導語：抽水蓄能電站下水庫管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1．概述

西龍池抽水蓄能電站位于山西省五臺縣境內，距太原市、忻州市的直線距離分別為100km和50km。電站安裝4臺300MW豎軸單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量為1200MW。額定水頭640m。電站建成后并入山西電網，承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用任務。

電站樞紐由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫、地面開關站及副廠房、補水建筑物等組成。下水庫正常蓄水位838.0m，死水位798.0m，總庫容494.2萬m3，調節庫容421.5萬m3。下水庫大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩，最大壩高97m、壩頂長度537m。庫底、壩坡采用瀝青混凝土面板防滲，防滲面積10.88萬m2,庫岸采用鋼筋混凝土面板防滲,防滲面積6.85萬m2。

2．地質條件

下水庫庫岸山體陡峻，庫岸為崮山和張夏組地層，庫底與壩基為第四系洪積和崩坡積物覆蓋，下伏張夏組、徐莊組地層。覆蓋層厚度一般20～40m，局部深達百余米。洪積物主要由碎石及碎石土組成，經大量勘探、試驗、面波測試及地質測年等工作，認為洪積物分三期形成，第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪積物為第四紀早、晚更新世形成，經歷了長期的壓密和地表及地下水的淋漓作用，比較密實，并在不同深度形成了不同程度的膠結，而且在洪積物中還存在土質透鏡體和碎石架空現象。第三期（Q4pl）洪積物形成于第四紀全新世，基本沒有膠結。通過面波測試結果可知：第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪積物面波波速700～1000m/s,局部存在500～600m/s低速區,結合其它勘探資料分析，這可能是土質透鏡體或碎石架空層。第三期（Q4Pl）洪積面波波速小于500m/s，與一般河床砂礫石相當。崩坡積物主要由塊石、碎石礫質土等組成，分布于庫周陡壁下。

在大量勘探、試驗、分析研究工作基礎上，根據覆蓋層工程性質分析確定覆蓋層利用原則為：崩坡積物全部挖除，基本挖除第三期（Q4Pl）覆蓋物，使下水庫擋水壩及庫底大部分座落在第一期洪積物（Q2pl）上，僅壩腳部位位于第二期洪積物（Q3pl）上，主溝部位Q4Pl難以挖除，有十余米寬的范圍利用第三期洪積物（Q4Pl）中下部作為壩基；開挖料可作為壩體下游堆石區的填筑料。

3覆蓋層作為壩基需研究的問題

覆蓋層能否作為壩基必須滿足以下三個條件。

3.1覆蓋層在壩體和水荷載作用下滿足抗滑穩定要求

覆蓋層在壩體和水荷載作用下，能否滿足抗滑穩定要求是覆蓋層能否利用的首要條件。壩體及覆蓋層的穩定從三個方面來分析，首先是壩體自身及壩體連同覆蓋層的穩定，對于堆石壩來說，壩體自身穩定不會成為控制條件，但壩體是否連覆蓋層一部分或沿覆蓋層中薄弱面滑動，需進行分析；其次是壩體沿覆蓋層基礎開挖面的滑動；三是壩體及覆蓋層沿基巖面的滑動。通過對各種工況分析，覆蓋層在壩體和水荷載作用下具有足夠的穩定性，僅在壩軸線平面反弧中間部位，壩體下游部分沿覆蓋層基礎開挖面穩定性較差，但通過壩基下游部分開挖寬20m左右平臺即可滿足要求。

3.2覆蓋層滿足滲透穩定要求

下水庫采用全庫防滲，滲漏量很小，三維有限元計算結果僅為6L/s。在水庫正常運行條件下，不會發生滲透破壞，但在下水庫防滲和排水失效情況下是否會發生滲透破壞，需進行詳細的分析。下水庫覆蓋層為強透水，滲系數大部分在10－3cm/s以下，具有自由排水能力。滲透臨界水力坡降為0.13～0.44,破壞比降為0.42～1.01，通過對下水庫三維滲流場分析，即使在下水庫防滲及排水失效，計算滲漏量達2.86m3/s的情況下，也難以形成浸潤線，最大水力坡降僅為0.06，遠小于臨界滲透比降，不會發生滲透破壞。

3.3在水庫蓄水和運行過程中，壩體不產生過大的不均勻變形

下水庫庫底和壩坡采用瀝青混凝土面板防滲，水庫蓄水和運行過程中，雖然瀝青混凝土面板具有較好的適應變形能力，但當基礎不均勻變形過大，使面板產生的拉應變超過瀝青混凝土的允許拉應變時，瀝青混凝土面板將產生裂縫，影響水庫的正常運行。影響面板計算變形的主要因素有：計算模型選擇、覆蓋層、主次堆石力學參數的選取、瀝青混凝土面板參數的選取、軟弱體如土質透鏡體的分布等。

3.3.1計算參數

（1）覆蓋層計算參數

在力學參數選擇時，我們以應用較廣泛的E-B模型為基礎進行討論。E-B模型是采用切線彈性模量Et和體積彈性模量B來描述土體應力應變關系。Et不僅與σ3有關，且與應力水平有關，B是隨σ3變化而變化。E-B模型參數是建立在室內三軸試驗基礎上的，在覆蓋層的勘探過程中，為較全面地反應覆蓋層工程特性，分別在Q2pl、Q3pl、Q4pl不同時期形成的覆蓋層中，不同深度進行取樣，進行了大量試驗。根據三軸試驗成果確定的E-B模型參數，一般范圍為：K=420～1100，Kb=100～800，Rf=0.7～0.9，n＝0.2～0.5,m=0.02～0.6。庫底及壩基大部分位為Q2pl和Q3pl覆蓋層上，Q2pl和Q3pl覆蓋層從其成因分析、現場勘查以及基礎開挖揭示情況看存在不同程度的膠結，試驗參數難以反應膠結程度的影響，但考慮試驗的局限性，覆蓋層計算參數采用較的小值，詳見表1。

（2）次堆石計算參數

根據三軸試驗成果確定的次堆石E-B模型參數，一般范圍為：K=420～950，Kb=100～500，Rf=0.7～0.9，n＝0.2～0.5,m=0.02～0.5。計算采用的次堆石參數接近根據試驗結果確定參數的較小值，類比其它工程，計算采用參數也是不高的。

（3）主堆石參數

主堆石采用水泉灣料場開采灰巖料。由于受當時試驗條件的限制，主堆石試驗采用料源為廠房地質探洞洞渣料，洞渣料中薄層灰巖較多，其顆粒形狀及強度不如實際施工時的主堆石料，采用探洞石渣料進行試驗應是偏于安全的。計算采用值見表1。通過對灰巖筑壩工程類計算采用值是比較合適的。

表1E-B模型計算參數表

部位

Φ

（°）

△φ

（°）

Rf

K

n

Kb

m

覆蓋層

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應力應變分析

(1)堆石體不同本構模型對面板拉應變的影響

用于堆石計算的本構模型常見的有線彈性模型；E-μ、E-B、K-G等非線性模型；單屈服面、雙屈服面、分部屈服等彈塑性模型等。為研究本構模型的影響，本工程分別采用常用的E-B、K-G、南水模型進行分析。E-B、K-G、南水模型所需參數都是基于堆石料的三軸試驗，為能使各模型的計算結果具有較好的可比性，各模型計算參數基本以同組三軸試驗數據為基礎。各模型計算結果表明，壩體及面板應力分布規律大體一致，表明堆石體的本構模型對壩體應力計算結果影響不大。而對壩體變形及面板應變來看，由于不同模型對土體變形尤其是體積變形的描述方法不同，雖然分布規律大體相同，但數值差別較大。面板拉應變計算成果見圖1。根據以往工程經驗，和類似工程施工期位移觀測值類比，E-B模型垂直位移符合比較好，水平位移偏大。而E-B模型在工程上應用較為廣泛，且積累了較多的經驗，通常在壩體及面板設計過程中以E-B模型計算結果為依據。

圖1堆石料本構關系對面板應變的影響圖2面板計算模型對其應力的影響

（2）瀝青面板本構模型對面板應變的影響

瀝青混凝土面為粘彈性材料，溫度對其性能影響非常大。瀝青混凝土面板剛度較小且有較好的柔性，能夠較好地適應壩體的變形。但是當面板的變形梯度即應變超過其允許值時，面板將產生裂縫。日本的瀝青混凝土面板設計也是以拉應變來控制的。瀝青混凝土參數受溫度影響非常大，難以確定一套比較合理的參數。為分析面板本構模型對計算成果的影響，對瀝青混凝土面板采用墊層E-B模型及參數、E-μ模型、粘彈性模型分別進行了計算與析，計算結果見圖2。從計算結果可以看出，不同參數和本構模型對面板應變計算成果影響不大，說明瀝青混凝土面板以適應壩體變形為主，面板本身的參數和本構關系對其應變影響相對較小。

(3)主、次堆石及覆蓋層參數對面板變形的影響

①主堆石參數對面板變形的影響

為研究主堆石參數變化對面板應變的影響，在壩體三維有限元分析中，將表1主堆石參數的K、Kb均降低1.5倍，分析其對面板變形的影響，計算結果見圖3。從計算結果可以看出，如果K、kb均降低1.5倍，面板最大拉應變將提高20％左右，主堆石參數對面板應變影響是比較大的。

②次堆石參數對面板變形的影響

采用表2的2套參數進行計算。從計算結果看，面板順坡向最大拉應變分別為0.38%和0.39%，基本相等。次堆石參數K與Kb分別相差30%和50%，盡管兩套參數差別比較大，但對壩體應力和變形的影響相當，所以對面板應變的影響不大。

表2次堆石E-B模型參數

部位

Φ

（°）

△φ

△（°）

Rf

K

n

Kb

m

次堆石參數1

44.5

4.2

0.88

527

0.47

246

0.18

次堆石參數2

46

6.5

0.83

744

0.21

333

0.012

③覆蓋層參數對面板變形的影響

在分析覆蓋層參數對壩體及面板的應力、應變影響時，對不同覆蓋層參數進行了三維有限元計算。計算結果見圖4。從前面的分析可以看出，次堆石參數對壩體及面板應力應變影響不大，可以認為在主堆石參數相同時，壩體及面板應力、應變主要是覆蓋層參數的影響。因此可以認為圖4中的曲線2主要是覆蓋層參數變化對面板應變的影響。覆蓋層K和Kb均增加65％，其它參數不變時，面板應變減少11％左右，覆蓋層參數對面板應變影響比較大。

圖4覆蓋層參數對面板拉應變的影響

(4)瀝青混凝土面板參數對應變的影響

瀝青混凝土面板在水荷載作用下發生變形時，水溫不會低于0℃，這時瀝青混凝土面板彈性模量不會太高，一般在10～600MPa左右。為分析面板參數對其應力、應變的影響，采用彈性模型，對波松比μ＝0.3，彈性模量E=20～20000MPa進行分析，計算結果見圖5。從計算結果可以看出，隨著面板模量的減少，面板拉應變有所增加。由于面板剛度很小，對變形抵抗作用有限，盡管E從20MPa增加為2000MPa時，模量增加了100倍，而面板應變僅減少了29%。

圖5瀝青面板彈性模量與拉應變關系

（5）土質透鏡體對面板變形的影響

下水庫覆蓋層存在土質透鏡體和碎石架空現象，從面板受力條件分析，土質透鏡體等軟弱物質位于反弧位置對面板變形影響最不利。為分析土質透鏡體等軟弱物質對面板變形的影響，在有限元分析過程中，首先假設土質透鏡體位于反弧上游的庫底，土質透鏡體長度為10m，分析不同埋深對面板變形影響。這樣做的主要目的是消除由于透鏡體使面板產生的拉應變與反弧段拉應變疊加的影響，分析結果見圖6。隨著埋藏深度的增加，土質透鏡體對面板應變影響越來越小。當土質透鏡體埋藏深度大于10m后，對面板應變影響不大。既使土質透鏡體埋深0～4m，引起面板的拉應變僅為0.22%。

（a）反弧上游覆蓋層存在土質透鏡體時其埋深對面板順坡向最大拉應變的影響

（透鏡體長度10m，模量降低10倍，以壓應變為正）

(b)反弧上游覆蓋層存在透鏡體情況的面板順坡向應變分布圖

圖6

為分析土質透鏡體對面板最不利影響，假設其位于反弧位置，長10.5m，通過有限元分析不同埋藏深度對面板應變的影響。分析成果見圖7。從分析結果不難看出：隨著埋藏深度增加，土質透鏡體對面板應變的影響減小，當埋深大于6m后這種影響相對較小；面板反弧部位的拉應變也與土質透鏡體產生的拉應變疊加。無土質透鏡體時，面板反弧段最大拉應變為0.32%，當埋深4～8m時，面板最大拉應變為0.41%，增加29％左右。

(a)反弧位置覆蓋層存在土質透鏡體時其埋深對面板順坡向應變的影響

（透鏡體長度10.5m，模量降低10倍，應變以壓為正）

(b)反弧位置覆蓋層存在透鏡體情況的面板順坡向應變分布圖

圖7

4．結束語

在深厚覆蓋層基礎上建壩，首先應考慮覆蓋層的利用問題，選用合適勘探、試驗手段，查明覆蓋層的成因、分布、組成、工程特性、壩體和覆蓋層與基巖接觸面性質等。對于西龍池下水庫覆蓋層，面波測試是一種較好的物探手段，與其它勘測成果有較好的一致性。在查明覆蓋層性質后，從壩體及覆蓋層穩定、壩體及面板應力應變、滲透穩定入手，分析覆蓋層利用的可能性、利用原則及基礎處理措施。西龍池下水庫覆蓋層參數及土質透鏡體對面板變形影響較大,在設計過程中,針對不同時期形成洪積物在不同深度的工程特性，在滿足面板及壩體安全運行的前提下，確定覆蓋層利用原則。施工過程中，采用地質雷達，對土質透鏡體和架空層進行勘探，根據其體積大小、埋藏深度、所處部位采取不同的處理方式。

參考文獻

1《混凝土面板壩工程》蔣國澄傅志安風家驥主編湖北科學技術出版社