龍羊峽水電站壩基斷層F120+A2滲流性態(tài)分析及預測研究

張 毅,李 季

(黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，西寧 810008)

龍羊峽水電站壩基斷層F120+A2滲流性態(tài)分析及預測研究

張 毅,李 季

(黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，西寧 810008)

針對龍羊峽水電站拱壩右岸壩基超深強透水貫穿性F120+A2斷層滲流問題，利用數(shù)值分析方法，研究F120+A2斷層滲流特性變化規(guī)律及滲流演變過程，同時分析庫水位達正常蓄水位或高水位作用時間較長時，F(xiàn)120+A2斷層對大壩安全運行的影響。通過研究，對龍羊峽水電站壩基F120+A2斷層滲流狀況進行評價，預測水庫在校核洪水位下，F(xiàn)120+A2斷層滲流量不會大幅增加，暫不需對拱壩右岸壩基帷幕進行補充灌漿。

拱壩；斷層；滲流性態(tài)；分析預測

0 前 言

龍羊峽水電站是黃河上游龍青段梯級開發(fā)的“龍頭”電站。其水庫具有多年調(diào)節(jié)性能，以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用效益。樞紐由主壩、兩岸重力墩、引水建筑物和水電站廠房等組成。擋水前緣總長度1 226 m，其中主壩396 m，最大壩高178 m，最大底寬80 m，建基標高2 432.0 m，壩頂高程2 610 m。水庫校核洪水位2 607 m，正常蓄水位2 600 m，設(shè)計汛期限制水位2 594 m，死水位2 560 m，極限死水位2 530 m。水庫總庫容276.3億m3，正常蓄水位以下庫容247億m3，有效庫容193.5億m3。電站裝機1 280 MW，保證出力589.8 MW，年發(fā)電量59.42億kWh，系西北電網(wǎng)的主力電站。

龍羊峽水電站拱壩右岸壩基超深強透水貫穿性斷層F120+A2延伸至基礎(chǔ)底部深達數(shù)公里，貫穿壩體的上下游，透水性較強，對大壩的安全運行構(gòu)成一定影響。研究在庫水位達設(shè)計正常蓄水位或高水位作用時間較長時F120+ A2斷層部位巖體滲流特性，利用大壩原型監(jiān)測資料和理論分析方法，評價此部位對大壩的安全影響程度，為龍羊峽電站在確保安全的前提下充分發(fā)揮工程效益提供科學依據(jù)和技術(shù)支持，同時為類似工程的工作性態(tài)分析提供有效方法和技術(shù)支撐。

1 壩區(qū)工程地質(zhì)與F120+A2斷層

龍羊峽壩址距峽谷進口1.5 km，壩址峽谷窄深，崖頂高程2 580～2 590 m(正常蓄水位2 600 m)，為黃河第8級階地基地侵蝕面，一方面以70～100向峽谷進口傾斜，一方面緩慢向兩岸升高，壩軸線下游300 m處有深切的南、北大水溝與黃河相交。壩址工程地質(zhì)條件十分復雜，壩基巖性為花崗閃長巖，巖性堅硬，經(jīng)多次地質(zhì)構(gòu)造運動，壩肩斷裂發(fā)育，被多條斷裂切割，特別是大壩下游約300 m的F7(寬約80～100 m)橫切河谷，形成南北大山水溝，使兩岸山體特別是左岸比較單薄。斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要斷裂有8條，其中A2、F120斜切河床及兩岸上、下游，形成主要滲漏通道。

龍羊峽水電站拱壩右岸壩基的F120斷層在距壩肩不遠的深部貫穿上下游，寬度2～6 m，性狀較差，其走向與大壩推力方向近于正交，在2 560 m高程距壩頭最短距離為55 m，多有小的分支，充填的糜棱巖和角礫巖不甚連續(xù)，但有較連續(xù)的全強風化蝕變巖帶，斷層泥平均厚度1.2 cm。A2石英巖脈寬達5～10 m，脈體內(nèi)NE向的直立裂隙和近水平裂隙發(fā)育，透水性很強。F120+A2斷層大多有數(shù)cm至數(shù)十cm的含角礫與碎屑的夾泥，夾泥本身密實不透水，但在斷層影響帶內(nèi)的碎裂巖體能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀滲水通道，透水性相對較強。F120+A2斷層具有超深性、貫穿性、強透水性三大特點。

針對壩址區(qū)特殊的工程地質(zhì)條件，壩基防滲排水工程設(shè)計采用：主壩基礎(chǔ)防滲帷幕深80 m，各伸入兩岸巖體150～200 m，防滲帷幕由2排最高壓力(6.0 MPa)水泥灌漿帷幕組成。除河床及兩岸緊靠灌漿帷幕設(shè)有與其范圍大體相當?shù)呐潘煌?，其主壩排水幕后，河床共設(shè)有4道排水幕。針對兩岸強烈的三向繞壩滲流，兩岸順河向還設(shè)有3道縱向排水幕(左岸1道，右岸2道)。對貫通壩基和兩岸上下游的主要NE向斷裂構(gòu)造，如A2、F120等，采取了丙凝等防滲灌漿，以降低其滲透性。上述壩基防滲排水工程設(shè)計經(jīng)龍羊峽電站多年運行及高水位檢驗未見異常，表明龍羊峽工程壩基防滲排水設(shè)計符合工程實際。

2 F120+A2斷層滲流監(jiān)測布置

龍羊峽水電站壩基F120+A2斷層部位滲流監(jiān)測項目包括揚壓力、滲漏量、地下水。揚壓力布設(shè)在2 463 m高程、2 497 m高程部位的灌漿廊道、橫向排水廊道以及F120傳力槽混凝土置換洞部位和2 530 m高程部位的灌漿廊道、縱向排水廊道；滲漏量測點分別布設(shè)在2 463、2 497和2 530 m高程的橫向排水廊道上下游排水溝部位。在2 463、2 497和2 530 m高程部位共布置6個滲漏量監(jiān)測點，在斷層置換洞幕前幕后共布置18個揚壓孔，在溢洪道左側(cè)部位布置3個地下水孔，用來監(jiān)測F120+A2斷層部位滲流狀態(tài)。測點統(tǒng)計見表1。

表1 F120+A2斷層部位滲流監(jiān)測點統(tǒng)計表

備注:① 滲漏量監(jiān)測采用容積法,mL/s；② 揚壓力人工監(jiān)測采用電測水位計和壓力表計，自動化采用滲壓計,m；③ 地下水采用響錘法,m。

3 F120+A2斷層滲流變化規(guī)律

F120+A2斷層2 463、2 497和2 530 m高程部位監(jiān)測資料表明：

(1) 龍羊峽水電站自1986年蓄水以來，庫水位從未達到設(shè)計正常蓄水位2 600 m高程，2005年黃河上游來水較大，自4月26日開始，庫水位由2 558.70 m逐漸升高，至11月19日水庫水位達蓄水以來最高水位2 597.62 m，水位上升期間F120+A2斷層部位滲漏量明顯增大，達歷史最大值，各部位滲漏量較之前增大約300 mL/s。

(2) F120+A2斷層2 463、2 497和2 530 m高程滲漏量隨庫水位升高，滲漏量增大，但可以看出滲漏量與壩前庫水位呈一定的非線性關(guān)系。

(3) 從現(xiàn)場巡視檢查情況看，2005年庫水位升高期間，2 463、2 497和2 530 m高程的F120斷層置換洞和傳力槽部位無明顯的滲漏和滲漏量增大現(xiàn)象，說明此部位處理和灌漿帷幕防滲效果良好。但在2 463、2 497和2 530 m高程F120+A2斷層部位橫向排水廊道斷層巖體表面滲水隨庫水的升高，明顯增大，水位達歷史最高水位時此部位有刺水現(xiàn)象，滲水明顯較低水位時段要大。但是，此部位地下水位、揚壓力較穩(wěn)定，除個別測點外，其它測點與庫水位無明顯的相關(guān)性，說明該部位巖體透水性較強。

綜上所述，在庫水位未達設(shè)計正常蓄水位，且高水位作用時間較短的情況下，F(xiàn)120+A2斷層滲漏量較低水位明顯增大。為了進一步分析龍羊峽庫水位達設(shè)計正常蓄水位或高水位作用時間較長時,拱壩右岸壩基F120+A2斷層部位巖體滲流特性，有必要對F120+A2斷層工作性態(tài)進行綜合分析研究和評價。

4 F120+A2斷層滲流性態(tài)分析研究方法與成果

4.1 研究方法

(1) 拱壩超深強透水貫穿性斷層巖體的蠕變分析模型及其數(shù)值模擬方法。

(2) 拱壩超深強透水貫穿性斷層巖體滲流特性及分析方法。

(3) 拱壩超深強透水貫穿性斷層巖體滲流場演變規(guī)律。

(4) 拱壩超深強透水貫穿性斷層巖體轉(zhuǎn)異診斷。

(5) 超深斷層巖體引起大壩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)異的診斷方法及其滲流安全監(jiān)控模型。

4.2 主要研究成果

利用數(shù)值模擬方法，結(jié)合實測資料，研究了F120+A2斷層滲流特性變化規(guī)律及演變過程，預測了龍羊峽水庫校核洪水位工況下F120+A2斷層滲流量，主要研究成果：

(1) 進行了龍羊峽水電站拱壩F120+A2斷層二維有限元滲流計算分析，研究了超深強透水貫穿性斷層F120+A2的滲流特性，分析了斷層的超深性、強透水性及貫穿性對滲流影響的規(guī)律，并確定了斷層的計算范圍，在此基礎(chǔ)上，建立了龍羊峽三維滲流有限元模型，研究了排水和帷幕等對整個滲流場的影響：① 2 443 m高程河床部分巖體以及24 63 m高程右岸巖體水頭值均隨著有限元模型深度的增加逐漸增加，但增加量逐漸減小，漸趨于穩(wěn)定，計算確定了超深斷層對滲流場計算結(jié)果的影響范圍為9倍帷幕深度;② 當滲透系數(shù)降低時，揚壓力孔水位隨之略微上升；隨著滲透系數(shù)的增大，F(xiàn)120+A2斷層成為滲漏主要通道，當滲透系數(shù)增大到一定程度時，右側(cè)山體各測點孔水位變化趨于穩(wěn)定;③ 2 443 m高程河床部分測點隨著上游覆蓋層長度的增加，孔水位略微下降，變化范圍較?。? 463 m高程右岸巖體各測點水頭值均隨著上游覆蓋層長度的增加而減小;④ 排水孔作用明顯，2 443 m高程河床部位以及2 463 m高程靠近壩體部分的巖體上的水頭下降均為15 m左右；而離斷層較近的測點水位下降更為明顯，排水孔失效對其影響較大;⑤ 帷幕灌漿對降低水頭有顯著作用，帷幕灌漿失效時各測點孔水位均比帷幕灌漿未失效時高。對于帷幕灌漿失效的情況，由于排水孔的作用，位于右岸山體中靠近斷層測點水頭值明顯較小，但與帷幕灌漿未失效時相比，仍然要高5 m左右的水頭，帷幕灌漿與排水孔共同作用時效果更好。

(2) 利用改進的遺傳—模擬退火混合算法對壩基斷層F120+A2滲透系數(shù)進行了反演分析，建立了壩基斷層滲流演變時序模型，反演分析了壩基斷層結(jié)構(gòu)面形態(tài)的滲透系數(shù)，同時，與常規(guī)滲透系數(shù)反演方法進行了對比，兩者結(jié)果比較接近。

(3) 龍羊峽超深斷層F120+A2滲流場轉(zhuǎn)異評判表明：當排水孔相對滲透系數(shù)逐漸增加的過程中(相應(yīng)于排水孔工作狀態(tài)逐漸變好)，測壓管水頭逐步減小，其減小速率值逐漸變小，當相對滲透系數(shù)增大到某一閾值km并繼續(xù)增大時，測壓管水頭值減小并不明顯，這說明當1

(4) 以考慮滯后效應(yīng)的壩基斷層滲流混合模型為基礎(chǔ)，計算研究區(qū)域內(nèi)測壓管及排水孔流量性態(tài)的模糊隸屬度；并以測壓管水位為例，采用模糊可拓理論，建立了物元評價模型，評價結(jié)果表明，龍羊峽水電站壩基斷層F120+A2滲流性態(tài)屬于基本正常。

(5) 根據(jù)龍羊峽三維有限元模型滲流數(shù)值模擬計算結(jié)果，結(jié)合F120+A2斷層滲漏量實測資料，對龍羊峽超深斷層F120+A2滲漏量進行分析和預測，得到如下主要結(jié)論：① 隨著上游庫水位上升，通過F120+A2斷層2 463、2 497、2 530 m高程的滲漏量逐漸增大，其中2 497 m高程滲漏量最大、2 463 m高程次之、2 530 m高程最小，計算結(jié)果與實測成果變化規(guī)律一致，總體反映了F120+A2斷層滲漏量隨庫水位上升而增大的變化規(guī)律;② 校核水位2 607 m工況下(尾水位2 464.3 m)，通過斷層2 463、2 497和2 530 m高程的滲漏量分別為567.42、643.76和372.13 mL/s，通過斷層F120+A2總滲漏量為1 583.31 mL/s。此外，不同尾水位工況下，通過F120+A2斷層的滲流量差值為23.3 mL/s，尾水位變化對F120+A2斷層滲流量影響較小;③ 針對龍羊峽水電站2005年庫水位上升引起斷層滲流量增加的相關(guān)性，建立了高水位下的特殊監(jiān)控預測模型，預測得到通過斷層2 463和2 497 m高程的滲漏量分別為579.7和639.1 mL/s。校核洪水位下的龍羊峽斷層滲漏量數(shù)值分析成果與實測資料預測成果反映的規(guī)律基本一致，而且量值比較接近。龍羊峽水庫校核洪水位2 607 m下應(yīng)用數(shù)值計算結(jié)果與統(tǒng)計模型預測斷層滲漏量結(jié)果對比見表2。

表2 龍羊峽水庫校核洪水位2 607 m下不同模型對斷層F120+A2滲漏量預測結(jié)果對比表

5 結(jié) 語

龍羊峽水電站壩基斷層F120+A2滲流性態(tài)分析及預測研究成果表明，在2005年龍羊峽水庫高水位期間，拱壩右岸壩基F120+A2斷層滲漏量增大符合正常規(guī)律，滲流性態(tài)未發(fā)生轉(zhuǎn)異，并且未對大壩變形性態(tài)造成明顯影響，同時預測校核洪水位下滲流量也未大幅增加。此外，由反映斷層F120+A2變化的右重2號、13號壩段倒垂切向位移監(jiān)測資料表明：切向位移雖然隨庫水位變化而變化，但總體測值及變幅較小，目前變化規(guī)律總體正常。因此，拱壩右岸壩基可暫不需對帷幕進行補充灌漿。在今后的運行管理中，尤其是水庫高水位運行期間，需要加強該斷層的監(jiān)測分析，必要時增設(shè)壩基的排水設(shè)施減小滲透壓力，確保大壩運行安全。

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Study on Property Analysis and Forecast of Seepage from Fault F120+A2 in Foundation of Longyangxia Hydropower Station

ZHANG Yi, LI Ji

(Huanghe Hydropower Development Co., Ltd, Xining 810008，China)

Aiming at the seepage from Fault F120+A2 which is deeply located, with strong permeability and penetrability, in foundation on right bank of Longyangxia Hydropower Station and by application of the value analysis method, property variation law and development of seepage from Fault F120+A2 are studied. Simultaneously, impacts of Fault F120+A2 to the safety operation of the dam are analyzed when the water level in the reservoir reaches the normal storage level or the higher water level keeps a long time. Through the study, the seepage from Fault F120+A2 is assessed. It estimates that the seepage from F120+A2 will not largely increase when the reservoir is at the check flood level. Therefore, additional grouting to the grouting curtain on right bank is not required.

arch dam; fault; seepage property; analysis and forecast

1006—2610(2015)02—0075—04

2015-02-27

張毅(1966- )，男，新疆哈密市人，高級工程師，從事大壩安全管理.

TV223.6;TV698.12

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.019