大崗山高拱壩及地下廠房運行期滲控方案研究

段 斌，何江達，符文熹

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 前 言

滲流分析和控制技術(shù)對工程安全和經(jīng)濟合理性的影響越來越大，滲控方案研究也是水工建筑物設(shè)計中的重要組成部分。作為本文研究對象的大崗山水電站位于四川省石棉縣境內(nèi)，是大渡河干流規(guī)劃近期開發(fā)的大型水電工程之一，采用混凝土拱壩結(jié)合地下廠房的樞紐布置方案，電站正常蓄水位1 130m，最大壩高約210m，正常蓄水位庫容約7.42億m3，電站裝機容量2 600MW。水電站廠壩區(qū)各類巖脈和斷層較發(fā)育，且?guī)r體中還發(fā)育有多組裂隙，壩址區(qū)發(fā)育的巖脈、斷層和多組裂隙共同構(gòu)成了廠壩區(qū)地下水的滲流通道。受這些因素控制，廠壩區(qū)巖體中的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，滲透特性在空間上具有明顯的分區(qū)、分帶和各向異性的特征。因此，只有通過對大崗山水電站廠壩區(qū)滲流場的計算和分析，才能較為真實地反映廠壩區(qū)天然滲流場特征以及運行期不同防滲、排水措施下的滲流場變化，這對大崗山水電站的滲流控制方案的決策至關(guān)重要。

隨著20世紀60年代計算機的迅速發(fā)展和廣泛運用，以計算機為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬技術(shù)使?jié)B流計算方法獲得了突破性進展。數(shù)值解法主要包括有限差分法、邊界元法和有限單元法等，其中有限單元法是目前應(yīng)用最為廣泛和有效的方法。O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung首先用有限元法求解擬調(diào)和方程，使它在滲流領(lǐng)域內(nèi)逐漸得到推廣應(yīng)用。W.D.Lian Finn和R.L.Taylor、C.B.Brown、川本等研究了具有自由面的土壩穩(wěn)定滲流，R.R.Volker研究了不符合達西定律的有自由面的穩(wěn)定滲流，J.A.Mc Cor-quodal、S.P.Neuman、C.S.Desai、飯?zhí)锫∫坏冗M行了滲流自由面隨時間變化的非穩(wěn)定滲流的研究[1]。我國學(xué)者對滲流理論、數(shù)值分析方法等都進行了廣泛而深入的研究，陳平、李祖貽采用丟棄結(jié)點法求滲流自由面，張有天、陳平等提出了用固定邊界求解有自由面滲流問題的初流量法[2]，速寶玉、朱岳明提出了固定網(wǎng)格的結(jié)點虛流量法[3]，吳夢喜、張學(xué)勤提出了固定網(wǎng)格的虛單元法[4]，使固定網(wǎng)格法得到進一步的發(fā)展。對于有排水幕的滲流分析，我國學(xué)者已提出了多種方法，如朱伯芳提出的雜交元法[5]、王鐳等提出的排水子結(jié)構(gòu)法[6]、杜延齡提出的等效桿單元法[7]、王恩志等提出的“以管代孔”法[8]和“以縫代井列”法[9]等。

2 裂隙巖體滲透張量

本文對大崗山廠壩區(qū)三種裂隙巖體(中等透水巖體、弱透水巖體和微透水巖體)，實測出各類裂隙巖體的滲透特征及滲透系數(shù)見表1。

表1 廠壩區(qū)裂隙巖體滲透系數(shù)計算值

大崗山水電站廠壩區(qū)發(fā)育有多組裂隙，其中第①、④、⑤組為主要的導(dǎo)水裂隙。各組裂隙特征見表2。

表2 各組裂隙特征

考慮裂隙巖體的連通率修正公式：

式中l(wèi)i——裂隙連通率。

計算出的巖體的滲透張量及其主值見表3。

表3 裂隙巖體的滲透張量及其主值 cm/s

3 有限元計算模型

根據(jù)大崗山水電站廠壩區(qū)主要水工樞紐布置、防滲帷幕布置、排水幕和排水廊道布置情況以及地質(zhì)地形條件，三維滲流場有限元計算范圍上游取至導(dǎo)流洞進口位置，下游取至導(dǎo)流洞出口位置，順河向長度約883.0m；橫河向左、右側(cè)邊界取至地形分水嶺位置，橫河向長度約1 423.8m；垂直方向底面高程為615.0m。本文采用ANSYS有限元計算軟件，整個計算域采用空間八結(jié)點等參單元結(jié)合部分三棱柱和四面體單元進行離散，共離散為53 959個單元和54 957個結(jié)點。有限元計算模型見圖1。

圖1 大崗山廠壩區(qū)運行期滲流場三維有限元網(wǎng)格

4 運行期滲控方案分析

4.1 滲控方案研究思路

在進行運行期廠壩區(qū)整體模型三維滲流場計算時，由于滲控方案較多，其中廠區(qū)四個方案，壩區(qū)六個方案，需要通過對比分析選擇較優(yōu)的滲控方案，同時運行期滲控方案的優(yōu)化也是本文最為關(guān)心的重點。其研究思路為：以壩基防滲、排水初始設(shè)計方案為基礎(chǔ)，分別結(jié)合廠區(qū)多種不同防滲、排水方案的滲流場計算和比較，優(yōu)化出較優(yōu)的廠區(qū)滲控方案；再以廠區(qū)優(yōu)化的滲控方案為基礎(chǔ)，與六個壩區(qū)滲控方案結(jié)合，優(yōu)化出較優(yōu)的壩區(qū)滲控方案，這時廠區(qū)和壩區(qū)結(jié)合出的滲控方案才是廠壩區(qū)較優(yōu)的滲控方案。運行期廠壩區(qū)三維滲流場計算共包括10種計算方案組合，見表4。

表4 運行期廠區(qū)與壩區(qū)滲控方案組合說明

4.2 邊界水位

庫區(qū)淹沒區(qū)以正常蓄水位φ=1 130m、相應(yīng)壩后水墊塘水位φ=961m為定水頭邊界考慮；計算模型左、右岸山體和下游側(cè)邊界水位以“大崗山水電站壩區(qū)三維天然滲流場反演分析”[10]一文確定的邊界水位為依據(jù)。

4.3 材料滲透參數(shù)

廠壩區(qū)整體三維滲流場計算模型中各滲透分區(qū)巖體和巖脈(斷層)按各向異性滲透材料介質(zhì)考慮，巖體的滲透張量和巖脈(斷層)走向、傾向方向的滲透系數(shù)見表5，排水幕等效滲透系數(shù)見表6。

表5 廠壩區(qū)斷層、巖脈的滲透系數(shù)

表6 各滲控方案排水幕的等效滲透系數(shù)

4.4 廠區(qū)不同滲控方案的滲流場特征分析

限于文章篇幅，以計算方案1作為典型計算方案進行分析。計算方案1中廠區(qū)典型剖面的地下水位等勢線圖、滲透壓力等值線圖和廠壩區(qū)樞紐整體模型的地下水水位(自由面)等值線圖見圖2、3。

圖2 計算方案1垂直洞室剖面水位/滲壓等值線

從廠區(qū)各滲控方案的滲流場特性的分析可知，在廠區(qū)的四個滲控方案與壩區(qū)滲控方案1(1)相結(jié)合所形成的四種計算方案中，各滲控措施均可以有效降低廠區(qū)地下浸潤面高程，大幅度減小地下洞室的外水壓力，其中計算方案4(1)和4(2)在主機間靠上游側(cè)端頭位置的水面線最低，主機間靠上游側(cè)端頭位置的水面線高出主機間底面15～20m，而其它廠區(qū)滲控方案中主機間靠上游側(cè)端頭位置的水面線都比較高，均高于主機間底面50m左右，由此說明，廠區(qū)的四個滲控方案中只有廠區(qū)方案4對降低廠房區(qū)三大洞室的水面線效果最好。這是由于廠區(qū)地下洞室所在區(qū)域的巖體基本為微透水，其滲透系數(shù)量級與防滲帷幕相當，該區(qū)域內(nèi)靠山側(cè)與三大洞室軸線垂直的防滲帷幕效果甚微，而廠區(qū)滲控方案4的防滲帷幕由“L折線型”變?yōu)椤爸本€型”，廠區(qū)防滲帷幕整體位于靠庫區(qū)一側(cè)，該區(qū)域內(nèi)微透水巖體頂板高程較低，則位于上部弱透水和中等透水巖體中的防滲帷幕段對庫水起到很好的阻滲效應(yīng)，同時三大洞室上游側(cè)排水幕和排水廊道仍然起到了顯著的排水減壓作用，致使該方案主廠房的自由面最低、滲透壓力作用最小。同時，從下文的滲流量統(tǒng)計中可以看出，廠區(qū)四種滲控方案的排水廊道滲流量相差不大，雖然廠區(qū)方案4中由于排水廊道的減少，排水廊道的總滲流量有所增加，但廠區(qū)滲流總量不大，對廠區(qū)排水廊道斷面尺寸及抽排措施影響甚微，因此推薦廠區(qū)滲控方案4作為代表方案，并在對壩區(qū)的防滲帷幕和排水幕進行優(yōu)化時，將廠區(qū)滲控方案4作為較優(yōu)的方案與壩區(qū)的滲控方案相結(jié)合進行滲流場的計算。

圖3 計算方案1廠壩區(qū)地下水水位(自由面)等值線

4.5 壩區(qū)不同滲控方案的滲流場特征分析

限于文章篇幅，以計算方案5作為典型計算方案進行分析。計算方案5壩區(qū)典型剖面的地下水位等勢線圖和滲透壓力等值線圖見圖4。分析該方案計算成果可知：由于壩基防滲帷幕對巖體，尤其是壩肩較高高程的弱透水巖體段的阻滲作用，以及帷幕之后排水幕和壩肩排水洞的強排水作用，壩基帷幕前后的水頭損失很大，排水幕之后的壩基揚壓力很小，壩基建基面925m高程排水幕處揚壓力水頭減小約90m，位于兩岸壩肩中部的壩底揚壓力水頭減小約120～150m，位于兩岸壩肩上部的壩底揚壓力水頭減小約80～100m。

圖4 壩體橫剖面水位/滲壓等值線

以廠區(qū)優(yōu)化方案(即廠區(qū)滲控方案4)為基礎(chǔ)，與壩區(qū)的六個滲控方案相結(jié)合進行滲流場的計算結(jié)果表明，計算方案6和7將壩區(qū)排水幕深度增加至105m(底高程820m)，防滲帷幕深度增加至155m(底高程770m)，對比其它方案，計算方案6和7防滲帷幕下游側(cè)滲透壓力相對較小，左右壩肩抗力體區(qū)域浸潤區(qū)范圍也相對較小，同時從下文的滲流量統(tǒng)計結(jié)果可以看出，計算方案6和7的壩區(qū)排水廊道和水墊塘排水滲流量是最小的，所以這兩種壩區(qū)滲控方案相對較優(yōu)。而在這兩種方案中，計算方案7中的防滲帷幕在1 030m高程以下為2×1.5m梅花排列3排，其相應(yīng)的滲透系數(shù)比方案6略有減小，但是由于防滲帷幕在1 030m高程以下大部分處于弱透水和微透水巖體，其滲透系數(shù)與防滲帷幕差別不大，無論布置2排還是3排2×1.5m梅花排列的防滲帷幕的效果相差甚微，主要靠排水幕起關(guān)鍵的排水降壓的作用。計算成果還表明，壩區(qū)排水幕插入基巖深度增大，對降低壩基和左右岸壩肩揚壓力水頭效果顯著，并可以有效改善壩基和壩肩受力特征，增強壩基和壩肩抗滑穩(wěn)定性。因此，推薦計算方案6(即廠區(qū)滲控方案4+壩區(qū)滲控方案2)作為壩區(qū)滲控措施的優(yōu)化方案，該方案的灌漿帷幕、壩體和地下廠房的三維網(wǎng)格見圖5。

圖5 壩體+灌漿帷幕+地下廠房三維網(wǎng)格

4.6 廠壩區(qū)各滲控方案的滲透比降分析

為了深入了解不同計算方案下廠壩區(qū)的滲控措施及其效果，并進一步定量評價廠壩區(qū)滲控優(yōu)化方案，本文分析工程關(guān)心的廠壩區(qū)防滲帷幕、巖脈(斷層)、各滲透分區(qū)巖體等重點部位的滲透比降。計算方案6中廠壩區(qū)防滲帷幕的滲透比降等值線云圖見圖6。

圖6 計算方案6廠壩區(qū)防滲帷幕滲透比降等值線云圖

從滲透比降成果可以看出，各計算方案中工程重點部位的滲透比降量值差異不大。就計算案6而言，廠區(qū)防滲帷幕的滲透比降最大僅9.3，一般能滿足抗?jié)B要求；壩區(qū)防滲帷幕的滲透比降最大約48.6，僅出現(xiàn)在壩體、防滲帷幕和巖脈(斷層)三者相交的表層局部部位，在施工滿足設(shè)計的有效帷幕灌漿厚度和連續(xù)性條件下，也能承受這樣的滲透比降，但是，對于防滲帷幕與巖脈(斷層)接觸部位，需要嚴格控制帷幕的施工和巖脈(斷層)的處理質(zhì)量，適當采取置換或高壓固結(jié)灌漿等工程措施。

4.7 各滲控方案的滲流量分析

通過廠壩區(qū)三維滲流場計算，可以獲得不同計算方案中廠區(qū)排水廊道、地下洞室、防滲帷幕，壩區(qū)排水廊道、抗力體排水洞的滲流量，各計算方案不同工程部位的滲流量見表7。

從各計算方案的滲流量統(tǒng)計結(jié)果可以看出：

(1)總體而言，各方案廠區(qū)排水廊道中滲流量最大值均出現(xiàn)在957m高程排水廊道，表明該層排水廊道對廠區(qū)滲流控制起著關(guān)鍵的作用。其中廠區(qū)排水廊道滲流量最大值出現(xiàn)在計算方案1，其原因是由于計算方案1中廠區(qū)尾調(diào)室水位采用965m高程，而其它方案尾調(diào)室水位計算取為960m，致使廠區(qū)排水廊道，特別是最低一層排水廊道流量較大，該方案廠區(qū)排水廊道總流量超過了5 100m3/d，而其它方案的滲流量都在3 900～4 800m3/d之間。

表7 各計算方案滲流量統(tǒng)計 m3/d

(2)各計算方案中壩區(qū)排水廊道由于分布范圍廣，對壩區(qū)滲流排水起著關(guān)鍵的作用，同時其滲流量也相對較大，基本都超過了19 000m3/d，其中計算方案8和9甚至達到了30 918.47m3/d和28 693.12m3/d，這主要是因為這兩種計算方案的防滲帷幕的滲透系數(shù)按照<3Lu控制，明顯大于其它計算方案的防滲帷幕的滲透系數(shù)，反映出防滲帷幕質(zhì)量對壩區(qū)排水廊道滲流量影響顯著。同時在壩區(qū)各層排水廊道中，940m高程排水廊道的滲流量最大，而1 080m高程的排水廊道流量很小，說明1 030m及其以下高程排水廊道，特別是940m高程排水廊道對壩區(qū)滲控起著關(guān)鍵的作用。

(3)水墊塘下排水廊道是庫區(qū)和兩岸山體中的主要滲流通道，加之排水廊道高程很低，導(dǎo)致繞過壩區(qū)防滲、排水措施而滲入水墊塘下排水廊道的滲流量較大，各方案均超過了16 000m3/d。

(4)在廠壩區(qū)防滲帷幕(按1Lu控制)和排水措施正常工作條件下，兩岸抗力體排水洞總體位于干燥區(qū)，基本無地下水排出。其主要原因在于廠壩區(qū)的防滲帷幕及廠壩區(qū)的排水廊道起到了良好的前堵后排效果。

5 結(jié)論及建議

(1)運行期廠區(qū)各滲控設(shè)計方案計算成果表明，廠區(qū)四種滲控方案均可以有效降低地下廠房區(qū)的滲透壓力，廠區(qū)洞室群圍巖滲透特性得到顯著改善。這說明滲控設(shè)計方案的“廠外堵排結(jié)合，廠內(nèi)排水為主”的設(shè)計原則是正確的，綜合廠區(qū)各滲控方案計算結(jié)果，廠區(qū)滲控方案4相對較優(yōu)；同時，建議將廠區(qū)向上游延伸160m的防滲帷幕深度減少，布置在1 080m高程，相應(yīng)的排水幕也布置在此高程，該方案對廠區(qū)的滲控效果完全滿足工程要求，并可減少工程量。

(2)運行期壩區(qū)各滲控設(shè)計方案計算成果表明，壩基壩肩各高程排水廊道和排水幕的效果較為顯著，對壩基壩肩揚壓力起到了良好的控制作用。而壩區(qū)防滲帷幕對較高高程的壩肩繞壩滲流阻水效應(yīng)較為顯著，有效降低了壩后拱座抗力體部位的地下水位，壩后980m高程以上基本處于干燥區(qū)，對壩肩穩(wěn)定有利，壩區(qū)各滲控設(shè)計方案基本上能達到控制壩區(qū)地下水位的要求。這表明壩區(qū)滲控設(shè)計方案的“高高程中等透水巖體以堵排結(jié)合，低高程微透水巖體以排水為主”的設(shè)計原則是正確的。綜合各滲控方案計算成果，壩區(qū)設(shè)計滲控方案2相對較優(yōu)，即應(yīng)將排水幕盡量布置在較深位置。同時建議取消左右岸抗力體保留1 110m高程以上的排水平洞，并考慮適當降低底層排水洞高程。

(3)運行期廠壩區(qū)樞紐關(guān)鍵部位、巖脈(斷層)和巖體的滲透比降結(jié)果表明，廠壩區(qū)防滲帷幕、基巖總體滿足抗?jié)B要求，但是位于防滲帷幕和排水幕附近的巖脈(斷層)滲透比降較大，需要對局部巖脈(斷層)進行處理以提高其抗?jié)B能力，防止出現(xiàn)滲透變形破壞。

(4)在本文的滲控方案研究中，將廠區(qū)和壩區(qū)滲控方案結(jié)合起來進行三維滲流場計算，這種方法對有限元建模要求很高，對大崗山水電站廠壩區(qū)總體滲控方案的設(shè)計更具指導(dǎo)意義，可供其它工程參考。

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