大崗山高拱壩及地下廠房運行期滲控方案研究

段 斌，何江達，符文熹

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

1 前 言

滲流分析和控制技術對工程安全和經濟合理性的影響越來越大，滲控方案研究也是水工建筑物設計中的重要組成部分。作為本文研究對象的大崗山水電站位于四川省石棉縣境內，是大渡河干流規劃近期開發的大型水電工程之一，采用混凝土拱壩結合地下廠房的樞紐布置方案，電站正常蓄水位1 130m，最大壩高約210m，正常蓄水位庫容約7.42億m3，電站裝機容量2 600MW。水電站廠壩區各類巖脈和斷層較發育，且巖體中還發育有多組裂隙，壩址區發育的巖脈、斷層和多組裂隙共同構成了廠壩區地下水的滲流通道。受這些因素控制，廠壩區巖體中的水文地質條件復雜，滲透特性在空間上具有明顯的分區、分帶和各向異性的特征。因此，只有通過對大崗山水電站廠壩區滲流場的計算和分析，才能較為真實地反映廠壩區天然滲流場特征以及運行期不同防滲、排水措施下的滲流場變化，這對大崗山水電站的滲流控制方案的決策至關重要。

隨著20世紀60年代計算機的迅速發展和廣泛運用，以計算機為基礎的數值模擬技術使滲流計算方法獲得了突破性進展。數值解法主要包括有限差分法、邊界元法和有限單元法等，其中有限單元法是目前應用最為廣泛和有效的方法。O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung首先用有限元法求解擬調和方程，使它在滲流領域內逐漸得到推廣應用。W.D.Lian Finn和R.L.Taylor、C.B.Brown、川本等研究了具有自由面的土壩穩定滲流，R.R.Volker研究了不符合達西定律的有自由面的穩定滲流，J.A.Mc Cor-quodal、S.P.Neuman、C.S.Desai、飯田隆一等進行了滲流自由面隨時間變化的非穩定滲流的研究[1]。我國學者對滲流理論、數值分析方法等都進行了廣泛而深入的研究，陳平、李祖貽采用丟棄結點法求滲流自由面，張有天、陳平等提出了用固定邊界求解有自由面滲流問題的初流量法[2]，速寶玉、朱岳明提出了固定網格的結點虛流量法[3]，吳夢喜、張學勤提出了固定網格的虛單元法[4]，使固定網格法得到進一步的發展。對于有排水幕的滲流分析，我國學者已提出了多種方法，如朱伯芳提出的雜交元法[5]、王鐳等提出的排水子結構法[6]、杜延齡提出的等效桿單元法[7]、王恩志等提出的“以管代孔”法[8]和“以縫代井列”法[9]等。

2 裂隙巖體滲透張量

本文對大崗山廠壩區三種裂隙巖體(中等透水巖體、弱透水巖體和微透水巖體)，實測出各類裂隙巖體的滲透特征及滲透系數見表1。

表1 廠壩區裂隙巖體滲透系數計算值

大崗山水電站廠壩區發育有多組裂隙，其中第①、④、⑤組為主要的導水裂隙。各組裂隙特征見表2。

表2 各組裂隙特征

考慮裂隙巖體的連通率修正公式：

式中li——裂隙連通率。

計算出的巖體的滲透張量及其主值見表3。

表3 裂隙巖體的滲透張量及其主值 cm/s

3 有限元計算模型

根據大崗山水電站廠壩區主要水工樞紐布置、防滲帷幕布置、排水幕和排水廊道布置情況以及地質地形條件，三維滲流場有限元計算范圍上游取至導流洞進口位置，下游取至導流洞出口位置，順河向長度約883.0m；橫河向左、右側邊界取至地形分水嶺位置，橫河向長度約1 423.8m；垂直方向底面高程為615.0m。本文采用ANSYS有限元計算軟件，整個計算域采用空間八結點等參單元結合部分三棱柱和四面體單元進行離散，共離散為53 959個單元和54 957個結點。有限元計算模型見圖1。

圖1 大崗山廠壩區運行期滲流場三維有限元網格

4 運行期滲控方案分析

4.1 滲控方案研究思路

在進行運行期廠壩區整體模型三維滲流場計算時，由于滲控方案較多，其中廠區四個方案，壩區六個方案，需要通過對比分析選擇較優的滲控方案，同時運行期滲控方案的優化也是本文最為關心的重點。其研究思路為：以壩基防滲、排水初始設計方案為基礎，分別結合廠區多種不同防滲、排水方案的滲流場計算和比較，優化出較優的廠區滲控方案；再以廠區優化的滲控方案為基礎，與六個壩區滲控方案結合，優化出較優的壩區滲控方案，這時廠區和壩區結合出的滲控方案才是廠壩區較優的滲控方案。運行期廠壩區三維滲流場計算共包括10種計算方案組合，見表4。

表4 運行期廠區與壩區滲控方案組合說明

4.2 邊界水位

庫區淹沒區以正常蓄水位φ=1 130m、相應壩后水墊塘水位φ=961m為定水頭邊界考慮；計算模型左、右岸山體和下游側邊界水位以“大崗山水電站壩區三維天然滲流場反演分析”[10]一文確定的邊界水位為依據。

4.3 材料滲透參數

廠壩區整體三維滲流場計算模型中各滲透分區巖體和巖脈(斷層)按各向異性滲透材料介質考慮，巖體的滲透張量和巖脈(斷層)走向、傾向方向的滲透系數見表5，排水幕等效滲透系數見表6。

表5 廠壩區斷層、巖脈的滲透系數

表6 各滲控方案排水幕的等效滲透系數

4.4 廠區不同滲控方案的滲流場特征分析

限于文章篇幅，以計算方案1作為典型計算方案進行分析。計算方案1中廠區典型剖面的地下水位等勢線圖、滲透壓力等值線圖和廠壩區樞紐整體模型的地下水水位(自由面)等值線圖見圖2、3。

圖2 計算方案1垂直洞室剖面水位/滲壓等值線

從廠區各滲控方案的滲流場特性的分析可知，在廠區的四個滲控方案與壩區滲控方案1(1)相結合所形成的四種計算方案中，各滲控措施均可以有效降低廠區地下浸潤面高程，大幅度減小地下洞室的外水壓力，其中計算方案4(1)和4(2)在主機間靠上游側端頭位置的水面線最低，主機間靠上游側端頭位置的水面線高出主機間底面15～20m，而其它廠區滲控方案中主機間靠上游側端頭位置的水面線都比較高，均高于主機間底面50m左右，由此說明，廠區的四個滲控方案中只有廠區方案4對降低廠房區三大洞室的水面線效果最好。這是由于廠區地下洞室所在區域的巖體基本為微透水，其滲透系數量級與防滲帷幕相當，該區域內靠山側與三大洞室軸線垂直的防滲帷幕效果甚微，而廠區滲控方案4的防滲帷幕由“L折線型”變為“直線型”，廠區防滲帷幕整體位于靠庫區一側，該區域內微透水巖體頂板高程較低，則位于上部弱透水和中等透水巖體中的防滲帷幕段對庫水起到很好的阻滲效應，同時三大洞室上游側排水幕和排水廊道仍然起到了顯著的排水減壓作用，致使該方案主廠房的自由面最低、滲透壓力作用最小。同時，從下文的滲流量統計中可以看出，廠區四種滲控方案的排水廊道滲流量相差不大，雖然廠區方案4中由于排水廊道的減少，排水廊道的總滲流量有所增加，但廠區滲流總量不大，對廠區排水廊道斷面尺寸及抽排措施影響甚微，因此推薦廠區滲控方案4作為代表方案，并在對壩區的防滲帷幕和排水幕進行優化時，將廠區滲控方案4作為較優的方案與壩區的滲控方案相結合進行滲流場的計算。

圖3 計算方案1廠壩區地下水水位(自由面)等值線

4.5 壩區不同滲控方案的滲流場特征分析

限于文章篇幅，以計算方案5作為典型計算方案進行分析。計算方案5壩區典型剖面的地下水位等勢線圖和滲透壓力等值線圖見圖4。分析該方案計算成果可知：由于壩基防滲帷幕對巖體，尤其是壩肩較高高程的弱透水巖體段的阻滲作用，以及帷幕之后排水幕和壩肩排水洞的強排水作用，壩基帷幕前后的水頭損失很大，排水幕之后的壩基揚壓力很小，壩基建基面925m高程排水幕處揚壓力水頭減小約90m，位于兩岸壩肩中部的壩底揚壓力水頭減小約120～150m，位于兩岸壩肩上部的壩底揚壓力水頭減小約80～100m。

圖4 壩體橫剖面水位/滲壓等值線

以廠區優化方案(即廠區滲控方案4)為基礎，與壩區的六個滲控方案相結合進行滲流場的計算結果表明，計算方案6和7將壩區排水幕深度增加至105m(底高程820m)，防滲帷幕深度增加至155m(底高程770m)，對比其它方案，計算方案6和7防滲帷幕下游側滲透壓力相對較小，左右壩肩抗力體區域浸潤區范圍也相對較小，同時從下文的滲流量統計結果可以看出，計算方案6和7的壩區排水廊道和水墊塘排水滲流量是最小的，所以這兩種壩區滲控方案相對較優。而在這兩種方案中，計算方案7中的防滲帷幕在1 030m高程以下為2×1.5m梅花排列3排，其相應的滲透系數比方案6略有減小，但是由于防滲帷幕在1 030m高程以下大部分處于弱透水和微透水巖體，其滲透系數與防滲帷幕差別不大，無論布置2排還是3排2×1.5m梅花排列的防滲帷幕的效果相差甚微，主要靠排水幕起關鍵的排水降壓的作用。計算成果還表明，壩區排水幕插入基巖深度增大，對降低壩基和左右岸壩肩揚壓力水頭效果顯著，并可以有效改善壩基和壩肩受力特征，增強壩基和壩肩抗滑穩定性。因此，推薦計算方案6(即廠區滲控方案4+壩區滲控方案2)作為壩區滲控措施的優化方案，該方案的灌漿帷幕、壩體和地下廠房的三維網格見圖5。

圖5 壩體+灌漿帷幕+地下廠房三維網格

4.6 廠壩區各滲控方案的滲透比降分析

為了深入了解不同計算方案下廠壩區的滲控措施及其效果，并進一步定量評價廠壩區滲控優化方案，本文分析工程關心的廠壩區防滲帷幕、巖脈(斷層)、各滲透分區巖體等重點部位的滲透比降。計算方案6中廠壩區防滲帷幕的滲透比降等值線云圖見圖6。

圖6 計算方案6廠壩區防滲帷幕滲透比降等值線云圖

從滲透比降成果可以看出，各計算方案中工程重點部位的滲透比降量值差異不大。就計算案6而言，廠區防滲帷幕的滲透比降最大僅9.3，一般能滿足抗滲要求；壩區防滲帷幕的滲透比降最大約48.6，僅出現在壩體、防滲帷幕和巖脈(斷層)三者相交的表層局部部位，在施工滿足設計的有效帷幕灌漿厚度和連續性條件下，也能承受這樣的滲透比降，但是，對于防滲帷幕與巖脈(斷層)接觸部位，需要嚴格控制帷幕的施工和巖脈(斷層)的處理質量，適當采取置換或高壓固結灌漿等工程措施。

4.7 各滲控方案的滲流量分析

通過廠壩區三維滲流場計算，可以獲得不同計算方案中廠區排水廊道、地下洞室、防滲帷幕，壩區排水廊道、抗力體排水洞的滲流量，各計算方案不同工程部位的滲流量見表7。

從各計算方案的滲流量統計結果可以看出：

(1)總體而言，各方案廠區排水廊道中滲流量最大值均出現在957m高程排水廊道，表明該層排水廊道對廠區滲流控制起著關鍵的作用。其中廠區排水廊道滲流量最大值出現在計算方案1，其原因是由于計算方案1中廠區尾調室水位采用965m高程，而其它方案尾調室水位計算取為960m，致使廠區排水廊道，特別是最低一層排水廊道流量較大，該方案廠區排水廊道總流量超過了5 100m3/d，而其它方案的滲流量都在3 900～4 800m3/d之間。

表7 各計算方案滲流量統計 m3/d

(2)各計算方案中壩區排水廊道由于分布范圍廣，對壩區滲流排水起著關鍵的作用，同時其滲流量也相對較大，基本都超過了19 000m3/d，其中計算方案8和9甚至達到了30 918.47m3/d和28 693.12m3/d，這主要是因為這兩種計算方案的防滲帷幕的滲透系數按照<3Lu控制，明顯大于其它計算方案的防滲帷幕的滲透系數，反映出防滲帷幕質量對壩區排水廊道滲流量影響顯著。同時在壩區各層排水廊道中，940m高程排水廊道的滲流量最大，而1 080m高程的排水廊道流量很小，說明1 030m及其以下高程排水廊道，特別是940m高程排水廊道對壩區滲控起著關鍵的作用。

(3)水墊塘下排水廊道是庫區和兩岸山體中的主要滲流通道，加之排水廊道高程很低，導致繞過壩區防滲、排水措施而滲入水墊塘下排水廊道的滲流量較大，各方案均超過了16 000m3/d。

(4)在廠壩區防滲帷幕(按1Lu控制)和排水措施正常工作條件下，兩岸抗力體排水洞總體位于干燥區，基本無地下水排出。其主要原因在于廠壩區的防滲帷幕及廠壩區的排水廊道起到了良好的前堵后排效果。

5 結論及建議

(1)運行期廠區各滲控設計方案計算成果表明，廠區四種滲控方案均可以有效降低地下廠房區的滲透壓力，廠區洞室群圍巖滲透特性得到顯著改善。這說明滲控設計方案的“廠外堵排結合，廠內排水為主”的設計原則是正確的，綜合廠區各滲控方案計算結果，廠區滲控方案4相對較優；同時，建議將廠區向上游延伸160m的防滲帷幕深度減少，布置在1 080m高程，相應的排水幕也布置在此高程，該方案對廠區的滲控效果完全滿足工程要求，并可減少工程量。

(2)運行期壩區各滲控設計方案計算成果表明，壩基壩肩各高程排水廊道和排水幕的效果較為顯著，對壩基壩肩揚壓力起到了良好的控制作用。而壩區防滲帷幕對較高高程的壩肩繞壩滲流阻水效應較為顯著，有效降低了壩后拱座抗力體部位的地下水位，壩后980m高程以上基本處于干燥區，對壩肩穩定有利，壩區各滲控設計方案基本上能達到控制壩區地下水位的要求。這表明壩區滲控設計方案的“高高程中等透水巖體以堵排結合，低高程微透水巖體以排水為主”的設計原則是正確的。綜合各滲控方案計算成果，壩區設計滲控方案2相對較優，即應將排水幕盡量布置在較深位置。同時建議取消左右岸抗力體保留1 110m高程以上的排水平洞，并考慮適當降低底層排水洞高程。

(3)運行期廠壩區樞紐關鍵部位、巖脈(斷層)和巖體的滲透比降結果表明，廠壩區防滲帷幕、基巖總體滿足抗滲要求，但是位于防滲帷幕和排水幕附近的巖脈(斷層)滲透比降較大，需要對局部巖脈(斷層)進行處理以提高其抗滲能力，防止出現滲透變形破壞。

(4)在本文的滲控方案研究中，將廠區和壩區滲控方案結合起來進行三維滲流場計算，這種方法對有限元建模要求很高，對大崗山水電站廠壩區總體滲控方案的設計更具指導意義，可供其它工程參考。

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