高拱壩三維滲流分析及滲控措施優(yōu)化研究

劉順萍，任 堂，尉霄騰

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 項目基本情況

某樞紐為水量調(diào)節(jié)水庫，兼有發(fā)電功能，樞紐由攔河壩、水墊塘、二道壩、發(fā)電引水隧洞、導(dǎo)流洞、魚道和電站等組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高167.5m，壩頂長度280.94m，河床壩基開挖深度21m。河床壩基及兩岸壩肩主要為石炭系中統(tǒng)DTJ河群中亞群第三層(C2dnb- 3)巨厚層、厚層灰?guī)r，第四層(C2dnb- 4)中厚層夾薄層灰?guī)r。巖層走向與河谷大角度相交，巖層傾角50～65°。裂隙為主要含水、透水孔隙，發(fā)育程度中等。從壩址區(qū)壓水試驗成果來看，巖體透水性弱—中等，壩址巖基滲透分區(qū)展示圖如圖1所示。

2 防滲設(shè)計方案

2.1 大壩防滲帷幕

(1)防滲按照高壩<1Lu標(biāo)準(zhǔn)，河床壩基部位防滲帷幕深度約為153m(相對于壩底高程)。

(2)左岸垂直和水平兩個方向均不存在明顯的相對隔水層，在垂直方向防滲帷幕深度約為205.5m(相對于壩頂高程)；左岸地下水位低平，水平防滲帷幕難以和地下水位銜接，設(shè)計向左岸壩肩水平防滲長度為160m。

(3)右岸垂直防滲深度以進(jìn)入相對隔水層為宜，深度約為210.5m(相對于壩頂高程)；向右岸壩肩水平方向不存在相對隔水層，水平防滲帷幕難以和地下水位銜接，考慮到右岸山體相對單薄，且壩后邊坡陡峭，構(gòu)造較為發(fā)育，巖體滲透性也相對較強，因此右岸防滲帷幕適當(dāng)加長，設(shè)計向右岸壩肩水平防滲長度為300m。

2.2 壩基排水孔幕

河床壩基部位排水孔幕垂直深度約為73m。左岸、右岸壩基排水孔幕向岸坡以里水平方向的長度與防滲帷幕相同。左岸排水孔幕垂直深度約為184.5m(相對于壩頂高程)，右岸排水孔幕垂直深度約為210.5m(相對于壩頂高程)。排水孔孔距3m，孔徑取11cm。

2.3 下游抗力體排水洞

壩后抗力體基礎(chǔ)排水采用左、右岸抗力體內(nèi)各兩橫兩縱排水洞與排水孔幕。橫向排水洞方向基本上與壩肩帷幕灌漿廊道平行，共3層；縱向排水洞方向基本上與河流方向平行，共3層；同高程橫向排水洞、縱向排水洞、帷幕灌漿洞及壩內(nèi)廊道相互連接。

3 運行期三維滲流場分析

3.1 分析軟件

本計算主要采用有限元分析方法，分析軟件主要采用中國水科院結(jié)構(gòu)材料所自主開發(fā)的SAPTIS有限元仿真軟件。經(jīng)過不斷完善改進(jìn)，目前SAPTIS已不僅僅是一個計算程序，而是一套大型的結(jié)構(gòu)溫度、變形、應(yīng)力分析系統(tǒng)，包括前處理、后處理和計算分析三部分，已用于國內(nèi)三峽、小灣、溪洛渡、拉西瓦、烏東德、龍灘、錦屏、光照、景洪、武都、向家壩等數(shù)十座大中型工程的仿真分析。

圖1 地基滲透分區(qū)展示圖

3.2 分析模型

對正常運行期拱壩—地基系統(tǒng)三維滲流場進(jìn)行建模，分析基礎(chǔ)地質(zhì)條件及實測滲流資料(探洞等)，結(jié)合區(qū)域的滲流場特征、河谷形成演化史，對勘探資料充分分析論證，摸清導(dǎo)水構(gòu)造分布規(guī)律，對拱壩壩址區(qū)水文地質(zhì)進(jìn)行分析，建立適于壩址區(qū)的壩基初始滲流場三維有限元滲流場分析模型，正常運行期的三維有限元模型在初始滲流場模型基礎(chǔ)上修改帷幕單元和排水單元。因此，該模型全面考慮了壩體以及防滲帷幕、排水孔幕、抗力體上排水孔幕等滲控結(jié)構(gòu)。將壩址區(qū)拱壩—地基模型進(jìn)行整體三維有限元離散，共劃分單元778536個，節(jié)點815008個。坐標(biāo)系取為：X向為橫河向，指向左岸；Y向為順河向，指向上游；Z向為豎直方向。模型地基底面為固定約束，地基側(cè)面以及上下游面加法向鏈桿約束。拱壩-地基系統(tǒng)整體網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 拱壩-地基系統(tǒng)整體有限元網(wǎng)格模型

3.3 計算參數(shù)取值

運行期滲流場計算工況為：上游為正常蓄水位876m，下游水位取二道壩頂高程738m。

為盡量準(zhǔn)確地獲取各類巖體及斷層的滲透系數(shù)，利用三維有限元滲流分析方法，對工程區(qū)初始滲流場進(jìn)行整體反饋分析，計算模型考慮了壩址區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)、實際地形、斷層以及不同滲透系數(shù)分區(qū)，確定壩址區(qū)初始滲流場分布特征及邊界水位條件，反演得到各類巖體與斷層的滲透參數(shù)。

另結(jié)合工程經(jīng)驗給出基礎(chǔ)防滲帷幕、排水孔幕、抗力體排水孔幕以及壩體混凝土的滲透系數(shù)。防滲帷幕滲透系數(shù)取1Lu。有限元模擬時根據(jù)流量等效的原則，針對排水孔在滲透系數(shù)不同的巖體分區(qū)位置和孔距孔徑等效選取。排水孔幕計算模擬：采用流量等效原則，針對本文的巖層滲透系數(shù)和排水孔孔距孔徑等效選取。壩體混凝土抗?jié)B等級一般取W8級，即滲透系數(shù)約1.8×10-6m/d。具體計算參數(shù)取值見表1。

3.4 運行期三維滲流場分析

為分析運行期近壩區(qū)域三維滲流場，提取不同高程截面的壓力水頭等值線云圖，高程分別取為：860m、840m、820m、800m、780m、760m、750m、740m、730m、720m、713m。順河向剖面選取以下位置：左岸壩肩處，左岸1/4拱圈處，拱冠梁處，右岸1/4拱圈處，右岸壩肩處。圖3為713m高程處(其他高程規(guī)律一致)的壓力水頭等值線云圖。圖4為拱冠梁剖面處的壓力水頭等值線云圖。圖5為建基面713m高程(其他高程規(guī)律一致)拱冠梁底部壓力水頭沿順河向分布圖。表2為建基面上不同高程帷幕前后壓力水頭折減系數(shù)對比表。

表1 三維滲流計算參數(shù)取值

圖3 高程713m截面壓力水頭等值線云圖

圖4 拱冠梁處壓力水頭等值線云圖

圖5 建基面713m高程拱冠梁底部壓力水頭沿順河向分布

計算結(jié)果表明：

(1)采取目前設(shè)計的滲控方案，建基面各高程帷幕前后滲壓折減系數(shù)的最大值為0.23，小于規(guī)范要求的0.25，壩基滲透壓力得到了很好的控制。

(2)壩基集水井滲流量3048m3，其中，左岸1335m3、右岸1713m3。

(3)下游壩基抗力體高高程(762m高程以上)大部分為干燥區(qū)，說明防滲帷幕和排水孔幕聯(lián)合作用起到了較好的防滲效果。

4 右岸壩基帷幕長度敏感性分析及優(yōu)化研究

4.1 右岸帷幕長度取200m

計算方法及斷面截取原則同上。

計算結(jié)果表明，右岸帷幕長度取200m近壩區(qū)的滲流場分布與右岸帷幕長度取300m近壩區(qū)的滲流場分布基本一致，右岸帷幕長度對建基面附近壩基滲壓的影響較小。但是，右岸帷幕長度對岸坡遠(yuǎn)處繞壩滲流有所影響，右岸帷幕長度由300m縮短至200m后，繞壩滲流的滲徑縮短，遠(yuǎn)處山體內(nèi)帷幕后的地下水位線抬高。

4.2 右岸帷幕長度取400m

計算方法及斷面截取原則同上。

計算結(jié)果表明，右岸帷幕長度取400m近壩區(qū)的滲流場分布與右岸帷幕長度取200、300m近壩區(qū)滲流場分布基本一致，帷幕深度對建基面附近壩基滲壓的影響較小。但右岸帷幕長度對岸坡遠(yuǎn)處繞壩滲流有所影響，右岸帷幕長度增加后繞壩滲流的滲徑增長，遠(yuǎn)處山體內(nèi)帷幕后的地下水位線有所降低，但岸坡以里遠(yuǎn)處的地下水位線降低幅度很小。

4.3 不同帷幕長度的比選

為分析不同帷幕長度對壩基滲流場的影響，提取建基面713m、720m、730m高程處壓力水頭沿順河向分布圖，可以看出，帷幕向岸里延伸長度對壩基滲壓影響很小。圖6為不同帷幕長度下建基面713m高程拱冠梁處壓力水頭沿順河向分布圖(其他高程規(guī)律一致)。

圖6 建基面713m高程拱冠梁處壓力水頭沿順河向分布

為了分析不同帷幕長度對右壩肩滲流場的影響，在右壩肩處截取6個剖面進(jìn)行分析，分別為距右拱端3m、50m、150m、250m、350m、450m處不同帷幕長度順河向剖面的壓力水頭等值線云圖?？梢钥闯?，帷幕長度對拱壩近壩區(qū)滲流場的分布影響很小，但帷幕長度對岸坡遠(yuǎn)處繞壩滲流有所影響，帷幕長度越長，繞壩滲徑越長，繞壩滲流量越小，遠(yuǎn)處山體內(nèi)帷幕后的地下水位線有所降低。圖7分別為距右拱端150m處(其他部位規(guī)律一致)不同帷幕長度順河向剖面的壓力水頭等值線云圖。

另外，為了分析不同帷幕長度對岸坡抗力體滲流場的影響，在右岸下游抗力體處截取橫河向剖面，分別給出了不同帷幕長度情況下右岸抗力體橫河向剖面滲流場分布，如圖8所示。可以看出，帷幕長度200m、300m、400m三種情況下右岸抗力體滲流場分布基本一致，抗力體水位線最高高程基本都為762m，762m以上抗力體基本為干燥狀態(tài)。當(dāng)帷幕長度減至100m、50m時，抗力體水位線有所抬升。

綜上所述，建議右岸壩基帷幕長度優(yōu)化后取200m。

圖7 距右拱端150m處不同帷幕長度順河向剖面的壓力水頭等值線云圖

5 下游抗力體排水洞布置優(yōu)化研究

在距拱壩左右壩肩不同深度截取沿上下游方向的典型剖面，分別計算下游抗力體布置一道排水洞和兩道排水洞情況下壩基抗力體的滲流場，通過對比分析兩種情況下壩基抗力體的滲壓分布和地下水位，對下游抗力體排水洞的布置進(jìn)行優(yōu)化研究(見圖9)。

圖8 不同帷幕長度情況下右岸抗力體橫河向剖面滲流場分布

圖9 不同排水洞數(shù)量右岸抗力體橫河向剖面滲流場分布

計算結(jié)果表明，設(shè)置排水洞的數(shù)量對庫區(qū)整體滲流場的分布、壩基滲壓影響較小，但對抗力體的滲流場分布有所影響，設(shè)置兩道排水洞時，右岸抗力體的地下水位線最高高程為762m，當(dāng)排水洞水量減少為一道時，抗力體的地下水位線有所抬高，水位線最高高程為772m。

因此，在能夠滿足壩肩穩(wěn)定的前提下，可將兩道排水洞減為一道排水洞。

6 壩基帷幕深度優(yōu)化研究

根據(jù)第4節(jié)結(jié)論所述，右岸壩基帷幕長度宜取200m，在此前提下，取壩基向下延伸深度減少50m和壩基向下延伸深度不變時兩張工況，對計算結(jié)果進(jìn)行對比。圖10為建基面713m高程壓力水頭沿順河向分布對比圖，表3為壩基向下延伸深度減少50m情況下建基面上不同高程帷幕前后壓力水頭折減系數(shù)表?？梢钥闯觯∧幌驂位由焐疃葴p少50m對壩基滲壓影響并不大。

圖10 建基面713m高程拱冠梁底部壓力水頭沿順河向分布對比圖

建基面上的位置帷幕前壓力水頭/m帷幕后壓力水頭/m折減系數(shù)左岸800m高程73.0711.690.15左岸780m高程89.768.490.09左岸760m高程99.9516.450.14左岸750m高程109.6415.020.12左岸740m高程119.1115.770.12左岸730m高程139.645.30.04左岸720m高程149.9712.150.09左岸713m高程157.5654.890.22拱冠梁底部158.8356.530.23右岸800m高程65.818.160.11右岸780m高程62.9314.330.15右岸760m高程109.387.20.06右岸750m高程118.957.860.06右岸740m高程128.638.050.06右岸730m高程139.498.940.01右岸720m高程150.2227.770.07右岸713m高程157.2955.60.22

7 小結(jié)

文章基于拱壩—地基三維滲流場計算精細(xì)模型，模擬了大斷層破碎帶、強透水性巖脈和主裂隙結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)構(gòu)造和排水孔幕等滲控措施，進(jìn)行了三維滲流場計算分析，對初始滲控設(shè)計方案進(jìn)行了分析研究，重點分析了右岸壩基帷幕深度、下游抗力體排水洞數(shù)量對壩基滲流場的影響。結(jié)論如下：

(1)采取目前設(shè)計的滲控方案，建基面各高程帷幕前后滲壓折減系數(shù)的最大值為0.23，小于規(guī)范要求的0.25，壩基滲透壓力得到了很好的控制。壩基集水井滲流量3048m3，其中，左岸1335m3，右岸1713m3。下游壩基抗力體高高程(762m高程以上)大部分為干燥區(qū)，說明防滲帷幕和排水孔幕聯(lián)合作用起到了較好的防滲效果。

(2)分別取右岸帷幕長度50、100、200、300、400m進(jìn)行計算分析，分析結(jié)果表明，帷幕向岸里延伸長度對壩基滲壓影響很小，但帷幕長度對岸坡遠(yuǎn)處繞壩滲流有所影響，帷幕長度越長，繞壩滲徑越長，繞壩滲流量越小，遠(yuǎn)處山體內(nèi)帷幕后的地下水位線有所降低。此外，右岸帷幕長度200、300、400m三種情況下右岸抗力體滲流場分布基本一致，右岸壩基帷幕長度最終取200m。

(3)設(shè)置排水洞的數(shù)量對庫區(qū)整體滲流場的分布、壩基滲壓影響較小，但對抗力體的滲流場分布有所影響，設(shè)置兩道排水洞時，右岸抗力體的地下水位線最高高程為762m，當(dāng)排水洞水量減少為一道時，抗力體的地下水位線有所抬高，水位線最高高程為772m。因此，參照左右岸壩肩抗滑穩(wěn)定計算情況對抗力體排水洞進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化為一橫一縱排水孔幕。

(4)帷幕向壩基垂直延伸深度減少50m時，單從計算結(jié)果來看，對壩基滲壓影響并不大及庫區(qū)整體滲流場分布影響不大，后期亦可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況進(jìn)一步優(yōu)化。