从事膨胀岩土地质以不同钻孔的地下水位为已知量，选取某时刻这些钻孔水灾害分析与治理工作。头观测值与计算值的误差，采用最小二乘法建立目标函E-mail：nywchy@163．cO／／1·106· ##聿。###肆一##．●人民黄河2011年第9期左岸山体，南至河床中心线，深度至高程为50m的底板。河床表2各区(带)当量渗透系数值m／d部位将河水位作为第一类边界条件，山里一侧边界也作为第一分区(带)断层1断层2断层3断层4节理5断层，r63断层类边界条件，其余边界均作为0流量边界(第二类边界)。边坡10．2000．1500．0300．1o00．0401．300．85岩体渗透特性主要受结构面控制，根据地质资料，考虑4组断I10．0300．0150．0080．0100．0080．180．29IR0．0100．0080．0040．0060．oo10．10O．12层和1组缓倾角节理，4组断层倾向分别为75。、315。、10。、340。IV0．0030．oo20．0o10．0010．00l0．020．05或160。，倾角分别为6o。、7O。、8O。、80。，1组节理倾向为235。、倾角为23。。根据风化特征和结构面发育分布状况，将研究区岩体主渗透系数及主方向见表3，可以看出，各渗透性分区划分为强风化带(I)、弱风化带(Ⅱ)、微风化带(Ⅲ)和新鲜岩参数量值变化趋势与左岸边坡的地质构造、水文地质特征基本体(Ⅳ)渗透区，断层、、均为单独的渗透区。选择地下一致。总体上岩体的渗透性参数随着岩体埋深的增大而逐渐水位相对稳定的枯水期(1980年2月)的钻孔水位作为观测减小，在每一个分区中，主渗透系数最大值约为最小值(、值。将河床中心线与坝轴线的交点作为原点，轴指向正东，Y)的两倍，、则相差不大。从主渗透方向看，主渗透系数轴指向正北，轴垂直指向上。根据地形、构造及其渗透区，将最大值方向与轴夹角约为30。，与轴夹角约为90。，与Y轴研究区划分为156个超单元，剖分成4960个节点和4257个夹角约为60。，对比第1组结构面产状可以发现，主渗透系数最单元。大值方向与第1组结构面的走向以及倾角基本一致，表明最大主渗透系数方向与最发育的一组结构面产状关系密切，与实际2参数反演结果及分析情况相符。另外两个主渗透系数基本相等，总体上研究区岩体垂直方向透水性较水平方向透水性强。观测水位与计算水位拟合情况见表1，从钻孔观测水位与表3岩体主渗透系数及主方向计算水位拟合误差可以看出，大部分钻孔计算精度都较高，误差较小，仅有个别点拟合较差。其中误差最大的是6l钻孔，计算值比观测值低近6m，该孔观测水位较高的原因是该孔刚好处于透水性较好的缓倾角裂隙位置，这也是裂隙介质岩体强烈非均质各向异性的表现。表1钻孔观测水位与计算水位拟合参数304．0190．0257．86257．61一O．250．173314．0262．0320．053l9．97一O．080．376380．0284．0359．06361．142．080．018316．0284．0342．3O343．971．670．046380．0242．O318．86334．845．980．0o550o．0230．0340．89339．82—1．07O．O63注：、nz、Ot，分别为主渗透系数最大值方向与x,y、。轴的夹角。282．0168．0276．13276．860．730．105348．014．0217．81218．811．o0O．O673反演模型结果验证366．058．0221．61221．89O．28O．131390．0120．0241．50238．75—2．750．016为验证反演结果的正确性，选择1980年1月至9月的钻孔观测水位与计算水位进行拟合，反演求得渗透张量、计算各各区(带)当量渗透系数见表2，可以看出，当量渗透系数时段的地下水位，同一观测孔的观测水位与计算水位随时间变反映岩体每组结构面渗透性的大小，从强风化带到新鲜岩体，化曲线见图1。当量渗透系数迅速减小，而且随着结构面发育规模的减小而减小。随着风化、卸荷作用的减弱，同一组结构面的透水性变化也较大，如第1组结构面当量渗透系数值从0．2m／d减小至0．003m／d。在同一个分区中，不同组结构面的当量渗透系数差别较大，其中第1组结构面当量渗透系数最大，其次是第2组。虽然第3组结构面较第4组结构面发育，但第4组结构面当量渗透系数大于第3组，主要原因是这一组裂隙具有压扭或张扭性特征，破碎带透水性较强，这与平洞开挖时有涌水或滴水现象一致。此外，由于第3组结构面中F。、断层的渗透性单独进行了反演，因此第3组结构面的当量渗透系数不包括时间、断层的贡献。缓倾角结构面的当量渗透系数远小于其图1钻孔观测水位时间变化曲线他结构面的当量渗透系数。(下转第11O页)·107· 人民黄河2011年第9期能控制阀块、油箱及其附件等组成，安装于门机上部靠近下游表2小湾水电站6600kN斜拉门机小车液压驱动机构主要技术参数侧的端梁里。③电气控制部分。控制核心采用PLC处理信息项目参数值项目参数值及反馈控制指令，控制柜上设置LCD触摸显示屏、数字电流、持住力(型式试验／2×800／斜拉工况)／kN2×650驱动力／kN2x135电压表、信号灯和操作开关、按钮等；电气元器件集中于控制柜，安装于门机上部主梁里。④行程测量和限位装置。用于测工作行程／m8．53最大行程／m8．7量液压缸位移信号和极限位置保护，采集信息并传输至PLC，／前进／2．5／2～昏退速度(m·min．0退速度(／J·i进n)⋯0．5⋯l／0．～4l控制液压缸动作；由安装于液压缸上的内置式位移传感器和上液压缸内径／ram300活塞杆直径／mm200平台的2只电感式接近开关组成。⑤辅助部分。液压管道和／杆M腔Pa“LU．55计算压力杆腔附件，为便于检修和安装沿端梁内部敷设。／MP20’．37计算压力a(2)小车液压驱动机构布置。液压缸的吊头通过单耳铰座计算压力／M1计算压力／杆J3‘．44与小车相连，固定液压缸的双耳铰座安放在上平台，液压泵站电动机功率／kw2×22双甓(L叶片泵／39+131和电控柜安装于门机上部靠近下游侧的端梁里，并经液压管道·min)。与液压缸连接。2．2小车液压驱动机构的主要参数3结语(1)三门峡水利枢纽4500kN斜拉门机小车液压驱动机通过三门峡水利枢纽4500kN斜拉门机和小湾水电站构主要技术参数见表1。6600kN斜拉门机的现场试验和一年多运行证明，采用上述技(2)小湾水电站6600kN斜拉门机小车液压驱动机构主术方案，解决了门机小车采用液压驱动可能出现的问题，满足要技术参数见表2。了斜拉门机实际运行工况。小车液压驱动机构运行平稳、液压表1三门峡水利枢纽4500kN斜拉门机小车液压驱动机构主要技术参数缸无爬行和震动现象，双缸同步控制准确、可靠，无啃轨现象。项目参数值项目参数值参考文献：持住力(型式试验／2×500／驱动力／kN2×100斜掠工况)／kN2×400[1]张质文，虞和谦，王金诺，等．起重机设计手册[M]．北京：中国铁道出版社，j-件行程／m7．5最大行程／m7．61997．[2]王益群，高殿荣．液压工程师技术手册[M]．北京：化学工业出版社，2009．是孳{况／J、车前。、3．9／2．7退速度(m前退速度／(m·rainI1)‘‘／·rain)⋯’⋯／0．36[3]中华人民共和国水利部．SL381-2007水利水电工程启闭机制造、安装及验收规范[s]．北京：水利水电出版社，2007．液压缸内径／mm220活塞杆直径／mm140[4]黄河勘测规划设计有限公司．用于驱动斜拉门机或斜拉台车式启闭CLd,车杆腔17杆腔计算压力／MFa．68计算压力／MPa‘．1的液压缸：中国，ZL201120029846X[P]．2011—08一l0．[5]杨光，姚林娉，耿鹏举，等．西霞院排沙洞及排沙底孔工作闸门液压启闭机进2／MP．63小压辱力／退M计Pa算4．42计算压力a设计[J]．人民黄河，2009，31(10)：48—49．电动机功率／kW2×22双甓(L叶片泵／25+95【责任编辑赵宏伟】·min)。(上接第107页)[3]王助成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法[M]．北京：清华大学出版社，1997．从上述分析看出，渗流反演结果基本反映了该地区岩体的[4]BearJ．多孔介质流体动力学[M]李竟生，陈崇希，译．北京：中国建筑工业渗透性特征，与岩体构造、结构面发育状况等地质条件基本一出版社，1983．致，左岸边坡岩体渗透性存在明显的各向异性。从验证反演结[5]韩秋茸，范雪宁，戴菊英．黄河大堤双层堤基渗流稳定计算与渗流控制[J]．果拟合曲线可以看出，各钻孔的计算水位与观测水位在总体趋人民黄河。2010，32(11)：23—24．势上拟合较好，进一步说明反演模型能较好地反映研究区的实[6]陈亮亮，马亮，刘锋．直接边界元法在土石坝坝基渗流问题中的应用[J]．人际情况，反演得到的水文地质参数合理，能够满足工程设计民黄河，2010，32(6)：126—127．[7]董清志，任光明，李果，等．黄河某水电站溢洪道边坡渗流场模拟分析[J]．需要。人民黄河，2010，32(3)：96—97．[8]曹剑波，贾洪彪，朱异云，等．锡崖沟水库坝基渗流有限元分析[J]．人民黄参考文献：河，2010，32(1)：81—82．[1]金忠青，周志芳．工程水力学反问题[M]．南京：河海大学出版社，1997．【责任编辑吕艳梅】[2]杜延龄，许国安．渗流分析的有限7法和电网络法[M]．北京：水利电力出版社，1992．·110·