300 m級心墻堆石壩與地下廠房洞室群滲流分析與控制

段 斌，李善平，唐茂穎，肖培偉，李永紅

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司,成都 610041；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,成都 610072)

0 前 言

滲流分析與控制對高心墻堆石壩工程安全至關重要。美國Teton、Fontenelle心墻土石壩都曾經發生過滲流沖刷而導致壩體破壞；中國曾對241座大型水庫電站發生的近千個工程安全問題作過統計，發現約37.1%的安全問題是由于滲流引起的。

水利水電工程滲流分析與控制技術是水力學與巖土力學的融合。隨著現代科技進步，該技術在基本理論、試驗手段、計算方法和工程應用等方面都得到了極大發展。水利水電工程樞紐區地形地質條件復雜，大壩壩體、地下洞室、防滲和排水等水工結構眾多，各種材料滲流特性各異，滲流計算涉及的范圍也很大，因而必須采用有限元等數值計算方法才能獲得比較符合實際的滲流場。水電工程滲流分析的特點是計算域內存在一個地下滲流場，自由面以上為非飽和滲流區，自由面以下為飽和滲流區。由于非飽和滲流對于水電工程滲流影響不大，因而需要采用有自由面滲流的飽和算法來計算穩定滲流場。自由面的求解問題在本質上是非線性自由邊值問題，目前求解這類問題的有限元分析方法總體上分為2類：一類是變網格迭代法；另一類是固定網格迭代法。由于變網格法工作量較大，而且容易使自由面附近的網格出現畸形，一般很少采用。固定網格法分為復合單元法[1-2]和初流量法[3-4]兩類。變單元滲透系數法、改進單元滲透矩陣調整法、復合單元全域迭代法屬于前者；剩余流量法、改進剩余流量法、初流量法、改進初流量法、變分不等式法、截止負壓法、結點虛流量法等屬于后者，丟單元法、子單元法、虛單元法則屬于改進的移動網格法。排水孔是水利水電工程中極為重要且應用廣泛的滲控措施，在滲流計算中，對排水孔的處理一直是工程界關注的重點之一。由于排水孔的孔徑尺寸較小(約5～10 cm)，排列密集數量眾多，從而導致在滲控分析中對排水孔模擬的困難。目前對排水孔模擬主要包括節點水位約束法、排水子結構法、解析解與有限元結合法(如以縫代井法、以溝代井法、半解析法)等方法。

1 工程概況與基本條件

1.1 工程概況

作為300 m級心墻堆石壩典型代表——大渡河雙江口水電站，設計裝機容量2 000 MW，多年平均年發電量77.07億kWh。樞紐工程由攔河大壩、右岸泄洪建筑物、左岸引水發電系統(地下廠房)等組成。攔河大壩采用土質心墻堆石壩，最大壩高314 m。

1.2 壩址區地質條件

壩址區兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，出露巖體主要為花崗巖。河床沖積層最大厚度67.8 m，從下至上總體可分為3層：第①層為漂卵礫石層，第②層為(砂)卵礫石層，第③層為漂卵礫石層。壩址區除右岸F1斷層規模相對較大外，主要由一系列低序次、低級別的小斷層、擠壓破碎帶和節理裂隙結構面組成。

壩區地下水分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水2種類型。第四系孔隙水主要分布于河谷地帶的松散堆積物中，受大氣降水、河水及兩岸地下水補給，向下游排泄，具強透水性。花崗巖巖體較完整，巖體含水不豐，基巖裂隙水主要賦存于淺表部卸荷巖體、裂隙密集帶或斷層上盤破碎帶巖體中，呈脈狀分布。基巖透水差，脈狀裂隙水間水力聯系弱，基巖裂隙水與局部承壓水主要受大氣降水補給，向河谷排泄。

1.3 防滲排水體系

大壩壩頂高程2 510.00 m，河床部位心墻底高程2 198.00 m，基底設2 m厚混凝土基座，心墻與兩岸壩肩接觸部位的岸坡表面設垂直厚度1 m的混凝土蓋板，心墻與蓋板連接處鋪設水平厚度3 m的黏性土。大壩壩體典型斷面見圖1，基礎防滲采用帷幕灌漿處理，見圖2。帷幕深入透水率小于1 Lu的相對不透水層(見圖2中帷幕灌漿底線)。右岸防滲帷幕覆蓋F1斷層，左岸防滲帷幕與廠房部位帷幕連成一體，河床部位帷幕底高程2 100.00 m。兩岸2 460.00 m高程以上部分布置1排帷幕灌漿，孔距1.5 m；2 460.00 m高程以下部分采用2排帷幕灌漿，排距1.5 m、孔距2 m。

地下廠房洞室區的防滲排水系統采用“先阻后排、防排并舉”的立體布置方式。在廠房和主變室的外圍，分層設置排水廊道。在廠房上游側及靠河側設1道防滲帷幕，防滲帷幕由2排灌漿孔組成，孔距2.0 m、排距1.5 m；緊接防滲帷幕之后設排水帷幕1道，并在廠房上游側約15.0 m的位置設置3層排水廊道。洞室內頂拱及邊墻設排水孔，廠內設排水溝。地下廠房和主變洞頂部設置“人字頂”排水孔幕。地下廠房區的滲控布置見圖3。

圖1 雙江口水電站心墻堆石壩壩體典型斷面圖 單位：m

圖2 雙江口水電站心墻堆石壩軸線剖面圖 單位：m

圖3 雙江口水電站地下廠房區防滲排水體系圖 單位：m

2 滲流場有限元計算方法

2.1 基本理論

滲流分析的數學模型通常建立在達西定律基礎上。水利水電工程滲流分析一般考慮為不可壓縮流體在剛體介質中進行不隨時間變化的穩定滲流，則運動方程：

(1)

連續性方程：

(2)

微分方程：

(3)

考慮相應定解條件，采用有限元計算方法即可求解以上方程。

2.2 主要考慮因素

(1) 裂隙巖體特性：各向同性連續介質、各向異性連續介質。

(2) 計算模型：3D模型、2D模型。

(3) 自由面計算方法：復合單元法、初流量法。此2種方法又可細分多種具體方法，見前言部分。

(4) 出滲邊界模擬：是否考慮合理的邊界條件確定真實出滲點。

(5) 排水孔模擬：節點水位約束法、排水子結構法、解析解與有限元結合法，見前言部分。

2.3 具體方法設定

雙江口水電站樞紐區滲流分析采用4種具體的計算方法，見表1。

表1 雙江口樞紐區滲流分析有限元計算方法表

3 天然滲流場反演分析

3.1 反演分析目的與方法

天然滲流場反演分析是結合地質分區及相關參數、現場勘探水文地質資料和地下水位觀測孔資料等，對工程區天然滲流場進行反演分析，確定各滲透分區的滲透系數(滲透張量)以及水力邊界條件，掌握天然地下水系統的分布特點，為運行期的滲流場分析及滲控措施的優化提供合理的參數和邊界條件。在滲流場反演分析中，采用非線性規劃擬合方法進行求解，將各測點水頭的計算值與觀測值的總體擬合程度作為反演分析精度的主要評價指標[5]。

3.2 反演滲流場邊界水位

由于計算方法1～4的模型大小和邊界不盡相同，以計算方法1和3為例反演出的模型邊界水位見圖4、5[6-7]。

圖4計算方法1相應模型左右岸邊界的地下水水位分布圖

圖5計算方法3相應模型左右岸邊界的地下水水位分布圖

3.3 材料滲透參數

以計算方法1和3為例，相應計算模型滲透分區材料滲透參數見表2～3。

4 運行期滲流控制方案研究

4.1 有限元計算模型

基于計算方法1～4提出的滲流分析三維有限元計算模型見圖6。

4.2 基本方案滲流分析

4.2.1 滲流場分布

以地下廠房區的滲流場分布為例，按照計算方法1～4得到的三大洞室(主廠房、主變室、尾調室)剖面的等勢線分布見圖7。可見，主廠房洞室和主變洞洞室頂部則基本上被疏干，但其四周的地下水位仍很高，而尾水調壓室基本上處在地下水位線以下。地下廠房區地下水位的大幅降落主要是由于排水孔幕以及洞室壁面的排水作用引起的，而廠區的帷幕在計算中則沒有發揮阻水作用，這是因為帷幕的滲透系數和廠區微新巖體的滲透系數是相同，在帷幕位置沒有形成密集的等勢線分布。由此可見，設計滲控方案下的廠區排水系統還是非常有效的，能夠保證主廠房和主變洞室頂部的地下水被疏干。

表2 計算方法1對應的分區材料滲透參數表

表3 計算方法3對應的分區材料滲透參數表

圖6 計算方法1～4對應的三維有限元計算模型圖

4.2.2 滲透坡降

壩體壩基各部位最大滲透坡降見表4。心墻頂部滲透坡降約為1.4～2.0，心墻下游側出溢坡降最大為3.59，心墻內部的滲透坡降均在3.0以下，心墻與混凝土基座的最大接觸坡降為3.14，滿足滲透穩定要求；壩基防滲帷幕的最大滲透坡降為11.5～16.14，位于左岸壩基底部，壩基各覆蓋層的滲透坡降均未超過允許滲透坡降。

表4 設計滲控方案坡降對比表

F1斷層從上游沖溝一直延伸到下游河道附近，滲透系數為5.0×10-3cm/s。帷幕上下游側地下水自由面的水頭跌落不是很大，約為19.5 m，這主要是因為F1斷層只是被防滲帷幕部分阻斷，斷層內防滲帷幕的滲透梯度最大值約6.32；當F1斷層被帷幕截斷時，斷層內防滲帷幕的滲透梯度最大值約7.20；當斷層滲透系數為5.0×10-2cm/s時，防滲帷幕未完全截斷F1斷層，斷層內防滲帷幕的滲透梯度最大值約15.78，防滲帷幕完全截斷F1斷層，斷層內防滲帷幕的滲透梯度最大值約為28.93。

4.2.3 滲流量

通過壩體心墻的滲流量約為948～1 161 m3/d，通過壩基帷幕及其以下基巖的滲流量約為3 465～4 080 m3/d；地下廠房三大洞室壁面的出滲流量計算值約為253～753 m3/d，廠區主帷幕后面的排水孔幕的出滲流量約為1 280～3 752 m3/d，廠區排水廊道及其排水孔幕總的出滲流量約為330～1 194 m3/d。計算方法1～4得到的壩體和廠區滲流量見表5。

表5 壩體和廠區計算滲流量表 /(m3·d-1)

4.3 廠區滲控方案優化分析

4.3.1 優化方案分析組合

在基本方案的基礎上進行進一步滲控優化[11-12]，主要內容包括：① 壩基防滲帷幕的滲透性控制比較；② 壩基防滲帷幕不同深度滲控計算分析比較；③ 左岸帷幕及其后的排水孔幕不同平面延伸長度計算分析比較；④ 地下廠房區防滲帷幕不同滲透性計算比較分析；⑤ 地下廠房區不同排水孔幕布置滲控分析比較；⑥ 廠區排水孔局部失效對滲流場的敏感分析比較等。滲控優化分析組合見表6。

表6 廠區滲控優化組合情況表

4.3.2 優化方案分析成果

(1) 當廠區帷幕滲透系數為3.0×10-6cm/s時，廠房上游側主帷幕前的水位小幅升高約4～7 m左右，但帷幕下游側與廠房之間的水位變化較小。地下廠房下游側頂部地下水位線要比設計方案低大約5～10 m左右。

(2) 廠區左側帷幕(滲透系數為3.0×10-6cm/s)延長100 m后，尾水調壓室洞室處的地下水位比設計方案降低約15 m，但對降低主廠房和主變洞周圍的地下水位作用很小。

(3) 由于廠區防滲帷幕的滲透系數和周圍巖體的滲透系數相差不大，其地下水位的降落主要靠排水孔幕來實現，廠區排水系統是非常必要的。

(4) 廠房洞室和主變洞室頂部的“人字頂”排水取消后，廠房頂部的地下水位比設計方案略高，這說明“人字頂”的作用不明顯，這主要是因為其它的排水設備作用比較強，使“人字頂”排水大部分都處于干區。然而，作為安全儲備地下廠房和主變洞室頂部的“人字頂”排水還是必要的，但孔間距可以適當放大一些。

(5) 在基本方案的基礎上，廠區局部的排水孔幕的加密或取消對廠房洞室區的地下水位有一定的影響，但不明顯。從滲流量上看，加密或取消排水孔，其滲流量也沒有顯著變化。

(6) 當排水孔失效30%時，主廠房洞室右半部分處在地下水位線以下，地下水位抬升很高，主變洞室頂部仍然處于干區，但周圍地下水位升高；排水孔失效50%，廠區的地下水位進一步升高。這說明排水系統不能有較高的失效比例，以確保排除廠區地下水。

5 結 語

雙江口水電站心墻堆石壩最大壩高超過300 m，地下廠房洞室群規模巨大，工程廠壩區的水文地質條件復雜，采用4種有限元法進行滲流計算分析和滲流控制方案研究，得出以下主要結論：

(1) 考慮裂隙巖體特性、自由面計算方法、出滲邊界、排水孔模擬方法等因素確定的4種有限元方法，得出的滲流場分布、滲透坡降、滲流量的基本規律相差不大，可作為滲流控制方案設計的依據。

(2) 通過對廠壩區防滲系統的分析，壩體壩基的防滲系統(心墻+防滲帷幕)能夠有效地控制地下水的分布，可以此為基礎根據實際地質條件進行滲控方案的優化和調整。

(3) 防滲帷幕的阻水作用在不同部位有所差異。在地下廠區，由于防滲帷幕主要處于微透水～弱透水巖體內，帷幕滲透系數與巖體滲透系數較為接近，廠區防滲帷幕的阻水作用非常有限，減小或增大防滲帷幕滲透系數對廠區滲流場分布及滲流量影響均較小。而壩區由于防滲帷幕主要位于強透水、中等透水等巖體，減小或增大防滲帷幕滲透系數對壩區滲流場分布規律影響不大，但對壩區滲流量影響較大。

(4) 廠區滲流量以廠區排水廊道及防滲帷幕后排水孔幕的滲流量為主，占整個廠區滲流量的80%～90%，廠區排水系統對廠區滲流起到關鍵的控制作用，其中帷幕后排水廊道的滲流量較大，即庫水在透過防滲帷幕后，大部分通過排水孔幕進入排水廊道系統。

(5) 右岸F1斷層自身滲透系數的大小以及其延伸深度對右岸滲流場以及其中的帷幕滲透梯度有較大影響。當F1斷層的滲透系數為5.0×10-3cm/s時，F1斷層的規模及其是否被帷幕截斷，這對右岸滲流場影響不大；但若F1斷層的滲透系數為5.0×10-2cm/s時，其透水性很強，必須利用帷幕進行攔截，同時F1斷層沿深度方向越淺，帷幕攔截效果就越好，但其中的帷幕滲透梯度值就增加很多，建議在局部適當加厚帷幕。