水利枢纽运行期软岩坝基渗流控制效果评价与数值分析

2024-01-03杨卓赟

水利科学与寒区工程 2023年11期

杨卓赟

(惠州市惠城区水利资源开发建设中心，广东惠州 516000)

1 工程概况

广东省新丰江水电站位于中国广东省河源市境内、珠江水系东江支流新丰江下游亚婆山峡谷出口处，距河源市约6 km，电站的装机容量是33.61万kW，电厂是一个年调节水库，正常水位为116 m，发电库容有138.96亿m3。电站是一座由导流结构、截流结构、发电结构和泄水结构组成的枢纽结构。拦蓄结构是一座最大坝高124 m的 RCC重力坝，长度为440 m。

坝址区地层依次为第四系松散堆积物，第1岩组(Ar3n1-1)、第2岩组(Ar3n1-2)，其中，第1岩体群为Ar3h2-1，第2岩体群为Ar3h2-2，第3岩体群为Ar3h2-3。坝基的松散堆积体以全新世的洪蚀堆积体为主，分布于主河道和河漫滩的表面；Ar3n1-1岩组在坝址上游左岸分布，岩性主要为多层角闪岩；Ar3n1-2岩组在左坝肩、左岸上游分布，岩性为变粒岩。

在坝基整个范围内以排距均为2.05 m梅花状对灌浆孔灌浆固结，对左侧坝肩上的部分软弱夹层采用注浆孔处设置插筋。左右岸挖出后，需进行防渗帷幕注浆。在坝肩和坝体部位，帷幕注浆的下游坝体底部，设置一列排水孔幕，孔幕间距5.5 m，孔底高度492 m，由上往下，在坝体内部设置两列排水孔[1-6]。

2 典型坝段二维渗流场计算

2.1 模型建立

取坝轴线为0点，x轴为沿河流方向，向下游为正；y轴为垂直方向，根据高程取值，向上为正；以坝轴线为基准向下游延伸121.5 m，在大坝的基础上，建立二维渗透流场有限元模型。模型包括强风化带、地表覆盖层、弱风化带、Ar3h2-1、Ar3h2-2、Ar3h2-3等不同渗透性岩体分区，还包含坝体排水、防渗帷幕、坝基排水。

2.2 渗透参数及计算边界

根据坝体混凝土抗渗等级确定其渗透系数，排水孔渗透系数根据周围岩石的渗透系数确定，大坝内部排水孔取混凝土渗透系数k的1000倍，大坝基础的排水系数取周围岩石渗透系数k的500倍，表1为各分区渗透系数[7]。

表1 各分区渗透系数

按正常蓄水位工况进行水位边界的取值，下游水位为528.5 m，上游水位572.4 m；水力梯度边界为上游和下游竖向边界，根据河流天然坡降进行确定，下游边界为-0.01，上游边界0.01。

2.3 渗流计算

对无帷幕无排水、有帷幕无排水、有帷幕有排水(帷幕渗透系数为5.5 Lu)三种工况进行计算，分析渗控工程防渗效果、帷幕渗透性变化对渗流场的影响[8-12]。

2.3.1 等水头线分布

图2为三种工况等水头线分布图，由图1可知，对工况1没有进行帷幕与排水，在坝体及岩层中，水头值从上游到下游沿程均匀地降低，逐步消耗，坝体内浸润线的位置比较高；在工况2中，进行防渗帷幕的设置，相比于工况1，工况2渗流场变化不明显；在工况3中，进行帷幕及坝体、坝基排水的设置，在防渗帷幕处消耗上游、下游水头差，帷幕下游侧岩层及坝体内水头值减小明显，在坝体排水作用下，坝体内浸润线位置降低显著，结果表明，在5.5 Lu的渗透率下，大坝和岩层中的渗流场不会发生明显的改变。

图1 三种工况等水头线分布

图2 三种工况水力梯度分布

2.3.2 扬压力

表2为坝基扬压力计算结果，由表2可知，只进行帷幕设置，对降低坝基扬压力作用较小；在进行帷幕与排水设置后，坝基扬压力降低38.29%，原因是在排水孔位置处坝基面扬压力水头值最低，排水孔中心位置分别向上、下游两侧逐渐增大，说明排水可将坝基扬压力显著降低；在排水设施不变，帷幕渗透性为5.5 Lu时，坝基扬压力变化不明显，变化幅度较小。

表2 坝基扬压力计算结果 kN·m-1

2.3.3 水力梯度

图2为三种工况水力梯度分布，由图2可知，在无帷幕无排水情况下，工况1，在大坝的基岩地层中存在着一个很小的水力梯度。在固结灌浆区，坡度范围从0.55到2.10不等，越接近坝基，坡度越大；在注浆帷幕的底板处，土体的水力坡度为0.21～0.52，随坝基距离的增大而减小。在布置防渗帷幕之后，工况2，帷幕下游侧岩层中的水力梯度值逐步降低。上游侧岩层内水力梯度逐渐增大，但变化幅度均较小。在即设置帷幕又设置排水后，工况3，帷幕上游侧岩层中水力梯度值增大明显，排水孔周边岩层水力梯度进一步增加，除排水孔周边岩层外，帷幕下游侧其他区域水力梯度均降低明显。在计算区域内，在坝体上游面混凝土内均出现最大水力梯度值，最大值为14.8；岩层中具有较小水力梯度值，在0～2.49间；在防渗帷幕内，由上而下，水压梯度呈递减趋势；在工况2和工况3下，围岩的最大水力坡度分别为1.81和5.58，而排孔周围的围岩的水力坡度分别在0.49～2.01之间。设置渗控措施后，在坝基灌浆廊道上游侧区域，固结灌浆区岩层内水力梯度值具有较大变化，该区域最大水力梯度值在工况1中为2.01，工况2中为2.48，工况3中为10.02。

2.3.4 渗流量分析

对模型各边界上的渗流量进行考察，水库的入渗界面为上游的河床、上游的表面和上游的垂直界面；在此基础上，研究了大坝下游河床、下游水面和下游垂向界面的渗透特性，并在此基础上，对整个渗透场下的渗透特性进行了分析。在开出水口时，以出水边界为出水口。

由表3可知，每种工况下均满足流量平衡原则，即总渗入量近似等于总渗出量；给定的水力梯度边界值决定上游、下游竖向边界渗入、渗出量，不随工况发生变化；通过上游、下游竖向边界渗流量、坝体内排水孔排水量很少；流经上游的河道渗透量是大坝上游表面渗透量的2倍；在未做排水布置的情况下，水流由上游河床和坝体渗透流入下游河床，再由坝体的下游表面排出；在进行了排水布置之后，所有的渗漏都由坝基排水孔来承受；工况3帷幕渗透性为5.5 Lu时，总体渗流量增加7.49%，坝基排水孔排水量增加7.28%。

表3 渗流量计算结果汇总 m3·d-1

3 整体三维渗流计算

3.1 模型的建立

图3为坝体结构与防渗帷幕，从坝轴线向上游延伸205 m，下游从坡脚线延伸205 m。建立三维坐标，以坝左肩为坐标0点，沿坝体的轴线指向右岸是X正向，与大坝轴线垂直顺流向下为Y正向，Z方向为高程值，向上为正。

图3 坝体结构与防渗帷幕

3.2 渗透参数

通过钻孔数据确定每一层的地层分布和吕荣值，大坝混凝土的渗透率按照其抗渗透率确定，排水孔的渗透率采用平面法确定，各个区域的渗透率见表4。

表4 各分区渗透系数 m·s-1

由表4可知，按正常蓄水位工况进行水位边界的取值，水力梯度边界为上游、下游竖向边界，根据河流天然坡降确定，下游边界为-0.01，上游边界0.01。

3.3 渗流计算

对表2所示的三种工况进行计算，分析评价大坝防渗、排水系统效果，对典型溢流坝断面(X=205 m断面)、典型非溢流坝断面(X=155 m断面)和地层水平断面(Z=505 m断面)进行了等电位线的分布规律研究。计算河床部位55 m、105 m、155 m、205 m、255 m、305 m六个截面处坝基扬压力值，对坝基扬压力沿坝轴线的变化进行分析。

3.3.1 等势线分布

以Z=505 m的水平剖面等势线分布为例，图4显示了三种工况下剖面上的等势线分布。从图4可以看出，工况1与工况2相比，在仅设置帷幕后，剖面上的等势线变化并不显著；将工况1、工况3进行对比，在帷幕和排水设置之后，帷幕附近的等水头线的分布更加紧密，在帷幕和排水的作用下，帷幕下游侧岩层中的水头值降低到529.5 m；当帷幕的渗透系数为5.5 Lu时，在这个剖面上帷幕的上游侧水头分布并没有太大的改变，但是在帷幕的下游侧一定范围内的水头值会有显著提升，原因是帷幕渗透性增大，减弱了帷幕对水流阻隔效应，增大了透过帷幕或沿帷幕绕渗水流压力水头。

图4 Z=505 m时三种工况截面等势线分布

在图4三种工况下，在典型的无溢流坝段和典型的溢流坝段，其渗流场的变化规律和分布形态都是类似的，即在仅设帷幕的情况下，等势线的变化不大；在同时对帷幕和排水进行设置的情况下，帷幕后侧岩层中的水头值有显著的下降。在帷幕渗透系数为5.5 Lu时，在一定范围内，帷幕下游侧岩层中水头值会增大。

3.3.2 典型断面坝基扬压力

在三种工况下，选择河床的两个断面上的坝基扬压力进行计算，表5为不同计算断面坝基扬压力值。

表5 不同计算断面坝基扬压力值 kN·m-1

由表5可知，工况2与工况1相比，各坝段的扬压力均有所减小，且减小的绝对值相近；工况3与工况2相比，各个坝段的扬压力均显著减小，扬压力的减小量在河床坝段最大，向两岸岸坡坝段逐渐减小。

3.3.3 渗流量分析

在下游水位529.5 m，上游水位572.7 m条件下，对不同工况下坝基渗流量的变化进行计算，表6为渗流量计算结果。

表6 渗流量计算结果汇总 m3·d-1

由表6可知，相比于无帷幕无排水工况，在帷幕设置后，总渗流量减小7.1%；在帷幕和排水设置后，总渗流量会增加28.9%；在工况3中，总渗透率提高了9.1%，增加了719 m3/d坝基孔口的渗透率提高了505.2 m3/d，占总渗透率的69.8%。在三种工况下，上游和下游水力梯度的分界线处，渗透量和渗出量基本一致，说明了分界线处的渗出量是由分界线所决定的，而不受计算条件的影响。