大岗山高拱坝及地下厂房运行期渗控方案研究

2013-12-17何江达符文熹

水电站设计 2013年3期

段斌，何江达，符文熹

(1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

1 前言

渗流分析和控制技术对工程安全和经济合理性的影响越来越大，渗控方案研究也是水工建筑物设计中的重要组成部分。作为本文研究对象的大岗山水电站位于四川省石棉县境内，是大渡河干流规划近期开发的大型水电工程之一，采用混凝土拱坝结合地下厂房的枢纽布置方案，电站正常蓄水位1 130m，最大坝高约210m，正常蓄水位库容约7.42亿m3，电站装机容量2 600MW。水电站厂坝区各类岩脉和断层较发育，且岩体中还发育有多组裂隙，坝址区发育的岩脉、断层和多组裂隙共同构成了厂坝区地下水的渗流通道。受这些因素控制，厂坝区岩体中的水文地质条件复杂，渗透特性在空间上具有明显的分区、分带和各向异性的特征。因此，只有通过对大岗山水电站厂坝区渗流场的计算和分析，才能较为真实地反映厂坝区天然渗流场特征以及运行期不同防渗、排水措施下的渗流场变化，这对大岗山水电站的渗流控制方案的决策至关重要。

随着20世纪60年代计算机的迅速发展和广泛运用，以计算机为基础的数值模拟技术使渗流计算方法获得了突破性进展。数值解法主要包括有限差分法、边界元法和有限单元法等，其中有限单元法是目前应用最为广泛和有效的方法。O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung首先用有限元法求解拟调和方程，使它在渗流领域内逐渐得到推广应用。W.D.Lian Finn和R.L.Taylor、C.B.Brown、川本等研究了具有自由面的土坝稳定渗流，R.R.Volker研究了不符合达西定律的有自由面的稳定渗流，J.A.Mc Cor-quodal、S.P.Neuman、C.S.Desai、饭田隆一等进行了渗流自由面随时间变化的非稳定渗流的研究[1]。我国学者对渗流理论、数值分析方法等都进行了广泛而深入的研究，陈平、李祖贻采用丢弃结点法求渗流自由面，张有天、陈平等提出了用固定边界求解有自由面渗流问题的初流量法[2]，速宝玉、朱岳明提出了固定网格的结点虚流量法[3]，吴梦喜、张学勤提出了固定网格的虚单元法[4]，使固定网格法得到进一步的发展。对于有排水幕的渗流分析，我国学者已提出了多种方法，如朱伯芳提出的杂交元法[5]、王镭等提出的排水子结构法[6]、杜延龄提出的等效杆单元法[7]、王恩志等提出的“以管代孔”法[8]和“以缝代井列”法[9]等。

2 裂隙岩体渗透张量

本文对大岗山厂坝区三种裂隙岩体(中等透水岩体、弱透水岩体和微透水岩体)，实测出各类裂隙岩体的渗透特征及渗透系数见表1。

表1 厂坝区裂隙岩体渗透系数计算值

大岗山水电站厂坝区发育有多组裂隙，其中第①、④、⑤组为主要的导水裂隙。各组裂隙特征见表2。

表2 各组裂隙特征

考虑裂隙岩体的连通率修正公式：

式中li——裂隙连通率。

计算出的岩体的渗透张量及其主值见表3。

表3 裂隙岩体的渗透张量及其主值 cm/s

3 有限元计算模型

根据大岗山水电站厂坝区主要水工枢纽布置、防渗帷幕布置、排水幕和排水廊道布置情况以及地质地形条件，三维渗流场有限元计算范围上游取至导流洞进口位置，下游取至导流洞出口位置，顺河向长度约883.0m；横河向左、右侧边界取至地形分水岭位置，横河向长度约1 423.8m；垂直方向底面高程为615.0m。本文采用ANSYS有限元计算软件，整个计算域采用空间八结点等参单元结合部分三棱柱和四面体单元进行离散，共离散为53 959个单元和54 957个结点。有限元计算模型见图1。

图1 大岗山厂坝区运行期渗流场三维有限元网格

4 运行期渗控方案分析

4.1 渗控方案研究思路

在进行运行期厂坝区整体模型三维渗流场计算时，由于渗控方案较多，其中厂区四个方案，坝区六个方案，需要通过对比分析选择较优的渗控方案，同时运行期渗控方案的优化也是本文最为关心的重点。其研究思路为：以坝基防渗、排水初始设计方案为基础，分别结合厂区多种不同防渗、排水方案的渗流场计算和比较，优化出较优的厂区渗控方案；再以厂区优化的渗控方案为基础，与六个坝区渗控方案结合，优化出较优的坝区渗控方案，这时厂区和坝区结合出的渗控方案才是厂坝区较优的渗控方案。运行期厂坝区三维渗流场计算共包括10种计算方案组合，见表4。

表4 运行期厂区与坝区渗控方案组合说明

4.2 边界水位

库区淹没区以正常蓄水位φ=1 130m、相应坝后水垫塘水位φ=961m为定水头边界考虑；计算模型左、右岸山体和下游侧边界水位以“大岗山水电站坝区三维天然渗流场反演分析”[10]一文确定的边界水位为依据。

4.3 材料渗透参数

厂坝区整体三维渗流场计算模型中各渗透分区岩体和岩脉(断层)按各向异性渗透材料介质考虑，岩体的渗透张量和岩脉(断层)走向、倾向方向的渗透系数见表5，排水幕等效渗透系数见表6。

表5 厂坝区断层、岩脉的渗透系数

表6 各渗控方案排水幕的等效渗透系数

4.4 厂区不同渗控方案的渗流场特征分析

限于文章篇幅，以计算方案1作为典型计算方案进行分析。计算方案1中厂区典型剖面的地下水位等势线图、渗透压力等值线图和厂坝区枢纽整体模型的地下水水位(自由面)等值线图见图2、3。

图2 计算方案1垂直洞室剖面水位/渗压等值线

从厂区各渗控方案的渗流场特性的分析可知，在厂区的四个渗控方案与坝区渗控方案1(1)相结合所形成的四种计算方案中，各渗控措施均可以有效降低厂区地下浸润面高程，大幅度减小地下洞室的外水压力，其中计算方案4(1)和4(2)在主机间靠上游侧端头位置的水面线最低，主机间靠上游侧端头位置的水面线高出主机间底面15～20m，而其它厂区渗控方案中主机间靠上游侧端头位置的水面线都比较高，均高于主机间底面50m左右，由此说明，厂区的四个渗控方案中只有厂区方案4对降低厂房区三大洞室的水面线效果最好。这是由于厂区地下洞室所在区域的岩体基本为微透水，其渗透系数量级与防渗帷幕相当，该区域内靠山侧与三大洞室轴线垂直的防渗帷幕效果甚微，而厂区渗控方案4的防渗帷幕由“L折线型”变为“直线型”，厂区防渗帷幕整体位于靠库区一侧，该区域内微透水岩体顶板高程较低，则位于上部弱透水和中等透水岩体中的防渗帷幕段对库水起到很好的阻渗效应，同时三大洞室上游侧排水幕和排水廊道仍然起到了显著的排水减压作用，致使该方案主厂房的自由面最低、渗透压力作用最小。同时，从下文的渗流量统计中可以看出，厂区四种渗控方案的排水廊道渗流量相差不大，虽然厂区方案4中由于排水廊道的减少，排水廊道的总渗流量有所增加，但厂区渗流总量不大，对厂区排水廊道断面尺寸及抽排措施影响甚微，因此推荐厂区渗控方案4作为代表方案，并在对坝区的防渗帷幕和排水幕进行优化时，将厂区渗控方案4作为较优的方案与坝区的渗控方案相结合进行渗流场的计算。

图3 计算方案1厂坝区地下水水位(自由面)等值线

4.5 坝区不同渗控方案的渗流场特征分析

限于文章篇幅，以计算方案5作为典型计算方案进行分析。计算方案5坝区典型剖面的地下水位等势线图和渗透压力等值线图见图4。分析该方案计算成果可知：由于坝基防渗帷幕对岩体，尤其是坝肩较高高程的弱透水岩体段的阻渗作用，以及帷幕之后排水幕和坝肩排水洞的强排水作用，坝基帷幕前后的水头损失很大，排水幕之后的坝基扬压力很小，坝基建基面925m高程排水幕处扬压力水头减小约90m，位于两岸坝肩中部的坝底扬压力水头减小约120～150m，位于两岸坝肩上部的坝底扬压力水头减小约80～100m。

图4 坝体横剖面水位/渗压等值线

以厂区优化方案(即厂区渗控方案4)为基础，与坝区的六个渗控方案相结合进行渗流场的计算结果表明，计算方案6和7将坝区排水幕深度增加至105m(底高程820m)，防渗帷幕深度增加至155m(底高程770m)，对比其它方案，计算方案6和7防渗帷幕下游侧渗透压力相对较小，左右坝肩抗力体区域浸润区范围也相对较小，同时从下文的渗流量统计结果可以看出，计算方案6和7的坝区排水廊道和水垫塘排水渗流量是最小的，所以这两种坝区渗控方案相对较优。而在这两种方案中，计算方案7中的防渗帷幕在1 030m高程以下为2×1.5m梅花排列3排，其相应的渗透系数比方案6略有减小，但是由于防渗帷幕在1 030m高程以下大部分处于弱透水和微透水岩体，其渗透系数与防渗帷幕差别不大，无论布置2排还是3排2×1.5m梅花排列的防渗帷幕的效果相差甚微，主要靠排水幕起关键的排水降压的作用。计算成果还表明，坝区排水幕插入基岩深度增大，对降低坝基和左右岸坝肩扬压力水头效果显著，并可以有效改善坝基和坝肩受力特征，增强坝基和坝肩抗滑稳定性。因此，推荐计算方案6(即厂区渗控方案4+坝区渗控方案2)作为坝区渗控措施的优化方案，该方案的灌浆帷幕、坝体和地下厂房的三维网格见图5。

图5 坝体+灌浆帷幕+地下厂房三维网格

4.6 厂坝区各渗控方案的渗透比降分析

为了深入了解不同计算方案下厂坝区的渗控措施及其效果，并进一步定量评价厂坝区渗控优化方案，本文分析工程关心的厂坝区防渗帷幕、岩脉(断层)、各渗透分区岩体等重点部位的渗透比降。计算方案6中厂坝区防渗帷幕的渗透比降等值线云图见图6。

图6 计算方案6厂坝区防渗帷幕渗透比降等值线云图

从渗透比降成果可以看出，各计算方案中工程重点部位的渗透比降量值差异不大。就计算案6而言，厂区防渗帷幕的渗透比降最大仅9.3，一般能满足抗渗要求；坝区防渗帷幕的渗透比降最大约48.6，仅出现在坝体、防渗帷幕和岩脉(断层)三者相交的表层局部部位，在施工满足设计的有效帷幕灌浆厚度和连续性条件下，也能承受这样的渗透比降，但是，对于防渗帷幕与岩脉(断层)接触部位，需要严格控制帷幕的施工和岩脉(断层)的处理质量，适当采取置换或高压固结灌浆等工程措施。

4.7 各渗控方案的渗流量分析

通过厂坝区三维渗流场计算，可以获得不同计算方案中厂区排水廊道、地下洞室、防渗帷幕，坝区排水廊道、抗力体排水洞的渗流量，各计算方案不同工程部位的渗流量见表7。

从各计算方案的渗流量统计结果可以看出：

(1)总体而言，各方案厂区排水廊道中渗流量最大值均出现在957m高程排水廊道，表明该层排水廊道对厂区渗流控制起着关键的作用。其中厂区排水廊道渗流量最大值出现在计算方案1，其原因是由于计算方案1中厂区尾调室水位采用965m高程，而其它方案尾调室水位计算取为960m，致使厂区排水廊道，特别是最低一层排水廊道流量较大，该方案厂区排水廊道总流量超过了5 100m3/d，而其它方案的渗流量都在3 900～4 800m3/d之间。

表7 各计算方案渗流量统计 m3/d

(2)各计算方案中坝区排水廊道由于分布范围广，对坝区渗流排水起着关键的作用，同时其渗流量也相对较大，基本都超过了19 000m3/d，其中计算方案8和9甚至达到了30 918.47m3/d和28 693.12m3/d，这主要是因为这两种计算方案的防渗帷幕的渗透系数按照<3Lu控制，明显大于其它计算方案的防渗帷幕的渗透系数，反映出防渗帷幕质量对坝区排水廊道渗流量影响显著。同时在坝区各层排水廊道中，940m高程排水廊道的渗流量最大，而1 080m高程的排水廊道流量很小，说明1 030m及其以下高程排水廊道，特别是940m高程排水廊道对坝区渗控起着关键的作用。

(3)水垫塘下排水廊道是库区和两岸山体中的主要渗流通道，加之排水廊道高程很低，导致绕过坝区防渗、排水措施而渗入水垫塘下排水廊道的渗流量较大，各方案均超过了16 000m3/d。

(4)在厂坝区防渗帷幕(按1Lu控制)和排水措施正常工作条件下，两岸抗力体排水洞总体位于干燥区，基本无地下水排出。其主要原因在于厂坝区的防渗帷幕及厂坝区的排水廊道起到了良好的前堵后排效果。

5 结论及建议

(1)运行期厂区各渗控设计方案计算成果表明，厂区四种渗控方案均可以有效降低地下厂房区的渗透压力，厂区洞室群围岩渗透特性得到显著改善。这说明渗控设计方案的“厂外堵排结合，厂内排水为主”的设计原则是正确的，综合厂区各渗控方案计算结果，厂区渗控方案4相对较优；同时，建议将厂区向上游延伸160m的防渗帷幕深度减少，布置在1 080m高程，相应的排水幕也布置在此高程，该方案对厂区的渗控效果完全满足工程要求，并可减少工程量。

(2)运行期坝区各渗控设计方案计算成果表明，坝基坝肩各高程排水廊道和排水幕的效果较为显著，对坝基坝肩扬压力起到了良好的控制作用。而坝区防渗帷幕对较高高程的坝肩绕坝渗流阻水效应较为显著，有效降低了坝后拱座抗力体部位的地下水位，坝后980m高程以上基本处于干燥区，对坝肩稳定有利，坝区各渗控设计方案基本上能达到控制坝区地下水位的要求。这表明坝区渗控设计方案的“高高程中等透水岩体以堵排结合，低高程微透水岩体以排水为主”的设计原则是正确的。综合各渗控方案计算成果，坝区设计渗控方案2相对较优，即应将排水幕尽量布置在较深位置。同时建议取消左右岸抗力体保留1 110m高程以上的排水平洞，并考虑适当降低底层排水洞高程。

(3)运行期厂坝区枢纽关键部位、岩脉(断层)和岩体的渗透比降结果表明，厂坝区防渗帷幕、基岩总体满足抗渗要求，但是位于防渗帷幕和排水幕附近的岩脉(断层)渗透比降较大，需要对局部岩脉(断层)进行处理以提高其抗渗能力，防止出现渗透变形破坏。

(4)在本文的渗控方案研究中，将厂区和坝区渗控方案结合起来进行三维渗流场计算，这种方法对有限元建模要求很高，对大岗山水电站厂坝区总体渗控方案的设计更具指导意义，可供其它工程参考。

[1] 杜延龄,许国安.渗流分析的有限元法和电网络法[M].北京:水利电力出版社,1992.

[2] 张有天,陈平,王镭.有自由面渗流分析的初流量法[J].水利学报,1988,(8):55-64.

[3] 速宝玉,朱岳明.不变网格确定渗流自由面的结点虚流量法[J].河海大学学报,1991,(9):42-46.

[4] 吴梦喜,张学勤.有自由面渗流分析的虚单元法[J].水利学报,1994,(8):67-71.

[5] 朱伯芳.渗流场中考虑排水孔作用的杂交元[J].水利学报,1982(9):32-41.

[6] 王镭,刘中,张有天.有排水幕的渗流场分析[J].水利学报,1992(4):15-20.

[7] 杜延龄,徐国安,韩连兵.复杂岩基三维渗流分析方法及其工程应用研究[J].水利水电技术,1991(1):2-9.

[8] 王恩志,王洪涛,邓旭东.“以管带孔”—排水孔模拟方法探讨[J].岩石力学与工程学报,2001,20(3):346-349.

[9] 王恩志,王洪涛,王慧明.“以缝代井列”—排水幕模拟方法探讨[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1):98-101.

[10]唐正州，段斌，何江达,等.大岗山水电站坝区三维天然渗流场反演分析[J].四川水利，2007，(1):44-47.