300 m級(jí)心墻堆石壩與地下廠房洞室群滲流分析與控制

段 斌，李善平，唐茂穎，肖培偉，李永紅

(1.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,成都 610041；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610072)

0 前 言

滲流分析與控制對(duì)高心墻堆石壩工程安全至關(guān)重要。美國(guó)Teton、Fontenelle心墻土石壩都曾經(jīng)發(fā)生過滲流沖刷而導(dǎo)致壩體破壞；中國(guó)曾對(duì)241座大型水庫(kù)電站發(fā)生的近千個(gè)工程安全問題作過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)約37.1%的安全問題是由于滲流引起的。

水利水電工程滲流分析與控制技術(shù)是水力學(xué)與巖土力學(xué)的融合。隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步，該技術(shù)在基本理論、試驗(yàn)手段、計(jì)算方法和工程應(yīng)用等方面都得到了極大發(fā)展。水利水電工程樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，大壩壩體、地下洞室、防滲和排水等水工結(jié)構(gòu)眾多，各種材料滲流特性各異，滲流計(jì)算涉及的范圍也很大，因而必須采用有限元等數(shù)值計(jì)算方法才能獲得比較符合實(shí)際的滲流場(chǎng)。水電工程滲流分析的特點(diǎn)是計(jì)算域內(nèi)存在一個(gè)地下滲流場(chǎng)，自由面以上為非飽和滲流區(qū)，自由面以下為飽和滲流區(qū)。由于非飽和滲流對(duì)于水電工程滲流影響不大，因而需要采用有自由面滲流的飽和算法來計(jì)算穩(wěn)定滲流場(chǎng)。自由面的求解問題在本質(zhì)上是非線性自由邊值問題，目前求解這類問題的有限元分析方法總體上分為2類：一類是變網(wǎng)格迭代法；另一類是固定網(wǎng)格迭代法。由于變網(wǎng)格法工作量較大，而且容易使自由面附近的網(wǎng)格出現(xiàn)畸形，一般很少采用。固定網(wǎng)格法分為復(fù)合單元法[1-2]和初流量法[3-4]兩類。變單元滲透系數(shù)法、改進(jìn)單元滲透矩陣調(diào)整法、復(fù)合單元全域迭代法屬于前者；剩余流量法、改進(jìn)剩余流量法、初流量法、改進(jìn)初流量法、變分不等式法、截止負(fù)壓法、結(jié)點(diǎn)虛流量法等屬于后者，丟單元法、子單元法、虛單元法則屬于改進(jìn)的移動(dòng)網(wǎng)格法。排水孔是水利水電工程中極為重要且應(yīng)用廣泛的滲控措施，在滲流計(jì)算中，對(duì)排水孔的處理一直是工程界關(guān)注的重點(diǎn)之一。由于排水孔的孔徑尺寸較小(約5～10 cm)，排列密集數(shù)量眾多，從而導(dǎo)致在滲控分析中對(duì)排水孔模擬的困難。目前對(duì)排水孔模擬主要包括節(jié)點(diǎn)水位約束法、排水子結(jié)構(gòu)法、解析解與有限元結(jié)合法(如以縫代井法、以溝代井法、半解析法)等方法。

1 工程概況與基本條件

1.1 工程概況

作為300 m級(jí)心墻堆石壩典型代表——大渡河雙江口水電站，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量2 000 MW，多年平均年發(fā)電量77.07億kWh。樞紐工程由攔河大壩、右岸泄洪建筑物、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)(地下廠房)等組成。攔河大壩采用土質(zhì)心墻堆石壩，最大壩高314 m。

1.2 壩址區(qū)地質(zhì)條件

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，出露巖體主要為花崗巖。河床沖積層最大厚度67.8 m，從下至上總體可分為3層：第①層為漂卵礫石層，第②層為(砂)卵礫石層，第③層為漂卵礫石層。壩址區(qū)除右岸F1斷層規(guī)模相對(duì)較大外，主要由一系列低序次、低級(jí)別的小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面組成。

壩區(qū)地下水分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水2種類型。第四系孔隙水主要分布于河谷地帶的松散堆積物中，受大氣降水、河水及兩岸地下水補(bǔ)給，向下游排泄，具強(qiáng)透水性?；◢弾r巖體較完整，巖體含水不豐，基巖裂隙水主要賦存于淺表部卸荷巖體、裂隙密集帶或斷層上盤破碎帶巖體中，呈脈狀分布?；鶐r透水差，脈狀裂隙水間水力聯(lián)系弱，基巖裂隙水與局部承壓水主要受大氣降水補(bǔ)給，向河谷排泄。

1.3 防滲排水體系

大壩壩頂高程2 510.00 m，河床部位心墻底高程2 198.00 m，基底設(shè)2 m厚混凝土基座，心墻與兩岸壩肩接觸部位的岸坡表面設(shè)垂直厚度1 m的混凝土蓋板，心墻與蓋板連接處鋪設(shè)水平厚度3 m的黏性土。大壩壩體典型斷面見圖1，基礎(chǔ)防滲采用帷幕灌漿處理，見圖2。帷幕深入透水率小于1 Lu的相對(duì)不透水層(見圖2中帷幕灌漿底線)。右岸防滲帷幕覆蓋F1斷層，左岸防滲帷幕與廠房部位帷幕連成一體，河床部位帷幕底高程2 100.00 m。兩岸2 460.00 m高程以上部分布置1排帷幕灌漿，孔距1.5 m；2 460.00 m高程以下部分采用2排帷幕灌漿，排距1.5 m、孔距2 m。

地下廠房洞室區(qū)的防滲排水系統(tǒng)采用“先阻后排、防排并舉”的立體布置方式。在廠房和主變室的外圍，分層設(shè)置排水廊道。在廠房上游側(cè)及靠河側(cè)設(shè)1道防滲帷幕，防滲帷幕由2排灌漿孔組成，孔距2.0 m、排距1.5 m；緊接防滲帷幕之后設(shè)排水帷幕1道，并在廠房上游側(cè)約15.0 m的位置設(shè)置3層排水廊道。洞室內(nèi)頂拱及邊墻設(shè)排水孔，廠內(nèi)設(shè)排水溝。地下廠房和主變洞頂部設(shè)置“人字頂”排水孔幕。地下廠房區(qū)的滲控布置見圖3。

圖1 雙江口水電站心墻堆石壩壩體典型斷面圖 單位：m

圖2 雙江口水電站心墻堆石壩軸線剖面圖 單位：m

圖3 雙江口水電站地下廠房區(qū)防滲排水體系圖 單位：m

2 滲流場(chǎng)有限元計(jì)算方法

2.1 基本理論

滲流分析的數(shù)學(xué)模型通常建立在達(dá)西定律基礎(chǔ)上。水利水電工程滲流分析一般考慮為不可壓縮流體在剛體介質(zhì)中進(jìn)行不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定滲流，則運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

連續(xù)性方程：

(2)

微分方程：

(3)

考慮相應(yīng)定解條件，采用有限元計(jì)算方法即可求解以上方程。

2.2 主要考慮因素

(1) 裂隙巖體特性：各向同性連續(xù)介質(zhì)、各向異性連續(xù)介質(zhì)。

(2) 計(jì)算模型：3D模型、2D模型。

(3) 自由面計(jì)算方法：復(fù)合單元法、初流量法。此2種方法又可細(xì)分多種具體方法，見前言部分。

(4) 出滲邊界模擬：是否考慮合理的邊界條件確定真實(shí)出滲點(diǎn)。

(5) 排水孔模擬：節(jié)點(diǎn)水位約束法、排水子結(jié)構(gòu)法、解析解與有限元結(jié)合法，見前言部分。

2.3 具體方法設(shè)定

雙江口水電站樞紐區(qū)滲流分析采用4種具體的計(jì)算方法，見表1。

表1 雙江口樞紐區(qū)滲流分析有限元計(jì)算方法表

3 天然滲流場(chǎng)反演分析

3.1 反演分析目的與方法

天然滲流場(chǎng)反演分析是結(jié)合地質(zhì)分區(qū)及相關(guān)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)勘探水文地質(zhì)資料和地下水位觀測(cè)孔資料等，對(duì)工程區(qū)天然滲流場(chǎng)進(jìn)行反演分析，確定各滲透分區(qū)的滲透系數(shù)(滲透張量)以及水力邊界條件，掌握天然地下水系統(tǒng)的分布特點(diǎn)，為運(yùn)行期的滲流場(chǎng)分析及滲控措施的優(yōu)化提供合理的參數(shù)和邊界條件。在滲流場(chǎng)反演分析中，采用非線性規(guī)劃擬合方法進(jìn)行求解，將各測(cè)點(diǎn)水頭的計(jì)算值與觀測(cè)值的總體擬合程度作為反演分析精度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。

3.2 反演滲流場(chǎng)邊界水位

由于計(jì)算方法1～4的模型大小和邊界不盡相同，以計(jì)算方法1和3為例反演出的模型邊界水位見圖4、5[6-7]。

圖4計(jì)算方法1相應(yīng)模型左右岸邊界的地下水水位分布圖

圖5計(jì)算方法3相應(yīng)模型左右岸邊界的地下水水位分布圖

3.3 材料滲透參數(shù)

以計(jì)算方法1和3為例，相應(yīng)計(jì)算模型滲透分區(qū)材料滲透參數(shù)見表2～3。

4 運(yùn)行期滲流控制方案研究

4.1 有限元計(jì)算模型

基于計(jì)算方法1～4提出的滲流分析三維有限元計(jì)算模型見圖6。

4.2 基本方案滲流分析

4.2.1 滲流場(chǎng)分布

以地下廠房區(qū)的滲流場(chǎng)分布為例，按照計(jì)算方法1～4得到的三大洞室(主廠房、主變室、尾調(diào)室)剖面的等勢(shì)線分布見圖7。可見，主廠房洞室和主變洞洞室頂部則基本上被疏干，但其四周的地下水位仍很高，而尾水調(diào)壓室基本上處在地下水位線以下。地下廠房區(qū)地下水位的大幅降落主要是由于排水孔幕以及洞室壁面的排水作用引起的，而廠區(qū)的帷幕在計(jì)算中則沒有發(fā)揮阻水作用，這是因?yàn)獒∧坏臐B透系數(shù)和廠區(qū)微新巖體的滲透系數(shù)是相同，在帷幕位置沒有形成密集的等勢(shì)線分布。由此可見，設(shè)計(jì)滲控方案下的廠區(qū)排水系統(tǒng)還是非常有效的，能夠保證主廠房和主變洞室頂部的地下水被疏干。

表2 計(jì)算方法1對(duì)應(yīng)的分區(qū)材料滲透參數(shù)表

表3 計(jì)算方法3對(duì)應(yīng)的分區(qū)材料滲透參數(shù)表

圖6 計(jì)算方法1～4對(duì)應(yīng)的三維有限元計(jì)算模型圖

4.2.2 滲透坡降

壩體壩基各部位最大滲透坡降見表4。心墻頂部滲透坡降約為1.4～2.0，心墻下游側(cè)出溢坡降最大為3.59，心墻內(nèi)部的滲透坡降均在3.0以下，心墻與混凝土基座的最大接觸坡降為3.14，滿足滲透穩(wěn)定要求；壩基防滲帷幕的最大滲透坡降為11.5～16.14，位于左岸壩基底部，壩基各覆蓋層的滲透坡降均未超過允許滲透坡降。

表4 設(shè)計(jì)滲控方案坡降對(duì)比表

F1斷層從上游沖溝一直延伸到下游河道附近，滲透系數(shù)為5.0×10-3cm/s。帷幕上下游側(cè)地下水自由面的水頭跌落不是很大，約為19.5 m，這主要是因?yàn)镕1斷層只是被防滲帷幕部分阻斷，斷層內(nèi)防滲帷幕的滲透梯度最大值約6.32；當(dāng)F1斷層被帷幕截?cái)鄷r(shí)，斷層內(nèi)防滲帷幕的滲透梯度最大值約7.20；當(dāng)斷層滲透系數(shù)為5.0×10-2cm/s時(shí)，防滲帷幕未完全截?cái)郌1斷層，斷層內(nèi)防滲帷幕的滲透梯度最大值約15.78，防滲帷幕完全截?cái)郌1斷層，斷層內(nèi)防滲帷幕的滲透梯度最大值約為28.93。

4.2.3 滲流量

通過壩體心墻的滲流量約為948～1 161 m3/d，通過壩基帷幕及其以下基巖的滲流量約為3 465～4 080 m3/d；地下廠房三大洞室壁面的出滲流量計(jì)算值約為253～753 m3/d，廠區(qū)主帷幕后面的排水孔幕的出滲流量約為1 280～3 752 m3/d，廠區(qū)排水廊道及其排水孔幕總的出滲流量約為330～1 194 m3/d。計(jì)算方法1～4得到的壩體和廠區(qū)滲流量見表5。

表5 壩體和廠區(qū)計(jì)算滲流量表 /(m3·d-1)

4.3 廠區(qū)滲控方案優(yōu)化分析

4.3.1 優(yōu)化方案分析組合

在基本方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步滲控優(yōu)化[11-12]，主要內(nèi)容包括：① 壩基防滲帷幕的滲透性控制比較；② 壩基防滲帷幕不同深度滲控計(jì)算分析比較；③ 左岸帷幕及其后的排水孔幕不同平面延伸長(zhǎng)度計(jì)算分析比較；④ 地下廠房區(qū)防滲帷幕不同滲透性計(jì)算比較分析；⑤ 地下廠房區(qū)不同排水孔幕布置滲控分析比較；⑥ 廠區(qū)排水孔局部失效對(duì)滲流場(chǎng)的敏感分析比較等。滲控優(yōu)化分析組合見表6。

表6 廠區(qū)滲控優(yōu)化組合情況表

4.3.2 優(yōu)化方案分析成果

(1) 當(dāng)廠區(qū)帷幕滲透系數(shù)為3.0×10-6cm/s時(shí)，廠房上游側(cè)主帷幕前的水位小幅升高約4～7 m左右，但帷幕下游側(cè)與廠房之間的水位變化較小。地下廠房下游側(cè)頂部地下水位線要比設(shè)計(jì)方案低大約5～10 m左右。

(2) 廠區(qū)左側(cè)帷幕(滲透系數(shù)為3.0×10-6cm/s)延長(zhǎng)100 m后，尾水調(diào)壓室洞室處的地下水位比設(shè)計(jì)方案降低約15 m，但對(duì)降低主廠房和主變洞周圍的地下水位作用很小。

(3) 由于廠區(qū)防滲帷幕的滲透系數(shù)和周圍巖體的滲透系數(shù)相差不大，其地下水位的降落主要靠排水孔幕來實(shí)現(xiàn)，廠區(qū)排水系統(tǒng)是非常必要的。

(4) 廠房洞室和主變洞室頂部的“人字頂”排水取消后，廠房頂部的地下水位比設(shè)計(jì)方案略高，這說明“人字頂”的作用不明顯，這主要是因?yàn)槠渌呐潘O(shè)備作用比較強(qiáng)，使“人字頂”排水大部分都處于干區(qū)。然而，作為安全儲(chǔ)備地下廠房和主變洞室頂部的“人字頂”排水還是必要的，但孔間距可以適當(dāng)放大一些。

(5) 在基本方案的基礎(chǔ)上，廠區(qū)局部的排水孔幕的加密或取消對(duì)廠房洞室區(qū)的地下水位有一定的影響，但不明顯。從滲流量上看，加密或取消排水孔，其滲流量也沒有顯著變化。

(6) 當(dāng)排水孔失效30%時(shí)，主廠房洞室右半部分處在地下水位線以下，地下水位抬升很高，主變洞室頂部仍然處于干區(qū)，但周圍地下水位升高；排水孔失效50%，廠區(qū)的地下水位進(jìn)一步升高。這說明排水系統(tǒng)不能有較高的失效比例，以確保排除廠區(qū)地下水。

5 結(jié) 語(yǔ)

雙江口水電站心墻堆石壩最大壩高超過300 m，地下廠房洞室群規(guī)模巨大，工程廠壩區(qū)的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采用4種有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算分析和滲流控制方案研究，得出以下主要結(jié)論：

(1) 考慮裂隙巖體特性、自由面計(jì)算方法、出滲邊界、排水孔模擬方法等因素確定的4種有限元方法，得出的滲流場(chǎng)分布、滲透坡降、滲流量的基本規(guī)律相差不大，可作為滲流控制方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(2) 通過對(duì)廠壩區(qū)防滲系統(tǒng)的分析，壩體壩基的防滲系統(tǒng)(心墻+防滲帷幕)能夠有效地控制地下水的分布，可以此為基礎(chǔ)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行滲控方案的優(yōu)化和調(diào)整。

(3) 防滲帷幕的阻水作用在不同部位有所差異。在地下廠區(qū)，由于防滲帷幕主要處于微透水～弱透水巖體內(nèi)，帷幕滲透系數(shù)與巖體滲透系數(shù)較為接近，廠區(qū)防滲帷幕的阻水作用非常有限，減小或增大防滲帷幕滲透系數(shù)對(duì)廠區(qū)滲流場(chǎng)分布及滲流量影響均較小。而壩區(qū)由于防滲帷幕主要位于強(qiáng)透水、中等透水等巖體，減小或增大防滲帷幕滲透系數(shù)對(duì)壩區(qū)滲流場(chǎng)分布規(guī)律影響不大，但對(duì)壩區(qū)滲流量影響較大。

(4) 廠區(qū)滲流量以廠區(qū)排水廊道及防滲帷幕后排水孔幕的滲流量為主，占整個(gè)廠區(qū)滲流量的80%～90%，廠區(qū)排水系統(tǒng)對(duì)廠區(qū)滲流起到關(guān)鍵的控制作用，其中帷幕后排水廊道的滲流量較大，即庫(kù)水在透過防滲帷幕后，大部分通過排水孔幕進(jìn)入排水廊道系統(tǒng)。

(5) 右岸F1斷層自身滲透系數(shù)的大小以及其延伸深度對(duì)右岸滲流場(chǎng)以及其中的帷幕滲透梯度有較大影響。當(dāng)F1斷層的滲透系數(shù)為5.0×10-3cm/s時(shí)，F(xiàn)1斷層的規(guī)模及其是否被帷幕截?cái)啵@對(duì)右岸滲流場(chǎng)影響不大；但若F1斷層的滲透系數(shù)為5.0×10-2cm/s時(shí)，其透水性很強(qiáng)，必須利用帷幕進(jìn)行攔截，同時(shí)F1斷層沿深度方向越淺，帷幕攔截效果就越好，但其中的帷幕滲透梯度值就增加很多，建議在局部適當(dāng)加厚帷幕。