某水電站河床壩基覆蓋層滲透穩(wěn)定性研究

王志紅，任光明，趙海營(yíng)，劉艷領(lǐng)

某水電站河床壩基覆蓋層滲透穩(wěn)定性研究

王志紅1，任光明1，趙海營(yíng)2，劉艷領(lǐng)2

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730050）

根據(jù)某水電站河床壩基覆蓋層的工程地質(zhì)特性和水文地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)獲得水文地質(zhì)參數(shù)，初步判定滲透變形類(lèi)型。再基于水文地質(zhì)參數(shù)和滲流理論，建立壩基覆蓋層的三維數(shù)值計(jì)算模型，得到滲流場(chǎng)和水力梯度特征，進(jìn)而分析不同工況下庫(kù)水通過(guò)覆蓋層的滲漏量。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析不同工況下水力坡降的模擬計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)了壩基的滲透穩(wěn)定性問(wèn)題，與初判的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得出最終結(jié)論，為大壩的防滲處理提供合理依據(jù)。

覆蓋層；滲漏量；滲透穩(wěn)定性；水文地質(zhì)模型；水力坡降

1 工程概況

某水電站位于青海省文縣口頭鄉(xiāng)境內(nèi)，正常蓄水位下庫(kù)容2.68億m3，最大壩高111 m，總裝機(jī)容量240 MW（3×80 MW），保證出力42 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量9.07億kW·h。初擬壩型為面板堆石壩。

勘探資料表明，該水電站覆蓋層較深厚，最厚達(dá)到48.3 m，其物質(zhì)組成以粗顆粒為主，滲透系數(shù)較大；在大壩建成后，壩基覆蓋層的滲漏問(wèn)題比較突出，因此有必要分析覆蓋層的空間分布特征及在推薦壩型下水庫(kù)蓄水后不同工況的滲漏量，從而評(píng)價(jià)壩基的滲透穩(wěn)定性，最終為大壩防滲處理提供依據(jù)。

2 覆蓋層的工程地質(zhì)特性［1］

2.1 空間分布特征

鉆孔揭示壩址區(qū)河床覆蓋層厚度變化較大，最厚可達(dá)48.3 m，一般厚度在30.11～42.40 m之間。壩基覆蓋層在河床不同部位分布不均勻（見(jiàn)圖1），并且在部分地段呈不連續(xù)分布特征，總體上形成了左岸基覆界線較緩、右岸基覆界線較陡的不對(duì)稱(chēng)“V”字形。壩址區(qū)覆蓋層自下而上可分為3層，各巖組覆蓋層特征如下。

（1）上部含塊碎石砂卵礫石巖組（Q4al－3），以砂卵礫石夾塊石、碎石為主，局部有泥質(zhì)集中現(xiàn)象，偶見(jiàn)孤石。主要分布在壩址河床側(cè)岸及壩址各沖溝左岸河床邊河漫灘處，平均厚度13.5 m。河床右岸較厚，向中間變薄。

（2）中部砂卵礫石巖組（Q4al－2），以砂卵礫石為主，其中充填有砂層，砂層在不同地段和高程呈透鏡狀不連續(xù)分布。分布于河床各部位，在河床右岸岸邊及河床分布較多。該層可進(jìn)一步分為3個(gè)小層：①卵礫石層，以卵礫石為主要組成成分，基本不含砂壤土和塊碎石；②沖積含卵礫石中細(xì)砂層，分布最大厚度0.4 m，在河床不同部位呈透鏡狀不連續(xù)分布；③砂壤土質(zhì)卵礫石層，最大厚度8.47 m，主要成分為變質(zhì)凝灰?guī)r卵礫石。

（3）底部含塊碎石砂卵礫石巖組（Q4al－1），以砂卵礫石為主，夾部分塊碎石及砂壤土，在河床各部位分布不連續(xù)，主要分布在心墻軸線下游河心及河床側(cè)岸。

圖1 河床壩基覆蓋層分布圖Fig.1 Distribution of overburden layer on the riverbed dam foundation

2.2 粒度成分及物理性質(zhì)

通過(guò)鉆孔取樣和壩基開(kāi)挖面坑槽取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，顆粒組成和級(jí)配特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

表1 各巖組顆粒組成綜合結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Grain composition of different rock strata

表2 各巖組顆粒級(jí)配特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Particle gradation characteristic indexes of different rock strata

綜合表1和表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，河床覆蓋層各巖組的顆粒級(jí)配不良，根據(jù)土的分類(lèi)屬含細(xì)粒土礫（GF）。不均勻系數(shù)為239.23～322.70，為不均勻土。

此外，利用動(dòng)探試驗(yàn)和在壩基開(kāi)挖面坑槽中采用置換法獲得了3巖組各自的干密度等物理指標(biāo)，綜合結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各巖組物理指標(biāo)綜合表Table 3 Physical indexes of different rock strata

從表3中可以看出，3巖組的干密度接近，密實(shí)程度總體為密實(shí)。

3 覆蓋層的滲透特性

進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn)、試坑滲透試驗(yàn)以及室內(nèi)滲透試驗(yàn)，獲取了各巖組水文地質(zhì)參數(shù)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，壩址覆蓋層粗粒土滲透系數(shù)大，為0.024 7～0.048 4 cm／s，屬于強(qiáng)透水。

3.1 滲透變形類(lèi)型的判別［2］

根據(jù)河床覆蓋層級(jí)配特征、粒度成分和相關(guān)物理指標(biāo)的判定，河床覆蓋層各巖組的顆粒級(jí)配不良，不均勻系數(shù)為239.23～322.70，為不均勻土，細(xì)粒含量為 27.34% ～31.11%，孔 隙 率 為 25.93% ～30.07%。按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［3］中推薦的判別方法，判定該水電站河床覆蓋層的滲透變形類(lèi)型為管涌。

3.2 允許坡降的確定

在滲流作用下是否產(chǎn)生滲透破壞，主要取決于松散層的抗?jié)B強(qiáng)度，具體以臨界坡降為標(biāo)準(zhǔn)。臨界坡降是土體中的細(xì)粒隨著滲流的加劇由靜止轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的水力坡降，該值由計(jì)算確定。當(dāng)?shù)叵滤臐B透坡降大于土體臨界坡降時(shí)，則產(chǎn)生滲透破壞，否則，松散層岸坡將處于滲流穩(wěn)定狀態(tài)［4］。

對(duì)河床壩基覆蓋層的臨界水力坡降進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，平均值為0.61，破壞坡降平均值為1.18，允許水力坡降為0.15。

4 滲漏量三維數(shù)值模擬分析［5］

4.1 水文地質(zhì)模型

根據(jù)壩址軸線布置、河流走向及地層巖性分布，本次模擬區(qū)河流呈東西向展布，北、南向滲透介質(zhì)延伸較遠(yuǎn)，頂部截面高程為970 m，底部邊界取在550 m高程，模擬區(qū)地形狀況見(jiàn)圖2。

圖2 三維數(shù)值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

模擬時(shí)對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件概化如下：第四系地層覆蓋在基巖之上，其中以河床覆蓋層為主。區(qū)內(nèi)出露的基巖為變質(zhì)凝灰?guī)r，基覆界面下存在層厚15～20 m的強(qiáng)風(fēng)化帶和層厚10～15 m的弱風(fēng)化帶，這與上述河流沖積砂礫石共同組成了本區(qū)的滲透介質(zhì)。

在水庫(kù)正常蓄水位（800 m）情況下，在大壩下游，即模擬區(qū)東部為天然河水位的定水頭邊界（圖3中藍(lán)色部分），大壩上游的庫(kù)河為水頭值等于800 m的定水頭邊界（紅色部分），模擬區(qū)以南、以北及底部為通用流入流出邊界，頂部邊界為潛水面邊界［6，7］。

4.2 網(wǎng)格剖分及水文地質(zhì)參數(shù)

由于研究區(qū)巖層滲透性能變化較大，故在網(wǎng)格剖分時(shí)較為細(xì)致。

圖3 地下水滲流模擬邊界概化Fig.3 Generalized boundary of groundwater seepage simulation

圖4 模型的三維網(wǎng)格剖分圖Fig.4 3-D grid partition of the model

三維方向上均采用間距為10 m的方格進(jìn)行剖分，在壩軸線附近采用5 m的方格進(jìn)行加密，其中東西方向上共剖分97列；南北方向上共剖分86行；在垂直方向上，550～970 m高程共剖分6層（見(jiàn)圖4）。模擬中所涉及的參數(shù)主要為各巖層的滲透系數(shù)、降雨量（降雨強(qiáng)度）即降水入滲補(bǔ)給系數(shù)、蒸發(fā)量等幾個(gè)指標(biāo)。其中各層滲透系數(shù)是通過(guò)試坑滲透試驗(yàn)和鉆孔壓水試驗(yàn)而獲得，降雨量、蒸發(fā)量等主要依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料。

4.3 模擬工況

滲流計(jì)算中需考慮電站運(yùn)行中可能出現(xiàn)的各種不利條件，分別計(jì)算下列幾種工況：①建壩前天然水位；②建壩后無(wú)趾板條件下上游正常蓄水位與下游天然水位；③建壩后有趾板條件下上游正常蓄水位與下游天然水位。

4.4 模擬結(jié)果分析

工況①的計(jì)算結(jié)果在一定程度上校驗(yàn)該模型的合理性，而工況②和工況③的計(jì)算結(jié)果為接下來(lái)的分析提供依據(jù)（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4）。

表4 不同工況下水庫(kù)滲漏量Table 4 Reservoir leakage amount under different conditions（unit in m3／d）

模擬結(jié)果表明，由于覆蓋層的高滲透性，蓄水后在無(wú)趾板條件下，部分庫(kù)水將通過(guò)壩基覆蓋層發(fā)生繞壩滲漏，這3層的滲漏量占總滲漏量的97.03%，而在有趾板條件下，整個(gè)水庫(kù)每天總的滲漏量?jī)H為53.127 m3。

對(duì)比分析這2種工況可以明顯地看出，趾板對(duì)于阻止庫(kù)水的滲漏起了十分關(guān)鍵的作用。這是由于趾板的滲透系數(shù)極小，且其嵌深是在壩基以下強(qiáng)風(fēng)化層的底部。在這種情況下，被趾板所阻隔的大壩底部的覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層也幾乎不漏水。而從無(wú)趾板情況下分析已經(jīng)知道，水庫(kù)的滲漏主要是由覆蓋層導(dǎo)致的，在將覆蓋層與庫(kù)水位隔開(kāi)以后，水庫(kù)的滲漏量自然也就會(huì)相應(yīng)地減少很多。

5 壩基覆蓋層的滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圖5 地下水坡降計(jì)算剖面位置Fig.5 Computing profile of groundwater gradient

根據(jù)對(duì)上述模擬的滲漏量結(jié)果進(jìn)行分析，在無(wú)趾板條件下，壩基覆蓋層可能發(fā)生滲流，進(jìn)而產(chǎn)生滲透變形，因此需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析研究。受限于本次模型的建立方向，在本次模擬計(jì)算工作中，選取順河向的剖面（圖5中紅色線）來(lái)計(jì)算水頭差和坡降，在無(wú)趾板和有趾板2種情況下的地下水坡降和滲透穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 無(wú)趾板條件下模擬計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of simulation without toe slab

根據(jù)三維數(shù)值模擬結(jié)果，在無(wú)趾板的條件下，坡降范圍從0到0.21不等，其中在壩基下部出現(xiàn)了高坡降區(qū)域，這是由于蓄水后壩前和壩后水位相差較大造成的。該區(qū)域順河向長(zhǎng)度為210 m，坡降均大于0.15，因而壩基砂卵礫石層將會(huì)出現(xiàn)滲透變形問(wèn)題。

表6 有趾板條件下模擬計(jì)算結(jié)果Table 6 Results of simulation with toe slab

而在加設(shè)趾板后，由于趾板的擋水作用，坡降均小于0.15，壩基砂卵礫石層不會(huì)出現(xiàn)滲透穩(wěn)定性問(wèn)題。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）該水電站壩基覆蓋層主要由卵礫石、碎石、砂壤土等組成，這是庫(kù)水滲漏的主要通道，也是閘壩可能發(fā)生滲透變形的主要區(qū)域。

（2）三維滲流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：在無(wú)趾板條件下，庫(kù)水通過(guò)壩基覆蓋層的穩(wěn)定滲漏量約為15 929.617 m3／d，覆蓋層將出現(xiàn)滲透變形問(wèn)題；而在有趾板條件下，滲漏量?jī)H為53.127 m3／d，且不會(huì)出現(xiàn)滲透穩(wěn)定性問(wèn)題。表明加設(shè)趾板可以大部分截?cái)鄩位械募袧B漏，對(duì)于避免壩基覆蓋層各層發(fā)生滲透破壞、減小壩基滲漏量均有重要作用。

（3）利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照規(guī)范判定的覆蓋層滲透變形特征與三維水力坡降數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為一致，即在無(wú)趾板條件下，壩基會(huì)出現(xiàn)滲透穩(wěn)定性問(wèn)題。

［1］ 李正順，李燕奎，楊智勇.某水電站深厚覆蓋層滲透特性研究［J］.山西建筑，2008，26：352－353.（LI Zhengshun，LI Yan-kui，YANG Zhi-yong.Study on Seepage Flow Property of Deep Overburden at a Hydropower Station［J］.Shanxi Architecture，2008，26：352－353.（in Chinese））

［2］ 陳海軍，任光明，聶德新，等.河谷深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性及其評(píng)價(jià)方法［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1996，7（4）：53－59.（CHEN Hai-jun，REN Guangming，NIE De-xin，et al.Study on Engineering Geologic Characteristic of the Deep Alluvium in Valleys and Its E-valuation Methods［J］.Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，1996，7（4）：53－59.（in Chinese））

［3］ GB50287—99，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.（GB50287—99，Code for Water Resources and Hydropower Engineering Geological Investigation［S］.（in Chinese））

［4］ 苑蓮菊，李振栓，武勝忠，等.工程滲流力學(xué)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2001.（YUAN Lianju，LI Zhen-shuan，WU Sheng-zhong，et al.Engineering Application and Percolation Mechanics［M］.Beijing：China Building Materials Industry Press，2001.（in Chinese））

［5］ 宋彥輝，王瑋，張富榮，等.羊曲電站左壩肩單薄山梁滲漏量及滲透變形研究［J］.水力發(fā)電，2009，35（6）：22－24.（SONG Yan-hui，WANG Wei，ZHANG Furong，et al.Study on Leakage Amount and Seepage Deformation of Thin Mountain Ridge at Left Dam Abutment of Yangqu Hydropower Station［J］.Water Power，2009，35（6）：22－24.（in Chinese））

［6］ 徐杰瑞，王志宏，牛萬(wàn)宏.三維滲流反演分析在深厚覆蓋層中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，22（1）：1－3.（XU Jie-rui，WANG Zhi-hong，NIU Wanhong.The Application of Back Analysis of Three-Dimensional Seepage Flow in Thick Overburden［J］.Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2001，22（1）：1－3.（in Chinese））

［7］ 陸 麗，王瑞駿，李章浩.深厚覆蓋層閘壩壩基的三維有限元滲流分析［J］.西北水力發(fā)電，2006，（5）：9－12.（LU Li，WANG Rui-jun，LI Zhang-hao.Study on Seepage of the Gate Dam on the Foundation of Deep Overburden Layer with 3-D FEM［J］.Journal of Northwest Hydroelectric Power，2006，（5）：9－12.（in Chinese））

［8］ 劉萬(wàn)忠.壩基深厚覆蓋層滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)非線性耦合研究［D］.南京：河海大學(xué)，2005.（LIU Wan-zhong.Study on the Nonlinear Coupling Seepage Field with Stress Field of Deep Overburden Dam［D］.Nanjing：Hohai U-niversity，2005.（in Chinese））

［9］ 謝紅強(qiáng)，何江達(dá)，張建海，等.紫坪鋪水利工程右岸三維滲流場(chǎng)特性研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2001，33（6）：10－14.（XIE Hong-qiang，HE Jiang-da，ZHANG Jian-hai，et al.3D Seepage Flow Field Characteristics Research of Right Bank of Zipingpu Hydro-project［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2001，33（6）：10－14.（in Chinese））

［10］ MCDONALD M G，HARBAUGH A W.A Modular Three-Dimensional Finite Difference Groundwater Flow Model［R］.Techniques of Water Resources Investigations 06－A1，U S.Geological Survey，1988.

［11］郭愛(ài)國(guó)，鳳家驥，汪 洋，等，砂礫石壩料滲透特性試驗(yàn)研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32（3）：93－96.（GUO Ai-guo，F(xiàn)ENG Jia-yi，WANG Yang，et al.Experimental Research on Permeability of Sandy Gravel for Dam Mass［J］.Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering，1999，32（3）：93－96.（in Chinese） ）

Seepage Stability Analysis for the Overburden Layer of Dam Foundation at a Hydropower Station

WANG Zhi-hong1，REN Guang-ming1，ZHAO Hai-ying2，LIU Yan-ling2
（1.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention and Geological Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Northwest Investigation Design and Research Institute，Gansu 730050，China）

The seepage stability of the overburden layer of a dam foundation is studied in this paper to provide basis for seepage control for the dam.Firstly，according to the geologic and hydrogeologic characteristics of the dam foundation overburden layer，the seepage deformation type is preliminarily estimated based on hydrogeological parameters obtained from site and indoor tests.A 3-D numerical model of the overburden layer is subsequently built to get the characteristics of seepage field and hydraulic gradient based on the above parameters and seepage theory so as to analyze the leakage amount of reservoir water permeating through the overburden layer under different operation conditions.In view of the above study，the simulation results of hydraulic gradient under different conditions are analyzed to assess the seepage stability of the dam foundation，which is further compared with the preliminary estimate so that the final conclusion can be derived.

overburden layer；leakage amount；seepage stability；hydro-geologic model；hydraulic gradient

TV233.6

A

1001－5485（2011）06－0045－05

2010-07-12

王志紅（1986-），女，山東威海人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)研究，（電話）13547867393（電子信箱）wzhh－000＠163.com。

（編輯：周曉雁）