龙羊峡拱坝超深强透水贯穿性断层渗流特性及其影响研究

张　毅，李　季，靳少波，王雪梅，孔庆梅

（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁，810008）



龙羊峡拱坝超深强透水贯穿性断层渗流特性及其影响研究

张毅，李季，靳少波，王雪梅，孔庆梅

（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁，810008）

龙羊峡水电站右岸坝基超深强透水贯穿性F120断层和A2岩脉（以下简称F120+A2断层）延伸至基础底部深达数公里，贯穿坝体的上下游，透水性强。为了研究库水位达到正常蓄水位或高水位作用时间较长时，F120+ A2断层部位岩体渗流特性，评价对大坝安全的影响程度，黄河公司结合龙羊峡重力拱坝工程，利用大坝原型监测资料和理论分析方法，建立了拱坝超深强透水贯穿性断层岩体的蠕变分析模型及其数值模拟方法，对拱坝超深强透水贯穿性断层渗流性态进行了全面深入的分析。结果表明，龙羊峡大坝右岸坝基F120+A2断层渗流和变形性态变化尚属正常，其变化对大坝的工作性态尚未有明显的影响，就目前F120+A2断层的工作状态，尚不需要采取进一步加固处理。

龙羊峡拱坝；断层；渗流特性；研究

1　工程概况

龙羊峡水电站位于黄河干流青海省境内，是黄河上游龙青段梯级开发的“龙头”电站，其水库具有多年调节性能。工程以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用效益。枢纽由混凝土重力拱坝、两岸重力墩、两岸重力副坝、泄水建筑物、引水建筑物和水电站厂房等组成。挡水前缘总长度1 226 m，其中主坝396 m，最大坝高178 m，最大底宽80 m，建基面高程2 432.0 m，坝顶高程2 610 m。水库校核洪水位2 607 m，正常蓄水位2 600 m，设计汛期限制水位2 594 m，死水位2 560 m，极限死水位2 530 m。水库总库容276.3亿m3，正常蓄水位以下库容247亿 m3，有效库容193.5亿m3。电站装机容量1 280 MW，保证出力589.8 MW，年发电量59.42亿kW·h，系西北电网的主力电站。龙羊峡水电站于1979年12月截流，1982年6月河床混凝土开始浇筑，1986年10 月15日下闸蓄水，1987年9月29日第一台机组正式并网发电，12月2日第二台机组投入运行，1989 年6月4日第4台机组发电。

2　坝区主要断层分布与F120+A2断层

2.1龙羊峡坝区主要断层

龙羊峡水电站坝基岩性为花岗闪长岩，岩性坚硬，经多次地质构造运动，坝肩断层发育，相互切割，特别是大坝下游约300 m的F7断层（宽约80～100 m）横切河谷，形成南北大山沟，使两岸山脉特别是左岸比较单薄。坝区主要断层分布见图2。按产状分为5组：NNW、NW、SN、NE和NWW，其中NNW向（主要有F7-1、F18、F71、F73、F32、F67、F58等）压扭性断层，NE向（主要有F120、F57和A2等）张扭断层，这两组构成整个坝区的断层骨架。断层、大裂隙和成组的节理多属于这两组。北东向断层大多充填较宽的石英岩脉并形成蚀变岩带，其中较大的是位于右岸的F120、f6断层和A2岩脉，它们与河流呈锐角相交，贯通上下游岩体，且透水性相对较强，形成主要渗漏通道。

图1　龙羊峡坝区主要断层分布图Fig.1 Distribution of main faults of Longyangxia hydropower station

2.2F120+A2断层特点

龙羊峡拱坝右岸坝基的F120断层在距坝肩不远的深部贯穿上、下游，宽度2～6 m，性状较差，其走向与大坝推力方向近于正交，在2 560 m高程距坝头最短距离为55 m，多有小的分支，充填糜棱石和角砾岩不甚连续，但有较连续的全强风化蚀变岩带，断层泥平均厚度1.2 cm。A2石英岩脉宽达5～10 m，脉体内NE向的直立裂隙和近水平裂隙发育，透水性很强。F120+A2断层大多有数厘米至数十厘米的含有角砾与碎屑的夹泥，夹泥本身密实不透水，但断层影响带内的碎裂岩体能构成网络状渗水通道，透水性相对较强。

2.2.1F120+A2断层的超深性

F120+A2断层延伸至基础底部深达数公里，断层的渗透系数变化较大。影响岩石渗透系数的主要因素是裂隙密度、张开程度以及裂隙的风化和泥质物充填程度。随着断层深度的加大，F120+A2断层的裂隙张开程度和泥质物充填程度有所变化，而裂隙张开程度和泥质物充填程度的差异性会导致断层的渗透系数产生变化，因此需要研究F120+A2断层的超深性导致断层的渗透系数的变化规律，建立相应的分析计算模型。

2.2.2F120+A2断层的贯穿性

F120+A2断层与河流成锐角相交，并且贯穿上下游岩体，对拱坝整体性影响较大。因此，需通过建立断层岩体的有厚度有限元模型，研究断层的渗流特征，据此分析F120+A2贯穿性断层的渗流变化性态。

2.2.3F120+A2断层的强透水性

F120+A2断层透水性相对较强，断层中的各部分大多有数厘米至数十厘米的含有角砾与碎屑的夹泥，夹泥本身密实不透水，但在断层影响带内的碎裂岩体构成了网络状渗水通道，必须研究其透水特性。

3　F120+A2断层监测成果分析

F120+A2断层在2 463 m、2 497 m和2 530 m高程部位的监测资料表明：

（1）自1986年蓄水以来，库水位从未达到正常蓄水位2 600 m，2005年黄河上游来水较大，自4月26日开始，库水位由2 558.70 m逐渐升高，至11月19日库水位达蓄水以来最高水位2 597.62 m。水位上升期间，F120+A2断层部位渗漏量明显增大，达历史最大值，各部位渗漏量较之前增大约300 mL/s。

（2）F120+A2断层在2 463 m、2 497 m和2 530 m高程，渗漏量随库水位升高而增大，但可以看出渗漏量与库水位呈一定的非线性关系。

（3）从现场巡视检查情况看，2005年库水位升高期间，2 463 m、2 497 m和2 530 m高程的F120断层置换洞和传力槽部位无明显的渗漏和渗漏量增大现象，说明此部位处理和帷幕灌浆防渗效果良好。但在2 463 m、2 497 m和2 530 m高程F120+A2断层部位横向排水廊道断层岩体表面，渗水随库水的升高明显增大，水位达历史最高水位时此部位有刺水现象，渗水明显较低水位时段要大。但是，此部位地下水位、扬压力较稳定，除个别测点外，其他测点与库水位无明显的相关性，说明该部位岩体透水性较强。

为了进一步分析龙羊峡库水位达正常蓄水位或高水位作用时间较长时拱坝右岸坝基F120+A2断层部位岩体渗流特性，需对F120+A2断层工作性态进行综合分析研究和评价。

4　研究方法与成果

4.1研究方法

（1）拱坝超深强透水贯穿性断层岩体的蠕变分析模型及其数值模拟方法。

（2）拱坝超深强透水贯穿性断层岩体渗流特性及分析方法。

（3）拱坝超深强透水贯穿性断层岩体渗流场演变规律。

（4）拱坝超深强透水贯穿性断层岩体转异诊断。

（5）超深断层岩体引起大坝结构转异的诊断方法及其渗流安全监控模型。

4.2主要研究成果

本项目针对龙羊峡大坝超深强透水贯穿性断层F120+A2与工程安全密切相关的渗流问题开展研究，主要研究成果如下：

（1）研究了超深强透水贯穿性断层法向压缩和剪切蠕变特性，建立了有厚度断层法向压缩蠕变模型和切向剪切蠕变模型；针对蠕变损伤会导致刚度劣化和强度弱化的特点，建立了断层的损伤函数和考虑损伤演化的屈服函数，构建了断层损伤蠕变模型。结合对有厚度断层的蠕变特性的研究，建立了夹层单元应变增量与位移增量的关系，导出了宏观各向同性夹层的弹性柔度矩阵，在常规夹层单元研究的基础上，提出了针对龙羊峡有厚度断层蠕变模拟的有限单元法。

（2）研究了超深断层渗流基本特性，建立了超深断层面单宽流量和总流量表达式及超深断层带渗透系数随深度变化的表达式，并提出了超深断层渗流最大计算深度的确定方法；通过对超深断层面几何形态的分形模拟和分析，建立了分形影响的超深断层面渗流特性有限元数值模拟方法。在超深断层渗流基本特性和分形影响的超深断层面渗流特性研究的基础上，提出了蠕变对超深断层面渗流特性影响的渗透系数表达式，同时建立了蠕变作用下超深断层带、坝基等效连续介质岩体渗透系数表达式，并据此构建了蠕变作用下龙羊峡超深断层面、超深断层带渗流计算分析模型和蠕变与渗流耦合模型。

（3）从多孔介质结构特性变化的角度，分析了超深断层渗流演变影响因素及作用效应，研究了断层顶部覆盖层长度、坝基防渗排水结构、超深断层面、超深断层带及坝基等效连续介质岩体引起坝基渗流演变的规律。基于超深断层渗流监测资料，研究了超深断层渗流演变规律的分析方法，重点探讨了位势分析法、相关分析法、类比分析法及基于监控模型分析法的特点和分析过程。建立了超深断层渗透系数反演的目标函数，经广义灰色关联度与优势分析，确定了目标函数权系数，据此提出了改进的遗传-模拟退火混合算法对坝基渗透系数进行反演分析，构建了超深断层渗流演变时序模型。在深入研究坝基岩体断层渗透系数反演分析方法的基础上，结合不同测点敏感性分析，建立了渗透系数反演分析的多测点加权目标函数，提出了断层结构渗透系数计算方法。

（4）定义了坝基岩体由孔隙率表示的损伤变量，并根据渗透系数与孔隙率的关系式，提出了超深强透水贯穿性断层坝基岩体（包括帷幕）损伤影响的渗透系数演化方程，同时研究了超深断层坝基排水失效机理和失效模拟方法。利用渗流有限元分析方法，模拟了坝基防渗排水失效以及超深强透水贯穿性断层导水能力改变的过程，分析了坝基防渗帷幕、断层逐步损伤及排水孔逐步失效过程中坝基渗流要素的变化规律，提出了防渗帷幕、超深强透水贯穿性断层转异的损伤判据和排水孔转异判据。利用超深强透水贯穿性断层坝基岩体渗流量时效分量数据序列，应用灰色系统理论和突变理论，建立了基于灰色尖点突变模型的超深强透水贯穿性断层坝基渗流场转异诊断方法。针对坝基断层渗流测压管水位和排水孔流量监测资料，建立了坝基断层渗流性态分析的模糊可拓评价模型，利用投影寻踪方法拟定了指标的权重。

（5）基于Hurst指数和相空间重构法，提出了两种计算大坝分形维数诊断大坝结构性态的方法；基于偏最小二乘法和遗传模拟退火算法，建立了大坝监控优化模型；基于模糊推理和D-S证据推理，提出了大坝结构性态转异诊断的数据融合方法。利用测压管水位监测资料，研究了确定超深断层测压管水位滞后上游库水位时间、不稳定渗流对应的等效库水位的方法，并通过超深断层坝基三维渗流有限元计算，提出了考虑库水位滞后效应的测压管水位水压分量确定方法。通过ADALINE网络自适应滤波器中的抽头延迟线构造块，模拟了降雨的滞后效应，并利用BP神经网络，提出了考虑降雨滞后效应测压管水位降雨分量的确定方法，综合考虑库水位滞后效应、温度及时效的作用，建立了考虑库水位和降雨滞后效应的超深断层坝基测压管水位监控模型。

综上所述，通过研究，提出了拱坝超深强透水贯穿性断层渗流特性分析方法，建立了超深强透水贯穿性断层的蠕变分析模型，分析了断层渗流场中防渗帷幕以及排水孔的转异特征，并构建了超深强透水贯穿性断层岩体引起大坝结构转异的诊断方法体系，据此分析了龙羊峡拱坝右岸坝基F120+A2超深强透水贯穿性断层的工作性态。研究成果不仅为在确保龙羊峡大坝工程安全的前提下充分发挥工程效益提供了科学依据，同时为类似工程的工作性态分析提供了有效方法和技术支撑。

5　结语

龙羊峡拱坝超深强透水贯穿性断层渗流特性研究不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的实用价值。

（1）可及时发现龙羊峡大坝运行过程中的安全隐患，并采取相应的预防措施，为管理层提供科学决策支持，使工程在保证安全运行的前提下充分发挥其效益，减少突发事件的发生。

（2）有助于掌握渗流场的渗流演变过程，进而分析和研究渗流时间效应及渗流破坏机理，据此提出防渗排水措施的建议，具有重要的工程实用价值，并可丰富渗流力学的研究方法。

（3）对于运行多年的龙羊峡大坝，可以借此开展隐患病害检测和健康诊断研究，从而为进一步深入研究其老化机理、寿命评估的理论和方法、预警系统的研制等打下基础。

（4）从渗流理论角度看，渗流控制是工程安全不可缺少的组成部分，对其演变规律及转异特征的深入研究和反馈分析，无疑会推动该学科的进一步发展和完善。

（5）针对渗流场的研究方法和理论可以延伸到结构应力场、温度场的应用研究中，进一步完善水工建筑物的安全监控体系，推动水利水电工程安全监控朝着纵深方向发展。

［1］李季.龙羊峡大坝高水位运行期变位规律分析［J］.大坝与安全，2008（1）：38-40.

［2］范振东，崔伟杰，郭芝韵，张毅.基于改进的PSO-SVM法的大坝安全非线性预警模型研究［J］.水电能源科学，2014 （11）：73-75.

［3］张毅，李季，胡锁钢，邓义.黄河李家峡大坝原型观测试验研究［J］.大坝与安全，2014（6）：60-64.

The ultra-deep strong pervious penetrating fault F120 and dyke A2（hereinafter referred to as the F120+A2 fault）at dam foundation of Longyangxia hydropower station extend to the foundation bottom for several kilometers，penetrating upstream to downstream of the dam.In order to study the seepage characteristics of the rock mass at the F120+A2 fault during long-time operation with normal water level or high water level and evaluate its influence on dam safety，by use of prototype monitoring data and theoretical analysis method，creep analysis model and numerical simulation method are established.The result showed that the seepage and deformation at the F120+A2 fault is normal and it has not exerted any abnormal influence on dam performance.For the current working state of F120+A2 fault，no rehabilitation is needed.

Longyangxia arch dam；fault；seepage characteristics；research

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0023-04

2014-12-26；

2015-01-16

张毅（1966-），男，高级工程师，研究方向为大坝安全管理。

作者邮箱：zhyygx@163.com

Title：Characteristics study of seepage through ultra-deep strong pervious penetrating fault and its influence of Longyangxia arch dam//by ZHANG Yi，LI Ji，JIN Shao-bo，WANG Xue-mei and KONG Qingmei//Yellow River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.