300 m级心墙堆石坝与地下厂房洞室群渗流分析与控制

段 斌，李善平，唐茂颖，肖培伟，李永红

(1.国电大渡河流域水电开发有限公司,成都 610041；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072)

0 前 言

渗流分析与控制对高心墙堆石坝工程安全至关重要。美国Teton、Fontenelle心墙土石坝都曾经发生过渗流冲刷而导致坝体破坏；中国曾对241座大型水库电站发生的近千个工程安全问题作过统计，发现约37.1%的安全问题是由于渗流引起的。

水利水电工程渗流分析与控制技术是水力学与岩土力学的融合。随着现代科技进步，该技术在基本理论、试验手段、计算方法和工程应用等方面都得到了极大发展。水利水电工程枢纽区地形地质条件复杂，大坝坝体、地下洞室、防渗和排水等水工结构众多，各种材料渗流特性各异，渗流计算涉及的范围也很大，因而必须采用有限元等数值计算方法才能获得比较符合实际的渗流场。水电工程渗流分析的特点是计算域内存在一个地下渗流场，自由面以上为非饱和渗流区，自由面以下为饱和渗流区。由于非饱和渗流对于水电工程渗流影响不大，因而需要采用有自由面渗流的饱和算法来计算稳定渗流场。自由面的求解问题在本质上是非线性自由边值问题，目前求解这类问题的有限元分析方法总体上分为2类：一类是变网格迭代法；另一类是固定网格迭代法。由于变网格法工作量较大，而且容易使自由面附近的网格出现畸形，一般很少采用。固定网格法分为复合单元法[1-2]和初流量法[3-4]两类。变单元渗透系数法、改进单元渗透矩阵调整法、复合单元全域迭代法属于前者；剩余流量法、改进剩余流量法、初流量法、改进初流量法、变分不等式法、截止负压法、结点虚流量法等属于后者，丢单元法、子单元法、虚单元法则属于改进的移动网格法。排水孔是水利水电工程中极为重要且应用广泛的渗控措施，在渗流计算中，对排水孔的处理一直是工程界关注的重点之一。由于排水孔的孔径尺寸较小(约5～10 cm)，排列密集数量众多，从而导致在渗控分析中对排水孔模拟的困难。目前对排水孔模拟主要包括节点水位约束法、排水子结构法、解析解与有限元结合法(如以缝代井法、以沟代井法、半解析法)等方法。

1 工程概况与基本条件

1.1 工程概况

作为300 m级心墙堆石坝典型代表——大渡河双江口水电站，设计装机容量2 000 MW，多年平均年发电量77.07亿kWh。枢纽工程由拦河大坝、右岸泄洪建筑物、左岸引水发电系统(地下厂房)等组成。拦河大坝采用土质心墙堆石坝，最大坝高314 m。

1.2 坝址区地质条件

坝址区两岸山体雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，出露岩体主要为花岗岩。河床冲积层最大厚度67.8 m，从下至上总体可分为3层：第①层为漂卵砾石层，第②层为(砂)卵砾石层，第③层为漂卵砾石层。坝址区除右岸F1断层规模相对较大外，主要由一系列低序次、低级别的小断层、挤压破碎带和节理裂隙结构面组成。

坝区地下水分为第四系松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水2种类型。第四系孔隙水主要分布于河谷地带的松散堆积物中，受大气降水、河水及两岸地下水补给，向下游排泄，具强透水性。花岗岩岩体较完整，岩体含水不丰，基岩裂隙水主要赋存于浅表部卸荷岩体、裂隙密集带或断层上盘破碎带岩体中，呈脉状分布。基岩透水差，脉状裂隙水间水力联系弱，基岩裂隙水与局部承压水主要受大气降水补给，向河谷排泄。

1.3 防渗排水体系

大坝坝顶高程2 510.00 m，河床部位心墙底高程2 198.00 m，基底设2 m厚混凝土基座，心墙与两岸坝肩接触部位的岸坡表面设垂直厚度1 m的混凝土盖板，心墙与盖板连接处铺设水平厚度3 m的黏性土。大坝坝体典型断面见图1，基础防渗采用帷幕灌浆处理，见图2。帷幕深入透水率小于1 Lu的相对不透水层(见图2中帷幕灌浆底线)。右岸防渗帷幕覆盖F1断层，左岸防渗帷幕与厂房部位帷幕连成一体，河床部位帷幕底高程2 100.00 m。两岸2 460.00 m高程以上部分布置1排帷幕灌浆，孔距1.5 m；2 460.00 m高程以下部分采用2排帷幕灌浆，排距1.5 m、孔距2 m。

地下厂房洞室区的防渗排水系统采用“先阻后排、防排并举”的立体布置方式。在厂房和主变室的外围，分层设置排水廊道。在厂房上游侧及靠河侧设1道防渗帷幕，防渗帷幕由2排灌浆孔组成，孔距2.0 m、排距1.5 m；紧接防渗帷幕之后设排水帷幕1道，并在厂房上游侧约15.0 m的位置设置3层排水廊道。洞室内顶拱及边墙设排水孔，厂内设排水沟。地下厂房和主变洞顶部设置“人字顶”排水孔幕。地下厂房区的渗控布置见图3。

图1 双江口水电站心墙堆石坝坝体典型断面图 单位：m

图2 双江口水电站心墙堆石坝轴线剖面图 单位：m

图3 双江口水电站地下厂房区防渗排水体系图 单位：m

2 渗流场有限元计算方法

2.1 基本理论

渗流分析的数学模型通常建立在达西定律基础上。水利水电工程渗流分析一般考虑为不可压缩流体在刚体介质中进行不随时间变化的稳定渗流，则运动方程：

(1)

连续性方程：

(2)

微分方程：

(3)

考虑相应定解条件，采用有限元计算方法即可求解以上方程。

2.2 主要考虑因素

(1) 裂隙岩体特性：各向同性连续介质、各向异性连续介质。

(2) 计算模型：3D模型、2D模型。

(3) 自由面计算方法：复合单元法、初流量法。此2种方法又可细分多种具体方法，见前言部分。

(4) 出渗边界模拟：是否考虑合理的边界条件确定真实出渗点。

(5) 排水孔模拟：节点水位约束法、排水子结构法、解析解与有限元结合法，见前言部分。

2.3 具体方法设定

双江口水电站枢纽区渗流分析采用4种具体的计算方法，见表1。

表1 双江口枢纽区渗流分析有限元计算方法表

3 天然渗流场反演分析

3.1 反演分析目的与方法

天然渗流场反演分析是结合地质分区及相关参数、现场勘探水文地质资料和地下水位观测孔资料等，对工程区天然渗流场进行反演分析，确定各渗透分区的渗透系数(渗透张量)以及水力边界条件，掌握天然地下水系统的分布特点，为运行期的渗流场分析及渗控措施的优化提供合理的参数和边界条件。在渗流场反演分析中，采用非线性规划拟合方法进行求解，将各测点水头的计算值与观测值的总体拟合程度作为反演分析精度的主要评价指标[5]。

3.2 反演渗流场边界水位

由于计算方法1～4的模型大小和边界不尽相同，以计算方法1和3为例反演出的模型边界水位见图4、5[6-7]。

图4计算方法1相应模型左右岸边界的地下水水位分布图

图5计算方法3相应模型左右岸边界的地下水水位分布图

3.3 材料渗透参数

以计算方法1和3为例，相应计算模型渗透分区材料渗透参数见表2～3。

4 运行期渗流控制方案研究

4.1 有限元计算模型

基于计算方法1～4提出的渗流分析三维有限元计算模型见图6。

4.2 基本方案渗流分析

4.2.1 渗流场分布

以地下厂房区的渗流场分布为例，按照计算方法1～4得到的三大洞室(主厂房、主变室、尾调室)剖面的等势线分布见图7。可见，主厂房洞室和主变洞洞室顶部则基本上被疏干，但其四周的地下水位仍很高，而尾水调压室基本上处在地下水位线以下。地下厂房区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，而厂区的帷幕在计算中则没有发挥阻水作用，这是因为帷幕的渗透系数和厂区微新岩体的渗透系数是相同，在帷幕位置没有形成密集的等势线分布。由此可见，设计渗控方案下的厂区排水系统还是非常有效的，能够保证主厂房和主变洞室顶部的地下水被疏干。

表2 计算方法1对应的分区材料渗透参数表

表3 计算方法3对应的分区材料渗透参数表

图6 计算方法1～4对应的三维有限元计算模型图

4.2.2 渗透坡降

坝体坝基各部位最大渗透坡降见表4。心墙顶部渗透坡降约为1.4～2.0，心墙下游侧出溢坡降最大为3.59，心墙内部的渗透坡降均在3.0以下，心墙与混凝土基座的最大接触坡降为3.14，满足渗透稳定要求；坝基防渗帷幕的最大渗透坡降为11.5～16.14，位于左岸坝基底部，坝基各覆盖层的渗透坡降均未超过允许渗透坡降。

表4 设计渗控方案坡降对比表

F1断层从上游冲沟一直延伸到下游河道附近，渗透系数为5.0×10-3cm/s。帷幕上下游侧地下水自由面的水头跌落不是很大，约为19.5 m，这主要是因为F1断层只是被防渗帷幕部分阻断，断层内防渗帷幕的渗透梯度最大值约6.32；当F1断层被帷幕截断时，断层内防渗帷幕的渗透梯度最大值约7.20；当断层渗透系数为5.0×10-2cm/s时，防渗帷幕未完全截断F1断层，断层内防渗帷幕的渗透梯度最大值约15.78，防渗帷幕完全截断F1断层，断层内防渗帷幕的渗透梯度最大值约为28.93。

4.2.3 渗流量

通过坝体心墙的渗流量约为948～1 161 m3/d，通过坝基帷幕及其以下基岩的渗流量约为3 465～4 080 m3/d；地下厂房三大洞室壁面的出渗流量计算值约为253～753 m3/d，厂区主帷幕后面的排水孔幕的出渗流量约为1 280～3 752 m3/d，厂区排水廊道及其排水孔幕总的出渗流量约为330～1 194 m3/d。计算方法1～4得到的坝体和厂区渗流量见表5。

表5 坝体和厂区计算渗流量表 /(m3·d-1)

4.3 厂区渗控方案优化分析

4.3.1 优化方案分析组合

在基本方案的基础上进行进一步渗控优化[11-12]，主要内容包括：① 坝基防渗帷幕的渗透性控制比较；② 坝基防渗帷幕不同深度渗控计算分析比较；③ 左岸帷幕及其后的排水孔幕不同平面延伸长度计算分析比较；④ 地下厂房区防渗帷幕不同渗透性计算比较分析；⑤ 地下厂房区不同排水孔幕布置渗控分析比较；⑥ 厂区排水孔局部失效对渗流场的敏感分析比较等。渗控优化分析组合见表6。

表6 厂区渗控优化组合情况表

4.3.2 优化方案分析成果

(1) 当厂区帷幕渗透系数为3.0×10-6cm/s时，厂房上游侧主帷幕前的水位小幅升高约4～7 m左右，但帷幕下游侧与厂房之间的水位变化较小。地下厂房下游侧顶部地下水位线要比设计方案低大约5～10 m左右。

(2) 厂区左侧帷幕(渗透系数为3.0×10-6cm/s)延长100 m后，尾水调压室洞室处的地下水位比设计方案降低约15 m，但对降低主厂房和主变洞周围的地下水位作用很小。

(3) 由于厂区防渗帷幕的渗透系数和周围岩体的渗透系数相差不大，其地下水位的降落主要靠排水孔幕来实现，厂区排水系统是非常必要的。

(4) 厂房洞室和主变洞室顶部的“人字顶”排水取消后，厂房顶部的地下水位比设计方案略高，这说明“人字顶”的作用不明显，这主要是因为其它的排水设备作用比较强，使“人字顶”排水大部分都处于干区。然而，作为安全储备地下厂房和主变洞室顶部的“人字顶”排水还是必要的，但孔间距可以适当放大一些。

(5) 在基本方案的基础上，厂区局部的排水孔幕的加密或取消对厂房洞室区的地下水位有一定的影响，但不明显。从渗流量上看，加密或取消排水孔，其渗流量也没有显著变化。

(6) 当排水孔失效30%时，主厂房洞室右半部分处在地下水位线以下，地下水位抬升很高，主变洞室顶部仍然处于干区，但周围地下水位升高；排水孔失效50%，厂区的地下水位进一步升高。这说明排水系统不能有较高的失效比例，以确保排除厂区地下水。

5 结 语

双江口水电站心墙堆石坝最大坝高超过300 m，地下厂房洞室群规模巨大，工程厂坝区的水文地质条件复杂，采用4种有限元法进行渗流计算分析和渗流控制方案研究，得出以下主要结论：

(1) 考虑裂隙岩体特性、自由面计算方法、出渗边界、排水孔模拟方法等因素确定的4种有限元方法，得出的渗流场分布、渗透坡降、渗流量的基本规律相差不大，可作为渗流控制方案设计的依据。

(2) 通过对厂坝区防渗系统的分析，坝体坝基的防渗系统(心墙+防渗帷幕)能够有效地控制地下水的分布，可以此为基础根据实际地质条件进行渗控方案的优化和调整。

(3) 防渗帷幕的阻水作用在不同部位有所差异。在地下厂区，由于防渗帷幕主要处于微透水～弱透水岩体内，帷幕渗透系数与岩体渗透系数较为接近，厂区防渗帷幕的阻水作用非常有限，减小或增大防渗帷幕渗透系数对厂区渗流场分布及渗流量影响均较小。而坝区由于防渗帷幕主要位于强透水、中等透水等岩体，减小或增大防渗帷幕渗透系数对坝区渗流场分布规律影响不大，但对坝区渗流量影响较大。

(4) 厂区渗流量以厂区排水廊道及防渗帷幕后排水孔幕的渗流量为主，占整个厂区渗流量的80%～90%，厂区排水系统对厂区渗流起到关键的控制作用，其中帷幕后排水廊道的渗流量较大，即库水在透过防渗帷幕后，大部分通过排水孔幕进入排水廊道系统。

(5) 右岸F1断层自身渗透系数的大小以及其延伸深度对右岸渗流场以及其中的帷幕渗透梯度有较大影响。当F1断层的渗透系数为5.0×10-3cm/s时，F1断层的规模及其是否被帷幕截断，这对右岸渗流场影响不大；但若F1断层的渗透系数为5.0×10-2cm/s时，其透水性很强，必须利用帷幕进行拦截，同时F1断层沿深度方向越浅，帷幕拦截效果就越好，但其中的帷幕渗透梯度值就增加很多，建议在局部适当加厚帷幕。