BBN水电站混凝土面板砂砾石坝渗流安全分析

祖梦琦，付茂朋

（中国水利水电建设工程咨询渤海有限公司，天津 300222）

BBN 水电站位于新疆和田地区喀拉喀什河上，为引水式电站，由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成，为Ⅲ等中型工程，拦河坝、泄洪冲沙建筑物、发电引水系统及厂房为3级建筑物；水库正常蓄水位1 855.0 m，设计洪水位1 856.215 m，校核洪水位1 858.089 m，总库容398.65万m3，电站装机容量150 MW[1]。

工程挡水建筑物采用混合坝型，拦河坝总长为450.2 m，从左岸至右岸依次由混凝土重力挡水坝段、溢流坝段、泄洪冲沙底孔段、混凝土重力挡水坝段、连接坝段和混凝土面板砂砾石坝组成，最大坝高为29.0 m，坝顶高程为1 859.00 m。

其中，拦河坝的混凝土面板砂砾石坝段长375 m，最大坝高为15 m，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶1.6，上游设0.3 m 厚混凝土面板，下游坝坡设0.3 m 厚的干砌石护坡。大坝防渗体由防渗铺盖、复合土工膜防渗、混凝土趾板、混凝土面板及接缝止水组成；防渗铺盖水平长70.00 m，采用复合土工膜水平铺盖防渗，左右两岸土工膜跟岩石连接，下游与趾板水平连接，上游与砂砾石沟槽连接。坝体填筑分区从上游至下游分为混凝土面板、垫层区、砂砾料区、下游弃渣压重区，其中垫层区水平宽度3 m，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s；砂砾料区采用料场砂砾料，渗透系数平均为5.3×10-3cm/s；下游弃渣压重区水平长40 m，顶高程为1 850.00 m，渗透系数平均为1×10-3cm/s。

为分析大坝在各水位条件下的渗流状态，采用有限元法对大坝典型断面进行渗流计算分析；并通过与渗流监测资料分析成果进行对比分析和验证，评价混凝土面板砂砾石坝的渗流安全性态。

1 砂砾石坝坝基地质概况

混凝土面板砂砾石坝段设计建基面高程大多为1 844 m，坝桩号0+250 以右抬高至1 849～1 850 m，基本按设计要求进行开挖，虽略有抬高或降低，但总体变化不大。

坝基岩（土）体在坝桩号0+137.4 以左为云母石英片岩，以右为冲积砂卵砾石层。

强风化状岩体厚约1.5 m，结构较为疏松，其下弱风化岩体片理结合紧密，坝基未发现不利大坝抗滑稳定的缓倾角结构面；坝基岩体透水率≤5 Lu，界限埋深在基岩面以下25～30 m。

冲积砂卵砾石层厚12.0～37.5 m，无砂层、淤泥等不良土层分布，结构较密实。冲积砂卵砾石层物理力学指标地质建议值如下[2]：天然干密度为2.20 g/cm3；比重为2.73；抗剪强度凝聚力为0，内摩擦角为38.5°；承载力为450 kPa；渗透系数为1.75×10-2cm/s；允许渗透比降为0.1。

2 坝基渗流控制措施

混凝土面板砂砾石坝坝基防渗处理型式采用复合土工膜水平铺盖防渗，铺盖长70 m；为了形成完整的水平防渗系统，左、右两岸土工膜跟岩石连接；膜的下游与趾板水平连接，上游与砂砾石沟槽连接。

混凝土面板砂砾石坝趾板型式采用水平趾板，趾板宽4 m、厚0.5 m，混凝土标号为C25W8F200。混凝土面板砂砾石坝混凝土面板厚0.3 m，混凝土标号为C25W8F200。

坝壳基础清除古河槽表层覆盖2～5 m 人工堆积卵砾及石碴料，并挖除砂卵砾石层表层1.0 m，使趾板坐在密实的砂砾石层上。

3 混凝土面板坝渗流计算分析

BBN 水电站水库大坝建成以来维持了正常蓄水位，为分析大坝在高水位下的渗流状态，并与监测资料分析成果进行对比分析和验证，采用有限元法对正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位工况下的坝体进行渗流计算分析。

计算采用GEO-SLOPE 公司的GeoStudio岩土软件中的渗流分析SEEP/W 模块进行分析计算。GeoStudio 软件由加拿大GEO-SLOPE 国际有限公司开发[3]，是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和环境岩土模拟计算的整体分析工具。该软件功能齐全、操作简便并具有交互式可视化界面，所有模块可以整合在同一环境下运行，几何模型可以在所有模块中共享，统一格式的分析数据可以对同一问题进行不同要求的多种结果分析；无限制的网格划分功能，模型区域改变时有限元网格自动更新，网格密度可随意调节。

SEEP/W 模块可在考虑完全饱和或非饱和土体在各种工况下的渗流问题，对水流过坝体和坝基的物理过程进行数学模拟。

3.1 计算断面及初始计算参数选取

选取最大坝高的坝桩号0+185断面作为计算典型断面，最大坝高为15 m，根据坝基、坝体分区及材料性质，计算模型由坝基砂砾料、坝壳砂砾料、混凝土面板和土工膜四部分组成，计算断面示意如图1所示。计算断面的渗透系数等计算参数，详见表1。

图1 大坝桩号0+185断面渗流计算简图

表1 大坝桩号0+185断面计算参数 cm/s

由于坝基相对不透水层很深，坝基计算深度取40 m，大于2倍最大坝高；上游坝坡脚外延长度50 m，下游外延长度40 m，均大于2倍最大坝高；渗流几何模型的确定满足相关规范[4]要求。

3.2 计算工况及计算结果

根据水库运行管理情况，选取正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3 个工况进行计算，具体参数详见表2。

表2 大坝桩号0+185断面计算工况 m

本工程坝型为混凝土面板砂砾石坝，混凝土面板和土工膜组成的防渗体可视为不透水材料，库水位降落时对坝体渗流场影响较小，因此渗流计算水位组合未考虑库水位降落工况，其余工况选取满足相关规范[4]要求。

坝体渗流计算结果，如图2—4所示。

图2 正常蓄水位工况渗流计算成果

图3 设计洪水位工况渗流计算成果

图4 校核洪水位工况渗流计算成果

3.3 渗流安全分析

通过模型计算模拟大坝在库水位1 855.00～1 858.089 m时的坝体及坝基渗流状态，可以看出由于土工膜、混凝土趾板和混凝土面板组成的防渗体的渗透系数很小，具有很强的不透水性，浸润线在经过防渗体后迅速降落，说明大坝防渗体整体防渗效果较好。

计算断面的关键部位在各工况下的渗透比降，详见表3。根据计算结果，大坝桩号0+185 断面在库水位1 855.00～1 858.089 m 下，坝基和下游坝脚处平均水平坡降在0.100～0.124，砂卵砾石层的允许渗透比降为0.1，考虑到设计洪水位和校核洪水位为短时作用工况且坝坡下游设有顶宽为2.0 m 的排水棱体作为反滤设施，水流经过反滤设施后会快速消散，故认为大坝坝坡和坝基的渗流安全是有保证的。

表3 大坝桩号0+185断面渗透坡降分布情况

4 渗流监测资料分析

混凝土面板坝坝体渗流监测仪器主要设置在大坝桩号0+96.8、0+200、0+280、0+350、0+372 断面，共计17支振弦式渗压计[5]。本次选取与计算断面相近的大坝桩号0+200 断面作为参证断面，对比分析渗流计算结果并评价坝体的渗流安全性。

大坝桩号0+200 断面设有5 支渗压计，断面渗流监测剖面如图5所示。

图5 大坝桩号0+200断面渗流监测剖面

根据安全监测资料分析成果可知，P19 测点测值不稳定，P20 测点失效，P22 测点测值高于上游P21测点，推测渗压计测值错误，因此对P21、23测点测值进行拟合分析，其中P21、23测点最大测值均出现于2018年3月4日，分别为1 848.122、1 847.08 m，计算水平坡降为0.032 1，远小于计算平均水力坡降和坝基允许渗透比降，说明坝体渗流稳定处于安全状态。

经分析，认为渗流计算结果与监测资料分析成果的差异为坝体防渗体渗流参数及坝基岩土渗流参数选择与实际差异所致。考虑渗流安全监测资料系列较短且部分仪器失效，建议后续根据补设、校正观测点和延长观测年限，通过勘探修正计算参数后进一步复核渗流稳定计算。

5 结论

本次分析利用成熟的有限元渗流计算软件对BBN 水电站混凝土面板砂砾石坝进行二维渗流计算，结合计算断面的渗流监测资料分析成果进行对比分析，从理论计算与实际监测成果2 个方面综合评价大坝的渗流安全性态，经分析得出以下结论。

（1）浸润线经过防渗体后迅速降落，大坝防渗体整体防渗效果较好。

（2）坝基计算平均水平坡降略大于坝基允许渗透比降，考虑计算工况和下游设有反滤设施，坝体渗流基本安全；渗流监测实测坝体浸润线与计算结果相近，坝基平均水平坡降远小于计算值和坝基允许渗透比降，坝体实测渗流稳定处于安全状态。

（3）计算结果与实测成果相差较大，主要为岩土参数取值与实际差异所致，后续宜延长观测年限、进行勘探修正计算参数后进一步复核渗流稳定计算。

（4）以上分析可对类似混凝土面板砂砾石坝设计和安全评价中的渗流稳定计算和复核分析提供一定的参考。