QMS水电站前池二维沉降与渗流复核计算分析

赵姗姗

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

QMS 水电站位于新疆维吾尔自治区喀什地区莎车县境内，距莎车县约82 km。工程主要由拦河引水枢纽（土石坝、泄洪建筑物、引水闸）、输水建筑物（输水渠道）、前池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。水库正常引水位1 550.0 m，校核洪水位1 551.30 m；相应库容577万m3，最大坝高14.5 m，主电站发电流量358.0 m3/s，生态电站发电流量41.2 m3/s，前池正常水位1 547.334 m，主电站装机容量200 MW，生态电站装机容量3 MW，多年平均发电量6.20 亿kW·h，装机利用小时数3054 h。QMS 水电站工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。

QMS 水电站为径流式电站，采用引水式开发，开发任务是水力发电。压力前池位于输水渠道桩号11+480.810 m 处，主要由连接段、前室、进水室、冲沙闸、泄水排冰闸、泄水陡坡及侧堰等建筑物组成。压力管道采用正面进水单机单管布置形式，压力管道共4根，由砼管和钢管组成，管径均为5.4 m，其中砼管长292 m、钢管长166 m。发电厂房为引水式地面厂房，位于县道X504 公路南侧，主、副厂房呈平行排列布置，尾水渠向下游延伸约396.4 m 与叶尔羌河主河道相接。

2 计算分析背景

2021 年1 月21 日21 时42 分叶城县发生4.6 级地震，随后相关人员对水电站建筑物进行震后安全运行状况全面检查。检查发现压力前池左岸桩号0+000重力式挡墙与扶壁式挡墙之间的结构缝有流水声响。随后对该处进行回填土开挖，发现结构缝高程1 545.5 m左右出现喷射状水流，当时前池运行水位1 547.31 m；同时发现压力前池进水室右侧建筑物与填筑体结合部出现4 处直径约40 cm 孔穴，其外围填筑边坡桩号0+096～0+119、高程1 539.5～1 549.5 m范围内网格梁局部拱起；前池右岸填筑体交通平台表面出现不同程度的裂缝；前池两进水室之间的结构缝累计张开20～40 mm。

随即对现场进行了施工地质补充勘察工作。在压力前池基础探坑内取4组粗粒土样进行了物理力学性能试验，天然干密度为2.21～2.23 g/cm3，相对密度为0.72～0.83，结构密实，渗透系数为2.0×10-3cm/s，为中等透水层；在压力前池基础探坑内取8 组细粒土进行了物理力学性能及化学性试验，天然干密度为1.40～1.67g/cm3；压力前池基础3 个探坑内不同深度取8组细粒土原状样进行湿陷试验，200 kPa压力下的湿陷系数为0.0 174～0.0 290，湿陷性轻微。

3 沉降及渗流稳定计算

3.1 沉降计算

3.1.1 计算模型

基础砂砾石、换填砂砾石沉降计算均采用Dun⁃can-EB模型。砂砾料采用邓肯（Ducan）E-B非线性模型模拟，Duncan非线形弹性E-B模型采用切线弹性模量Et、体积模量B、弹性模量Eur3 个弹性参数，相应的弹性矩阵的形式为：

确定Et、B和Eur的主要公式如下：

其中

式中：K为初始模量，kPa；Pa为大气压强，Pa；n反映变形模量和围压关系（无量纲）；Rf破坏比（无量纲）；c为粘聚力，kPa；Sl为应力水平；Kb为初始模量基数，kPa；m为反映初始模量随围压变化的速率；Kur为回弹模量，kPa；c′为抗剪断黏聚力，kPa；φ′为抗剪断摩擦角。

3.1.2 计算参数选择

砂砾料采用邓肯（Ducan）E-B非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟，其相关参数见表1，压力前池基础细粒土物理力学性能试验成果见表2。

表1 Duncan-EB模型非线性材料相关参数

表2 压力前池基础细粒土物理力学性能试验成果表

根据上述试验参数考虑粉土在饱和情况下压缩模量衰减值，计算粉土饱和后湿陷性。

3.1.3 计算结果

拟定4 种工况：实际、前池底部部分换填、全部换填、地下水在1 520.0 m 时粉土湿陷变形工况，按拟定的工况运行时对前池的沉降分别进行计算，计算成果见表3和图1～图4。

表3 前池底板沉降变形计算成果表

图1 实际工况竖向沉降等值线云图

图2 底部部分换填工况竖向沉降等值线云图

图3 底部全部换填工况竖向沉降等值线云图

图4 粉土湿陷变形工况竖向沉降等值线云图

3.2 渗流计算

分析河床明渠粉土颗分资料可知，粉土不均匀系数Cu为5.94，曲率系数Cc为68.46，为级配不连续土，粉土控制粒径d70、d60、d30、d10分别为0.0 455、0.0 309、0.0 110、0.0 052 mm。土中的细粒含量Pc以质量百分率计，以细粒含量Pc分析判断管涌土、流土及过渡型土，在不均匀系数大于5 的不连续级配土判别方式为：

管涌土：Pc＜25%

流土：Pc≥35%

过渡型土：25%≤Pc＜35%

土中粗粒和细粒的界限粒径df按df=计算，经计算得df为0.015 mm。根据颗分曲线査得细粒含量Pc为38.9%，因此判定明渠粉土渗透破坏形式为流土型。

模拟1 520.0 m 水位时前池沿压力管道至厂房渗流场分布情况，选择前池周边渗流最不利地形断面进行渗流计算。

3.2.1 计算理论

计算方法采用各向异性连续介质渗流控制方程式，对各向异性连续介质，其达西定理可写为ui=-kijh,j，将其代入连续方程ui,j=0，可得无源恒定渗流控制方程，即广义拉普拉斯方程(kijh,j),j=0。若给定边界条件求水头的分布，称渗流分析的正问题。若给定若干点的水头值或部分边界条件，求渗透张量及未知边界条件，称为渗流分析的逆问题。

3.2.2 边界条件

渗流计算边界示意图见图5。

图5 渗流计算边界示意图

（1）第一类边界条件，给定水头，如ab边界水头为h=h1，de边界为h=h2。

（2）第二类边界条件，给定流速，如ae边界上给定法向流速为零，un=0。

（3）自由水面边界条件，同时给定水头及流速，如bc′边界h=x3，un=0，但位置未知。

（4）可能出逸面边界条件，图5 中的cd为水流的可能出逸面，在cd上最初给定第一类边界条件（h=x3）进行计算渗流场，若此边界上某点计算流量为负值（表明由域外向域内流），应调正给定水头，使其略小于高程，再重复计算直至收敛。

3.2.3 计算参数

根据区域内ATS工程渗透及反滤试验，并考虑地质、水文资料及钻孔压水实验资料，基础含土砂砾石、换填砂砾石渗透参数取值分别为7.1×10-3、1.0×10-3cm/s。

3.2.4 计算成果

渗流计算成果见图6～图8。

图6 前池沿压力管道至厂房渗流场孔隙压力分布图

图7 厂房后边坡渗流场孔隙压力分布图

图8 前池沿压力管道至厂房渗流场渗透压力分布图

经计算，当前池底部水位在1 520.0 m 时，浸润线距离地表最近处位于厂区后边坡坡脚处，距地面2～3 m，不会发生渗透破坏。

4 结语

（1）根据目前压力前池变形及渗漏水情况，经前池沉降及渗流分析，判定建筑物产生破坏和失稳的可能性不大，工程是安全的，但应引起足够重视，及时处理前池变形和渗漏问题。

（2）应加强前池平台沉降、周围填筑体沉降、结构缝变形观测，加强前池渗压管及压力管道渗压监测，加强渠道沉降变形及渗水观测。

（3）建议前池放空后对结构缝引水面进行加强处理。