西龙池抽水蓄能电站下水库深厚覆盖层利用分析计算

摘要：本文论述西龙池抽水蓄能电站下水库在深厚覆盖层上建坝设计过程中需重点分析研究的问题。针对西龙池下水库覆盖层特点对坝体及覆盖层的稳定、渗透稳定、坝体及面板应力、应变进行较全面的分析，确定下水库覆盖层利用原则。

关键词：西龙池 覆盖层利用 面板堆石坝

1．概述

西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内，距太原市、忻州市的直线距离分别为100 km和50 km。电站安装4台300 MW竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量为1200 MW。额定水头640m。电站建成后并入山西电网，承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务。

电站枢纽由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及副厂房、补水建筑物等组成。下水库正常蓄水位838.0m，死水位798.0m，总库容494.2万m3 ，调节库容421.5万m3。下水库大坝采用沥青混凝土面板堆石坝，最大坝高97m、坝顶长度537m。库底、坝坡采用沥青混凝土面板防渗，防渗面积10.88万m2 ，库岸采用钢筋混凝土面板防渗，防渗面积6.85万m2 。

2．地质条件

下水库库岸山体陡峻，库岸为崮山和张夏组地层，库底与坝基为第四系洪积和崩坡积物覆盖，下伏张夏组、徐庄组地层。覆盖层厚度一般20～40m，局部深达百余米。洪积物主要由碎石及碎石土组成，经大量勘探、试验、面波测试及地质测年等工作，认为洪积物分三期形成，第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪积物为第四纪早、晚更新世形成，经历了长期的压密和地表及地下水的淋漓作用，比较密实，并在不同深度形成了不同程度的胶结，而且在洪积物中还存在土质透镜体和碎石架空现象。第三期（Q4pl）洪积物形成于第四纪全新世，基本没有胶结。通过面波测试结果可知：第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪积物面波波速700～1000m/s，局部存在500～600m/s低速区， 结合其它勘探资料分析，这可能是土质透镜体或碎石架空层。第三期（Q4Pl）洪积面波波速小于500m/s，与一般河床砂砾石相当。崩坡积物主要由块石、碎石砾质土等组成，分布于库周陡壁下。

在大量勘探、试验、分析研究工作基础上，根据覆盖层工程性质分析确定覆盖层利用原则为：崩坡积物全部挖除，基本挖除第三期（Q4Pl）覆盖物，使下水库挡水坝及库底大部分座落在第一期洪积物（Q2pl）上，仅坝脚部位位于第二期洪积物（Q3pl）上，主沟部位Q4Pl 难以挖除，有十余米宽的范围利用第三期洪积物（Q4Pl）中下部作为坝基；开挖料可作为坝体下游堆石区的填筑料。

3覆盖层作为坝基需研究的问题

覆盖层能否作为坝基必须满足以下三个条件。

3.1覆盖层在坝体和水荷载作用下满足抗滑稳定要求

覆盖层在坝体和水荷载作用下，能否满足抗滑稳定要求是覆盖层能否利用的首要条件。坝体及覆盖层的稳定从三个方面来分析，首先是坝体自身及坝体连同覆盖层的稳定，对于堆石坝来说，坝体自身稳定不会成为控制条件，但坝体是否连覆盖层一部分或沿覆盖层中薄弱面滑动，需进行分析；其次是坝体沿覆盖层基础开挖面的滑动；三是坝体及覆盖层沿基岩面的滑动。通过对各种工况分析，覆盖层在坝体和水荷载作用下具有足够的稳定性，仅在坝轴线平面反弧中间部位，坝体下游部分沿覆盖层基础开挖面稳定性较差，但通过坝基下游部分开挖宽20m左右平台即可满足要求。

3.2覆盖层满足渗透稳定要求

下水库采用全库防渗，渗漏量很小，三维有限元计算结果仅为6L/s。在水库正常运行条件下，不会发生渗透破坏，但在下水库防渗和排水失效情况下是否会发生渗透破坏，需进行详细的分析。下水库覆盖层为强透水，渗系数大部分在10－3 cm/s以下，具有自由排水能力。渗透临界水力坡降为0.13～0.44，破坏比降为0.42～1.01，通过对下水库三维渗流场分析，即使在下水库防渗及排水失效，计算渗漏量达2.86m3/s的情况下，也难以形成浸润线，最大水力坡降仅为0.06，远小于临界渗透比降，不会发生渗透破坏。

3.3在水库蓄水和运行过程中，坝体不产生过大的不均匀变形

下水库库底和坝坡采用沥青混凝土面板防渗，水库蓄水和运行过程中，虽然沥青混凝土面板具有较好的适应变形能力，但当基础不均匀变形过大，使面板产生的拉应变超过沥青混凝土的允许拉应变时，沥青混凝土面板将产生裂缝，影响水库的正常运行。影响面板计算变形的主要因素有：计算模型选择、覆盖层、主次堆石力学参数的选取、沥青混凝土面板参数的选取、软弱体如土质透镜体的分布等。

3.3.1计算参数

（1）覆盖层计算参数

在力学参数选择时，我们以应用较广泛的E-B模型为基础进行讨论。E-B模型是采用切线弹性模量Et和体积弹性模量B来描述土体应力应变关系。Et不仅与σ3 有关，且与应力水平有关，B是随σ3 变化而变化。E-B模型参数是建立在室内三轴试验基础上的，在覆盖层的勘探过程中，为较全面地反应覆盖层工程特性，分别在Q2pl 、 Q3pl 、Q4pl 不同时期形成的覆盖层中，不同深度进行取样，进行了大量试验。根据三轴试验成果确定的E-B模型参数，一般范围为：K=420～1100，Kb=100～800，Rf=0.7～0.9，n＝0.2～0.5，m=0.02～0.6。库底及坝基大部分位为Q2pl 和Q3pl 覆盖层上，Q2pl 和Q3pl 覆盖层从其成因分析、现场勘查以及基础开挖揭示情况看存在不同程度的胶结，试验参数难以反应胶结程度的影响，但考虑试验的局限性，覆盖层计算参数采用较的小值，详见表1。

（2）次堆石计算参数

根据三轴试验成果确定的次堆石E-B模型参数，一般范围为：K=420～950，Kb=100～500，Rf=0.7～0.9，n＝0.2～0.5，m=0.02～0.5。计算采用的次堆石参数接近根据试验结果确定参数的较小值，类比其它工程，计算采用参数也是不高的。

（3）主堆石参数

主堆石采用水泉湾料场开采灰岩料。由于受当时试验条件的限制，主堆石试验采用料源为厂房地质探洞洞渣料，洞渣料中薄层灰岩较多，其颗粒形状及强度不如实际施工时的主堆石料，采用探洞石渣料进行试验应是偏于安全的。计算采用值见表1。通过对灰岩筑坝工程类计算采用值是比较合适的。

表1E-B模型计算参数表

部位

Φ

（°）

△ φ

（°）

Rf

K

n

Kb

m

覆盖层

42.8

2.5

0.9

800

0.3

360

0.03

次堆石

44.5

4.2

0.88

527

0.47

246

0.18

主堆石

49.1

7.6

0.84

1006

0.17

343

0.02

3.3.2应力应变分析

(1) 堆石体不同本构模型对面板拉应变的影响

用于堆石计算的本构模型常见的有线弹性模型；E-μ、E-B、K-G等非线性模型；单屈服面、双屈服面、分部屈服等弹塑性模型等。为研究本构模型的影响，本工程分别采用常用的E-B、K-G、南水模型进行分析。E-B、K-G、南水模型所需参数都是基于堆石料的三轴试验，为能使各模型的计算结果具有较好的可比性，各模型计算参数基本以同组三轴试验数据为基础。各模型计算结果表明，坝体及面板应力分布规律大体一致，表明堆石体的本构模型对坝体应力计算结果影响不大。而对坝体变形及面板应变来看，由于不同模型对土体变形尤其是体积变形的描述方法不同，虽然分布规律大体相同，但数值差别较大。面板拉应变计算成果见图1。根据以往工程经验，和类似工程施工期位移观测值类比，E-B模型垂直位移符合比较好，水平位移偏大。而E-B模型在工程上应用较为广泛，且积累了较多的经验，通常在坝体及面板设计过程中以E-B模型计算结果为依据。

图1 堆石料本构关系对面板应变的影响图2面板计算模型对其应力的影响

（2） 沥青面板本构模型对面板应变的影响

沥青混凝土面为粘弹性材料，温度对其性能影响非常大。沥青混凝土面板刚度较小且有较好的柔性，能够较好地适应坝体的变形。但是当面板的变形梯度即应变超过其允许值时，面板将产生裂缝。日本的沥青混凝土面板设计也是以拉应变来控制的。沥青混凝土参数受温度影响非常大，难以确定一套比较合理的参数。为分析面板本构模型对计算成果的影响，对沥青混凝土面板采用垫层E-B模型及参数、E-μ模型、粘弹性模型分别进行了计算与析，计算结果见图2。从计算结果可以看出，不同参数和本构模型对面板应变计算成果影响不大，说明沥青混凝土面板以适应坝体变形为主，面板本身的参数和本构关系对其应变影响相对较小。

(3) 主、次堆石及覆盖层参数对面板变形的影响

①主堆石参数对面板变形的影响

为研究主堆石参数变化对面板应变的影响，在坝体三维有限元分析中，将表1主堆石参数的K、Kb均降低1.5倍，分析其对面板变形的影响，计算结果见图3。从计算结果可以看出，如果K、kb均降低1.5倍，面板最大拉应变将提高20％左右，主堆石参数对面板应变影响是比较大的。

②次堆石参数对面板变形的影响

采用表2的2 套参数进行计算。从计算结果看，面板顺坡向最大拉应变分别为0.38%和0.39%，基本相等。次堆石参数K与Kb分别相差30%和50%，尽管两套参数差别比较大，但对坝体应力和变形的影响相当，所以对面板应变的影响不大。

表2 次堆石E-B模型参数

部位

Φ

（°）

△ φ

△ （°）

Rf

K

n

Kb

m

次堆石参数1

44.5

4.2

0.88

527

0.47

246

0.18

次堆石参数2

46

6.5

0.83

744

0.21

333

0.012

③覆盖层参数对面板变形的影响

在分析覆盖层参数对坝体及面板的应力、应变影响时，对不同覆盖层参数进行了三维有限元计算。计算结果见图4。从前面的分析可以看出，次堆石参数对坝体及面板应力应变影响不大，可以认为在主堆石参数相同时，坝体及面板应力、应变主要是覆盖层参数的影响。因此可以认为图4中的曲线2主要是覆盖层参数变化对面板应变的影响。覆盖层K和Kb均增加65％，其它参数不变时，面板应变减少11％左右，覆盖层参数对面板应变影响比较大。

图4 覆盖层参数对面板拉应变的影响

(4)沥青混凝土面板参数对应变的影响

沥青混凝土面板在水荷载作用下发生变形时，水温不会低于0℃，这时沥青混凝土面板弹性模量不会太高，一般在10～600 MPa 左右。为分析面板参数对其应力、应变的影响，采用弹性模型，对波松比μ＝0.3，弹性模量E=20～20000MPa进行分析，计算结果见图5。从计算结果可以看出，随着面板模量的减少，面板拉应变有所增加。由于面板刚度很小，对变形抵抗作用有限，尽管E从20MPa增加为2000MPa时，模量增加了100倍，而面板应变仅减少了29%。

图5 沥青面板弹性模量与拉应变关系

（5）土质透镜体对面板变形的影响

下水库覆盖层存在土质透镜体和碎石架空现象，从面板受力条件分析，土质透镜体等软弱物质位于反弧位置对面板变形影响最不利。为分析土质透镜体等软弱物质对面板变形的影响，在有限元分析过程中，首先假设土质透镜体位于反弧上游的库底，土质透镜体长度为10m，分析不同埋深对面板变形影响。这样做的主要目的是消除由于透镜体使面板产生的拉应变与反弧段拉应变叠加的影响，分析结果见图6。随着埋藏深度的增加，土质透镜体对面板应变影响越来越小。当土质透镜体埋藏深度大于10m后，对面板应变影响不大。既使土质透镜体埋深0～4m，引起面板的拉应变仅为0.22%。

（a）反弧上游覆盖层存在土质透镜体时其埋深对面板顺坡向最大拉应变的影响

（透镜体长度10m，模量降低10倍，以压应变为正）

(b) 反弧上游覆盖层存在透镜体情况的面板顺坡向应变分布图

图6

为分析土质透镜体对面板最不利影响，假设其位于反弧位置，长10.5m，通过有限元分析不同埋藏深度对面板应变的影响。分析成果见图7。从分析结果不难看出：随着埋藏深度增加，土质透镜体对面板应变的影响减小，当埋深大于6m后这种影响相对较小；面板反弧部位的拉应变也与土质透镜体产生的拉应变叠加。无土质透镜体时，面板反弧段最大拉应变为0.32%，当埋深4～8m时，面板最大拉应变为0.41%，增加29％左右。

(a) 反弧位置覆盖层存在土质透镜体时其埋深对面板顺坡向应变的影响

（透镜体长度10.5m，模量降低10倍，应变以压为正）

(b) 反弧位置覆盖层存在透镜体情况的面板顺坡向应变分布图

图7

在深厚覆盖层基础上建坝，首先应考虑覆盖层的利用问题，选用合适勘探、试验手段，查明覆盖层的成因、分布、组成、工程特性、坝体和覆盖层与基岩接触面性质等。对于西龙池下水库覆盖层，面波测试是一种较好的物探手段，与其它勘测成果有较好的一致性。在查明覆盖层性质后，从坝体及覆盖层稳定、坝体及面板应力应变、渗透稳定入手，分析覆盖层利用的可能性、利用原则及基础处理措施。西龙池下水库覆盖层参数及土质透镜体对面板变形影响较大，在设计过程中，针对不同时期形成洪积物在不同深度的工程特性，在满足面板及坝体安全运行的前提下，确定覆盖层利用原则。施工过程中，采用地质雷达，对土质透镜体和架空层进行勘探，根据其体积大小、埋藏深度、所处部位采取不同的处理方式。

1《混凝土面板坝工程》蒋国澄 傅志安 风家骥主编 湖北科学技术出版社