黃河源水電站工程大壩滲流安全分析

孫瑋瑋，莊德利，張士辰，鄭昊堯

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

1 工程概況

黃河源水電站位于青海省果洛藏族自治州瑪多縣境內(nèi)，為一座壩后式電站［1－2］.大壩建在鄂陵湖口下游17 km處的黃河干流上，距瑪多縣城40 km，距省會西寧市540 km.建設(shè)該電站的目的是為了解決青海省唯一無電縣——瑪多縣的用電問題.工程于1998年4月開工興建，2001年11月下閘蓄水，2001年12月28日實現(xiàn)單臺機組試發(fā)電，2005年11月初步竣工驗收，2006年7月竣工驗收并投入正式運行.

黃河源水電站樞紐工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流發(fā)電管、廠房和升壓站等組成.水庫總庫容25.01億m3，正常發(fā)電庫容15.21億m3，電站裝機容量為2×1 250 kW，是一座具有巨大調(diào)蓄功能的多年調(diào)節(jié)水庫.水庫校核洪水位4 271.61 m，設(shè)計洪水位 4 271.05 m，正常蓄水位 4 270.15 m，死水位 4 267.78 m，最低發(fā)電水位4 267.78 m.

大壩為黏土心墻砂礫石壩，最大壩高18.0 m，壩頂長1 521.63 m，壩頂高程4 273.00 m，壩頂寬5.0 m，壩頂采用碎石路面.壩體上游壩坡1∶3.0，在4 265.00 m高程處設(shè)寬1.5 m馬道.下游壩坡1∶2.0，無護坡及排水系統(tǒng)，在4 257.60 m高程處設(shè)4.0 m寬的馬道作為進場公路，下游壩腳設(shè)褥墊式排水體和排水溝.壩體防滲體為黏土心墻.心墻頂高程4 271.61 m，頂寬2 m，底寬6 m，上、下游坡比均為1∶0.15.

壩基右壩段約70 m為砂質(zhì)板巖，基巖風(fēng)化嚴重，且有斷層，層理十分發(fā)育;其余壩段均為砂礫石層.針對該地質(zhì)情況，壩基防滲體在0+030～0+100段采用垂直防滲墻，在0+100以左采用水平鋪蓋防滲墻，在0+100.3處垂直壩軸線向庫內(nèi)設(shè)置垂直防滲墻將水平防滲和垂直防滲連接起來，順壩軸線和垂直壩軸線垂直防滲墻呈“L”型分布，“L”型垂直防滲墻采用底部現(xiàn)澆混凝土齒墻外填黏土防滲墻形式.由于垂直截水墻下基巖破碎，透水性強，所以進行了帷幕灌漿處理，灌漿孔深40.0～46.5 m;孔頂采用壓漿板取代原設(shè)計固結(jié)灌漿.

鑒于黃河源水電站存在的嚴重滲漏問題，并且缺乏可靠的觀測資料數(shù)據(jù)，因此根據(jù)其工程地質(zhì)狀況結(jié)合現(xiàn)場檢查情況對大壩存在問題的壩段進行滲流計算分析.

2 滲流分析

2.1 現(xiàn)場檢查情況

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況［3］，大壩滲漏主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)下游排水溝內(nèi)常年滲水，滲出明流匯至中部壩段約0+240斷面并排向下游，運行中溝內(nèi)水面隨庫水位升降而升降.從溝內(nèi)滲漏量看，左壩段滲漏量明顯大于右壩段.

(2)中間壩段大壩下游緊鄰排水溝上游側(cè)平臺局部存在壩面滲水現(xiàn)象，其中在0+140～0+200斷面之間平臺上常年存在滲漏，滲漏處可見綠色水生植被，其余壩段雖未見壩面滲水，但簡易挖坑即有水滲出.

(3)壩后地面積水嚴重，整個下游綠色植被生長茂盛.一方面壩后基礎(chǔ)滲漏嚴重，在距離壩腳10～100 m、整個河床(不含左右壩段下游地勢較高部位)范圍內(nèi)多處分散分布有長期冒水點，冒水現(xiàn)象大小不均，大者如小泉眼似管涌破壞點，冒水點所在水坑內(nèi)綠色水草繁茂;另一方面，壩腳處排水溝內(nèi)滲流匯集于最大壩高斷面附近后，流向下游地面.

(4)右壩肩0+140斷面附近排水溝內(nèi)，鄰近廠房存在一股較集中的滲漏.

(5)左、右側(cè)壩段排水溝中有黏土淤積，可能來于壩內(nèi)，尤其是左壩段.

2.2 計算方法及參數(shù)

滲流計算運用有限元方法進行平面滲流計算，采用南京水利科學(xué)研究院研制開發(fā)的UNSST2二維滲流分析軟件［4－6］進行計算.綜合大壩防滲形式和地勘情況，計算斷面選取右壩段垂直防滲段的0+095斷面和中間壩段水平防滲段的0+210斷面(最大壩高斷面)作為滲流有限元計算分析的典型斷面.計算斷面見圖1.滲透系數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探資料并結(jié)合土粒特性［7－8］取值及計算工況對應(yīng)水位見表1.

圖1 大壩典型橫斷面Fig.1 The typical cross-sections of dam

表1 滲流場各區(qū)滲透系數(shù)及計算工況對應(yīng)水位Tab.1 The seepage penetration coefficients in various districts and seepage conditions

2.3 計算結(jié)果及分析

2.3.1 0+095斷面 0+095斷面各特征水位下的計算滲流場分布見圖2，關(guān)鍵部位的滲透比降見表2.

圖2 0+095斷面3個特征水位下滲流有限元計算流網(wǎng)Fig.2 The calculation flow net of seepage finite element at 0+095 section under three characteristic water levels

表2 0+095斷面在3個特征水位下關(guān)鍵部位滲流要素Tab.2 The seepage elements of key parts at 0+095 section under three characteristic water levels

由圖2滲流位勢分布可知，心墻及壩基帷幕灌漿完好條件下，心墻內(nèi)可消殺約80%的水頭，相應(yīng)墻后剩余位勢不足20%，壩基帷幕灌漿內(nèi)可消殺約50%的水頭，帷幕后剩余位勢約50%，說明心墻所起防滲作用明顯，但帷幕防滲作用相對有限.

由表2計算結(jié)果可知，心墻內(nèi)部水平坡降為5.934，按一般工程經(jīng)驗和規(guī)范推薦值，黏土允許滲透坡降為5～10，且心墻下游設(shè)有合格的反濾保護，心墻內(nèi)滲透穩(wěn)定性滿足安全要求;心墻與壩基接觸處水平坡降、壩腳地面處垂直坡降值分別0.147～0.171和0.141～0.162，若壩基按砂質(zhì)板巖考慮，其滲透穩(wěn)定性應(yīng)能滿足安全要求.由于壩基表層巖性由右壩段砂質(zhì)板巖向河床壩段漸變?yōu)樯暗[石層，兩種巖性允許滲透坡降不同，砂礫石層允許滲透坡降為［J］=0.12，應(yīng)小于砂質(zhì)板巖允許滲透坡降，鑒于土壩滲流的三維特性，0+095左側(cè)臨近砂礫石壩基斷面應(yīng)與0+095斷面滲流相近，則正常蓄水位時，砂礫石壩基壩腳處垂直坡降約達0.141，已大于砂礫石層允許坡降［J］=0.12，滲透穩(wěn)定性不能滿足安全要求.從現(xiàn)場情況看，壩后靠右壩段附近的河床段基礎(chǔ)表層存在多處管涌點，表明該部位確實存在滲透破壞，與計算結(jié)果相符.

2.3.2 0+210斷面 0+210斷面各特征水位下的計算滲流場分布見圖3，關(guān)鍵部位的滲透比降見表3.由圖3位勢分布可知，心墻與水平鋪蓋完好條件下，心墻內(nèi)可消殺約80%的水頭，墻后剩余位勢不足20%，說明心墻所起防滲作用明顯.由表3計算成果可知，心墻內(nèi)部水平坡降為2.228，黏土允許滲透坡降為5～10，該結(jié)果遠小于允許值，心墻內(nèi)滲透穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求;心墻與壩基接觸處水平坡降、壩腳地面處垂直坡降最大值分別0.112和0.006，均小于允許坡降0.12，其滲透穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求.

圖3 0+210斷面3個特征水位下滲流有限元計算流網(wǎng)Fig.3 The calculation flow net of seepage finite element at 0+210 section under three characteristic water levels

表3 0+210斷面3個特征水位下關(guān)鍵部位滲流要素Tab.3 The seepage elements of key parts at 0+210 section under three characteristic water levels

事實上，該水電站大壩采取水平防滲和垂直防滲相結(jié)合的防滲方式，在兩種防滲方式連接部位(即0+100.3斷面處)存在防滲缺陷，0+100.3斷面左側(cè)水平鋪蓋從壩軸線垂直向庫內(nèi)延伸110 m(壩腳以外再延伸近60 m)，而0+100.3斷面處的垂直防滲體(截水墻+帷幕灌漿)從壩軸線垂直向庫內(nèi)僅延伸52.5 m(基本全部處于上游壩坡以下)，考慮到右壩段基巖滲透性偏大，接頭部位剩余近60 m將成為未封閉的防滲缺陷，該缺陷使得水平鋪蓋不能完全按設(shè)計功能發(fā)揮作用.鑒于此，本次有限元滲流計算中，對0+210斷面增加上游壩腳至庫內(nèi)近60 m水平鋪蓋全部失效的工況，此時各特征水位下的計算滲流場分布見圖4，關(guān)鍵部位的滲透比降見表4.

對比上游壩腳前水平鋪蓋失效前后大壩滲流性態(tài)，發(fā)現(xiàn)由于庫內(nèi)水平鋪蓋失效，原本由庫內(nèi)鋪蓋消殺的水頭，主要轉(zhuǎn)由壩基砂礫石強透水層消殺，與壩腳前水平鋪蓋失效前相比，壩基砂礫石層中同一部位滲流位勢有所增大，且越靠近庫水，增大幅度越大.從關(guān)鍵部位滲透坡降變化來看(見表5)，情況各有不同，心墻中滲透坡降在壩腳前水平鋪蓋失效后反而有所降低，也說明了因失效造成的水頭消殺任務(wù)主要轉(zhuǎn)由砂礫石層承擔(dān);心墻與壩基接觸部位水平滲透坡降從失效前的0.101～0.112，增大至失效后的0.177～0.196，顯然其滲透坡降已從失效前的小于允許坡降［J］=0.12變?yōu)榇笥谠撝担粷M足滲透穩(wěn)定要求;壩腳地面處垂直滲透坡降從失效前的0.006增大至失效后的0.009，盡管有所增大，但增幅有限，仍小于允許滲透坡降，能夠滿足滲透穩(wěn)定要求.

圖4 0+210斷面壩腳前鋪蓋失效時3種特征水位下滲流有限元計算流網(wǎng)Fig.4 The calculation flow net of seepage finite element at 0+210 section with dam feet bedding failure under three characteristic water levels

表4 0+210斷面壩腳前鋪蓋失效時3種特征水位下關(guān)鍵部位滲流要素Tab.4 The key parts seepage element at 0+210 section with dam feet bedding failure under three characteristic water levels

表5 0+210斷面各特征水位下水平鋪蓋失效前后關(guān)鍵部位坡降對比Tab.5 The slope comparison of key parts with dam feet bedding good and failure at 0+210 section under various characteristic water level

由上述計算結(jié)果可以看出，在0+210斷面壩腳地面處垂直坡降小于允許滲透坡降值，該部位滲透穩(wěn)定性能夠滿足安全要求，盡管心墻底部砂礫石層中滲透坡降在壩腳前水平鋪蓋失效后已超出允許坡降，但若未在壩后下游地面形成出口滲透破壞，仍難以造成壩基滲透破壞.但臨近的右側(cè)垂直防滲段提供的出口滲透穩(wěn)定性不足，恰為該斷面及其附近壩段提供了出口滲透破壞條件，在右壩段垂直防滲段和0+210斷面及其附近壩段滲透壓力的共同作用下，經(jīng)過較長時間積累，形成了靠近右壩段壩后地面管涌破壞現(xiàn)象.可以說，壩后滲透破壞是右壩段防滲不利、垂直防滲與水平防滲存在防滲不封閉缺陷、水平防滲壩段心墻下部壩基滲透坡降偏大共同作用的結(jié)果.

2.3.3 滲漏量估算 大壩壩頂長1 521.63 m，從滲流量計算結(jié)果看，當(dāng)庫水位從正常蓄水位4 270.15 m到校核洪水位4 271.61 m時，0+95斷面的滲流量為5.412～6.348 m3/(m·d)，0+210斷面在水平鋪蓋完好的情況下，滲流量為52.323～57.790 m3/(m·d);在水平鋪蓋前端近60 m范圍已經(jīng)破壞的情況下，滲流量為90.118～99.613 m3/(m·d).年滲漏量按兩種情況計算分別為:0+210斷面在水平鋪蓋完好的情況下，年滲漏量為2 546～2 815萬m3，即0.25～0.28億m3;0+210斷面在水平鋪蓋前端近60 m范圍已經(jīng)破壞的情況下，年滲漏量為4 356～4 818萬m3，即0.44～0.48億m3.大壩總庫容25.01億m3，因此，年滲漏量約為總庫容的2%，滲漏比較嚴重.

3 結(jié)語

(1)綜合有限元計算成果、運行表現(xiàn)和滲漏現(xiàn)狀，認為大壩存在明顯的防滲缺陷，有先天原因，也有后天原因.中間壩段主要缺陷在于該壩段水平防滲與右岸壩段庫內(nèi)垂直防滲未封閉，使得水平鋪蓋有效長度縮短，影響該壩段滲流性態(tài);右壩段防滲缺陷在于壩基中等透水性基巖層防滲控制不徹底、帷幕灌漿未延至隔水層，盡管該壩段基巖滲透穩(wěn)定性應(yīng)無問題，但影響附近中間壩段壩后砂礫石層中的滲透穩(wěn)定性.

(2)綜合上述0+095和0+210兩斷面的有限元分析結(jié)果及實際滲漏狀況，認為造成目前壩后滲透破壞嚴重的主要原因是，右岸壩段防滲不利、垂直防滲與水平防滲存在防滲不封閉缺陷、水平防滲壩段心墻下部壩基滲透坡降偏大共同作用的結(jié)果，壩后滲透破壞應(yīng)始于中間壩段與右岸壩段相鄰區(qū)域(大概位于電站廠房左側(cè)附近)，并經(jīng)長時間作用，逐步延伸至左側(cè)壩段.從有限元計算滲漏量情況看，中間壩段較右壩段滲漏量兩者之間基本呈10倍關(guān)系，該情況與現(xiàn)場的滲漏量相吻合.

(3)有限元計算滲漏量年損失達近0.5億m3，該數(shù)據(jù)比較大，根據(jù)現(xiàn)場滲漏情況，滲漏形成明流部分可能占滲漏量小部分，估計大部分通過潛流滲漏至下游.

(4)未來更高水位條件下，整個大壩滲流性態(tài)將更為嚴重，隨著時間的推移，大壩滲流性態(tài)將向更加危險的方向發(fā)展.

考慮到該水庫庫容大、控泄能力差，一旦大壩出現(xiàn)嚴重的滲流安全問題，難以通過快速下泄庫水予以控制事態(tài)，因此，建議針對大壩滲流現(xiàn)狀，盡快采取工程措施予以除險加固，同時加強必要的非工程措施.

［1］青海省水利水電勘測設(shè)計研究院.瑪多縣黃河源水電站工程初步設(shè)計報告［R］.西寧:青海省水利水電勘測設(shè)計研究院，1997.(Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute of Qinghai Province.Huangheyuan hydropower project predesign report of Maduo Town［R］.Xining:Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute of Qinghai Province，1997.(in Chinese))

［2］南京水利科學(xué)研究院.青?，敹嗫h黃河源水電站工程蓄水安全鑒定報告［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2001.(Nanjing Hydraulic Research Institute.Huangheyuan hydropower project impounding safety appraisal report of Maduo Town in Qinghai Province［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2001.(in Chinese))

［3］黃河源水電站大壩現(xiàn)場安全檢查專家組.黃河源水電站大壩現(xiàn)場安全檢查報告［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2010.(Huangheyuan Hydropower Dam Safety Inspection Expert Panel on-site.Huangheyuan hydropower dam safety inspection report on-site［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.(in Chinese))

［4］毛昶熙，段祥寶，李祖貽.滲流數(shù)值計算與程序應(yīng)用［M］.南京:河海大學(xué)出版社，1999.(MAO Chang-xi，DUAN Xiangbao，LI Zu-yi.Numerical computation in seepage flow and programs application［M］.Nanjing:Hohai University Press，1999.(in Chinese))

［5］毛昶熙.滲流計算分析與控制［M］.北京:水利電力出版社，1990.(MAO Chang-xi.Seepage computation analysis and control［M］.Beijng:Hydraulic and Electric Press，1990.(in Chinese))

［6］張乾飛，顧沖時，郭海慶.土石壩滲流確定分析模型研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，2000(8):5-9.(ZHANG Qianfei，GU Chong-shi，GUO Hai-qing.Seepage deterministic analysis model study of earth-rock dams［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2000(8):5-9.(in Chinese))

［7］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.(QIAN Jia-huan，YIN Zong-ze.Earthwork principle and calculation［M］.Beijing:China WaterPower Press，2003.(in Chinese))

［8］盧廷浩.土力學(xué)［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2002.(LU Ting-hao.Soil mechanics［M］.Nanjing:Hohai University Press，2002.(in Chinese))