三维渗流模拟的观音阁水库坝基渗漏和渗透稳定分析

徐 桐

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

0 引 言

水库蓄水会使大坝上、下游之间形成一定的水位差，若透水岩层存在于坝基处，在水压力作用下库水将向下游发生渗漏。大坝基岩土体的某些颗粒在渗透压力超过一定界限值时，将被渗透水流以流土、管涌、潜蚀等方式冲刷带走，从而导致坝基变并形危及水库大坝的安全运行[1]。所以，对坝基渗透稳定和渗漏量选用合适的方法进行科学评价，对于保证水库大坝的安全运行具有重要的现实意义。

数值法和断面流量法为目前较为常用的坝基渗流量计算方法，其中断面流量法主要是对通过坝下地基断面的流量利用达西定律进行计算的方法，而数值法是将三维和剖面二维渗流模型相结合确定坝基渗流的方法[3-6]。例如，刘晓庆、曹剑波、姬永尚等分别建立了土石坝、锡崖沟水库坝基、新疆某水库剖面的二维渗流模拟和有限元计算模型；任杰、王刚城、王恩志等分别以哈达山水利枢纽、江雄水库坝基、天生桥一级水电站为例，建立了三维渗流模型；毛海涛、郑华康等以西北地区某水库大坝、卡拉水电站坝区为例，构建了无限元三维渗流模型。文章对观音阁水库坝基渗流稳定分析和渗流量计算引入三维地下水流数值模型，较为客观、准确的反映了垂向上不相同地层分层参数和底面与周边边界的不规则形状的非均质问题，大大提高了渗流计算模拟精度。

观音阁水库位于太子河干流上，总库容21.68亿m3，水域控制面积2.795km2，永久性主要建筑物为一级，枢纽工程为一等，洪水校核为万a一遇，设计洪水为千a一遇，与下游70km的葠窝水库形成太子河干流梯级开发。太子河流域地处E122°26'-124°53'、N40°29'-41°39'，主要径流丹东、抚顺、鞍山、辽阳等地，境内支流有清河、小汤河、细河、沙河、五道河、卧龙河、小夹河等，地貌结构特征以低山丘陵和平原为主且构造层次呈东高西低的变化特征。

根据设计任务要求，水库大坝由电站坝段、底孔坝段、溢流坝段和挡水坝段组成，正常蓄水位255.2m，年均发电量为8015×104kW·h。拦河坝坝顶长1040m，共分为65个坝段，属于碾压混凝土重力坝。除9#、7#、5#、4#坝段外，其他坝段宽均为16m。挡水坝段48个，坝顶宽10m、坝顶高程267m，最大坝底宽61.30m，最大坝高82m，溢流坝段位于15#-27#坝段，设12个净宽为12m的溢流孔。溢流前缘净宽144m，中墩厚4m，堰顶最大底宽74m，最大坝高71.2m，堰顶高程255.2m，闸后采用挑流效能，堰顶设弧形钢闸门，尺寸为12m×9m。

1 工程地质概况

1.1 坝区地质

观音阁水库位于泉水向斜中，向斜宽10km、向斜轴长30km。奥陶系和寒武系中、上统广泛出露于河谷两岸，前震旦系中生代火成岩、变质岩、震旦系碎屑岩和非可溶性的寒武系中、下统页岩连续分布于以可溶性碳酸岩为主的地层的外围。库区两岸高山连绵，构造比较简单且分水岭高程均>400m，封闭条件良好未见通向库外的深大断裂，因此向邻谷渗漏的问题基本不存在。水库正常蓄水位低于库区外围非可溶性岩层中的地下水位，因此蓄水后水库不会产生永久性渗漏。在牛马台沟分水岭地层处近坝区白云沟分布紊乱，被断层错断，因此在建成后可能会产生局部渗漏问题，对此采取防渗墙处理措施。库区地震烈度为Ⅵ度，按Ⅶ度设计水库大坝，极端情况下推算的地震影响上限为4级最大可能的水库地震。根据地震震源极线，4级地震的震中烈度在岩溶地区的可达Ⅶ度。

1.2 坝址区地质

坝址区两岸呈“U”型不对称横向河谷，左岸地形完整而山高坡陡；右岸地形不完整且沟谷发育，高程一般不超过300m，南北展布的低矮单薄山脊，两岸防渗帷幕与坝基衔接可构筑封闭式帷幕。坝址区保留Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三级阶地，属于构造构造剥蚀低山区。坝址位于小市和泉水两向斜连接部的倒转地层上，坝基以鲕状灰岩和张夏结晶灰岩为主，坝踵多为崮山组灰页岩互层，岩体强度能够符合混凝土坝要求。河床和左岸岩体完整、构造简单，右岸断层多且构造复杂。F1与F58断层为构造复杂带，断裂密布，断层间地层紊乱。自左向右坝基岩体风化深度加剧，建基面未见较大溶洞、多维条状岩溶。凤山与长山组之间的10m页岩为较好的相对隔水层，透水率在3Lu以下。

1.3 水文地质特征

根据介质类型及其赋存形式可将工程区地下水分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两类，其中基岩裂隙水主要由大气降水补给，呈脉络状分布于太子河干流两岸的基岩山体内。地下水位不稳定，径流流程短且随季节性变化较大，多以泉水形式直接补给于第四系孔隙潜水或排泄于地表河流。

现代河谷内主要分布着第四系孔隙潜水，第四系冲洪积砂砾卵石层为含水层，其厚度在32-80m之间。阶地中和河漫滩地下水位埋深分别在5-18m、0.7-1.6m之间。在基岩裂隙水和大气降水补给作用下，地下水沿河谷方向往下游径流。根据岩心采取率统计结果，勘探孔沿坝轴线设置，其中分层压水或抽水试验钻孔为4个，按自上而下的次序将坝基剖面划分为5个层次，各层次底板埋深分别为8-10m、15-21m、30-35m、60m和80m左右，相应的渗透系数为5-10m/d、18-65m/d、12-22m/d、4-8m/d、20m/d。根据水质监测资料，工程区水质较好，可直接灌溉、饮用，地下水矿化度为0.54g/L。

2 坝基渗漏数值模拟

2.1 水文地质条件概化

1)模拟计算区域。以坝轴线为基准分别向水库上、下游外推500m和200m，沿河流长700m范围作为模拟计算区域。各个部位的河流宽度存在一定差异，不同位置的河段实际宽度不同，模拟宽度取500m，模拟计算面积为285100m2。

2)含水层结构概化。根据钻孔揭露结果坝基岩层最大厚度为82.5m，且以卵、砾石层为主。按自上而下的原则可将岩层分为5层，由于成因和密实度的不同各层之间的透水性存在一定差异，且在垂直方向和水平方向上同一层的渗透性也不尽相同，砾石层均为墙透水层。所以，观音阁水库坝基含水层属于非均质各向异性。当水库蓄水并达到255.2m的正常水位时，地下水渗流形成稳定性且渗流无内无源汇项，因此以稳定渗流作为地下水概化结果。由于坝基防渗处理采取的防渗墙措施，地下水形成三维绕流，所以以三维稳定渗流作为地下水最终的概化结果。

3)边界条件概化。在库区底部和两侧存在的松散堆积物与不发育的基岩接触，因此隔水边界可概化为底层与两侧的边界；上游边界的定水头边界取水库正常设计水位，并且考虑水库蓄水位实际情况；下游边界定水头边界为水库大坝的地面高程。库区内顶部定水头边界为水库正常设计水位；零流量边界为大坝下游的顶部边界。

观音阁水库的正常设计水位为255.2m，因此取255.2m作为上游各层定水头边界地下水位和库区内第一模拟层定水头。设置定水头边界作为下游边界处各层地下水位，接近于地表取232.0m。

4)水文地质概念模型。计算区水文地质概念模型经地质条件概化处理为：具有一、二类边界三维稳定流的松散岩类含层组成的非均质各向异性模型。

2.2 数学模型

采用下述计算式作为地下水渗流数学模型，并用于坝基渗漏的计算分析，即：

(1)

H(x,y,x)|Γ1=H1(x,y,x);(x,y,x)∈Γ1

(2)

(3)

式中：H1、H分别为渗流区域一类边界和含水层地下水位；Kz、Kh分别为含水层垂直、水平房名的渗透系数；G、n分别为计算区域和边界外法线；Γ1、Γ2分别代表第一、第二类边界。

2.3 计算区剖分

对模拟区域按照长方体网格剖分，沿河流方向、垂直方面分别剖分为长40m、30m的30列网格，将含水层剖分为8层，各层厚10m。通过以上剖分可将计算区域划分为7200个基本单元，有效单元数为3750个。

2.4 确定模型参数

根据水文地质条件概化结果和水文地质勘探相关资料，在离散的8个模型中垂向渗透性较为接近的有4、5、6层，在7、8层中的渗透性也相差不大，各层中模型参数见表1。

表1 各层渗透系数值 m/d

2.5 渗漏量模拟结果

对坝基渗流量按照以上参数设置和模型概化结果进行计算，结果见表2。

表2 渗漏量计算结果

防渗墙深/m0102030405060渗漏量/m3·s-17190565218408722305115260118529250

2.6 坝基渗透稳定分析

根据观音阁水库工程地质勘察结果，水力坡降最大允许值在坝基砾石处为0.13。水力坡度值在坝基不同部位存在一定差异，坝地板以下径流段的水利坡度较坝后出溢段和坝前入渗段小。随着距离坝基深度和距坝脚距离的增大水力坡度呈减少趋势，因此坝脚处接近地表的底层为坝后实际水力坡度最大处。

观音阁水库拦河坝坝顶长1040m，除9#、7#、5#、4#坝段外，其他坝段宽均为16m。挡水坝段48个，坝顶宽10m、坝顶高程267m，最大坝底宽61.30m，最大坝高82m，溢流坝段位于15#-27#坝段。为确定最上层顶板和地板水位对不同深度防渗墙进行模拟计算，由此计算出溢段水力坡度在坝后坝脚近地表层中的数值，如表3。

表3 出溢段水力坡度

结合上述分析结果，将防渗墙深度设置在50m以上方可有效防止水库发生渗透变形。

3 结 论

1) 对观音阁水库大坝的渗透稳定分析和坝基渗流量利用三维地下水流模型进行模拟计算，较好的解决了垂向上地层非均质问题和地面与周边边界的不规则问题，该模型具有较高的计算精度。

2) 模拟渗流量在布设防渗墙深度为20、40、50m时分别为71905、40872、15260、11852m3/s，将防渗墙深度设置在50m以上方可有效防止水库发生渗透变形。