锦屏二级水电站防渗墙后止水缝失效渗流计算

李连侠，刘 达，廖华胜，袁 明

1 概 述

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁3县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上，系雅砻江梯级开发中的骨干水电站之一，上游为具有年调节能力的锦屏一级水电站。锦屏二级水电站开发方式以锦屏一级先上、二级继上、接续开发为基本原则。锦屏二级水电站利用雅砻江150 km长的大河湾天然落差，截弯取直，开挖隧洞引水发电。首部设低闸，距离锦屏一级坝址7．5km。闸址以上流域面积10．3万 km2，多年平均流量1 220 m3／s，电站最大水头321 m。水库正常蓄水位1 646．0 m，死水位1 640．0 m，日调节库容为496万m3。引水隧洞为4洞8机，单机容量600 MW，电站总装机容量4 800 MW。

工程枢纽主要由首部低闸、引水系统和尾部地下厂房3大部分组成（设计河段的工程布置见图1），为低闸、长隧洞、大容量引水式电站。首部枢纽考虑采用分离式布置方案，拦河闸位于西雅砻江的猫猫滩，电站进水口位于闸址上游2．9 km处的景峰桥。首部拦河闸枢纽主要由泄洪闸和两岸重力式挡水坝段建筑物组成，全长160 m。泄洪闸段长100 m，最大闸高34 m，共设5孔开敞式泄洪闸，每孔净宽13 m，闸顶高程1 654 m，堰顶高程1 626 m。闸室沿河流向长47 m，底板厚6 m。闸室上游设长30m的防渗铺盖，下游设60 m长的护坦，护坦后接100 m长的块石海漫防护。拦河闸基础防渗采用上游铺盖面板下设全封闭式混凝土防渗墙，两岸接头绕坝防渗采用水泥帷幕灌浆。

图1 锦屏二级水电站首部枢纽平面布置图Fig．1 Layout of Jinping 2nd Stage Hydraupower Station

许多学者针对面板堆石坝面板止水及施工沉降缝止水等失效时情况的渗流特性进行了研究［1－4］，但对防渗墙后止水失效对渗流场的影响模拟计算较少。本工程防渗墙后的闸室底板段与其前端水平铺盖之间设有一结构缝，由于该缝设于防渗墙后，其止水失效时，将会改变基础渗流场和渗透稳定的特性，可能造成渗透破坏，因此，应对止水片失效所引起的各种效应进行研究，包括渗流稳定、渗流量和渗透压力等，为采取相应工程措施提供技术依据。

2 研究内容及力学参数

对于一般的渗流问题，理论上应该按三维计算，但由于上下游水位差驱动的渗流大多呈较强的二维特性，除坝肩附近区域可能具有较强的横向流动外，闸坝区域是可以近似按二维渗流考虑的。因此，本次闸坝段基础渗流计算选取了2个典型剖面进行二维立面计算，见图2和图3。计算中该坝段基础覆盖层和基岩的渗透系数根据试验建议值选取，其余均参照已建或已设计工程取值，计算所采用参数见表1。

图2 闸坝基础渗流计算典型剖面（1－1剖面）Fig．2 Cross section 1－1 for seepage simulation

本次计算假定止水缝止水失效而成缝宽度约为10 cm，成缝类型按空缝和缝中淤泥自填且假定其渗透为10－3cm／s 2种工况进行模拟计算。

表1 闸坝段渗流计算参数表Table 1 Seepage parameters for the dam section

3 渗流计算模型简介

渗流计算采用获美国国家自然科学基金精品奖的 IGW（Interactive GroundWater）软件［5］，该软件代表了目前能进行地下水互动、实时、可视化分析和监测等最先进的综合性随机模拟系统。该模拟系统可进行各向异性介质中地下水水流流场及非均匀流场污染物运移的模拟计算，目前在多所大学的教学和工程地下水计算中得到广泛应用［6］，现已发展到三维版本。

4 计算结果分析

对选定的2个典型剖面在3种防渗方案下进行了渗流量、水头场、渗流场及渗透坡降等计算。计算时，底部基岩部分以下约20 m处及地下轮廓按不透水边界处理，上游下游及其余边界按第一类边界条件，库水位和下游水位按1 648 m和1 625 m进行计算。下面主要以剖面1的渗流计算结果为例进行分析。

4．1 渗流量

图3 闸坝基础渗流计算典型剖面（2－2剖面）Fig．3 Cross section 2－2 for seepage simulation

止水缝成10cm空缝状况与止水正常时的防渗方案1相比（见表2），渗流量剧增，增幅达到50倍左右，总渗流量达33 330 m3／d左右；当止水缝成淤泥自填型时，由于缝内渗透系数（K＝10－3cm／s）仍大于基础覆盖层渗透系数，其集中渗流现象基本消除，总渗流量进一步下降，比止水不失效时稍大。

表2 止水失效与否及其止水程度不同计算的渗流量结果Table 2 Seepage discharges under different seepage control conditions

表3为该2工况下，从防渗墙前渗漏和从止水缝处渗漏的分流情况。可见，空缝时，绝大部分渗漏发生在接缝处；接缝淤积堵塞时，则渗漏从防渗墙下通过，渗流量剧降。

由此说明，只要止水缝自填介质的渗透系数不小于10－3cm／s，则不会对渗流量产生明显影响，但止水缝成空缝时，则渗流量剧增非常明显。

4．2 渗流场及水头分布

由图4所示的止水失效工况下渗流场及水头等值线图可见：止水失效接缝成空缝时，水流从缝中呈辐射状进入基础覆盖层，接缝附近等值线呈圆弧状，说明水头扩散均匀，其影响半径约为5 m左右范围；此后防渗墙后与止水缝之间有一水头高程约为1 642 m的高水头区，缝后至第一排水点之间，水头由1 642 m呈近似均匀地降至下游水位的1 623 m左右；防渗墙已基本丧失其降落水头的作用，缝下覆盖层成为最易发生渗透破坏之处，出逸点渗流速度也较大。

表3 止水失效从防渗墙和接缝处渗漏的单宽渗流量计算结果Table 3 Seepage discharges through cut－off wall and water seal

图5为止水缝成空缝后，地下轮廓线扬压力分布图，图中也将止水正常工况的结果绘于其中。由图5可见：防渗墙处降低水头的作用明显减弱，缝处压力回升，闸室段与第一排点前的底板扬压力增大，若护坦段底板不设排水设施，则护坦前端约10×9．8 kPa压力，将由护坦段承担，对护坦抗浮和抗滑安全构成威胁。因此，建议护坦段设置排水设施为宜。

图6为止水失效但缝中淤泥自填且其K＝10－3cm／s时的渗流场及其水头等值线图。由图可见，缝中仍有渗漏，但由于其渗透系数比覆盖层的要小，其渗透作用明显减弱，流场和水头分布特征与止水正常工况基本一致。

4．3 渗透坡降

图7，图8为2种止水失效工况下渗透坡降场，表4为典型位置处渗透坡降值。

图4 止水失效接缝为空缝典型剖面1－1渗流场及水头等值线图Fig．4 Head contours of cross section 1－1 under the condition of water seal failure

由图及表可见，止水缝止水失效成空缝时，渗透坡降在缝下、出逸边界和防渗墙下较大。由表可见，缝下Ⅲ －2Q4al＋col层的最大渗透坡降达到6．5，大大超过了其允许坡降值的0．1，该处将发生渗透破坏；出逸处最大渗透坡降达0．71，亦超过了该处的允许渗透坡降值。

由此可见，止水失效成空缝时，将会产生严重的渗透破坏，危及闸坝安全，应对防渗墙后止水措施和工艺加以重视。

接缝被淤泥自填工况下，各处坡降与止水正常情况下的接近。

表4 止水失效与否及其止水程度不同计算的典型位置处渗透坡降值Table 4 Hydraulic gradients at typical positions with the different seepage controls

图5 止水失效成空缝时剖面1－1地下轮廓压力沿程分布Fig．5 Uplift pressure distribution at cross section 1－1 under the condition of water seal failure

图6 止水失效接缝为淤泥自填缝典型剖面1－1接缝附近渗流场及水头等值线图Fig．6 Head contours of cross section 1－1 under the condition of water seal fracture filled by silts

图7 止水失效接缝为空缝典型剖面1－1接缝渗透坡降场Fig．7 Hydraulic gradient distribution of cross section 1－1 under the condition of water seal fracture

图8 止水失效接缝为淤泥自填缝典型剖面1－1接缝渗透坡降场Fig．8 Hydraulic gradient distribution of cross section 1－1 under the condition of water seal filled with silts

5 结 论

本工程防渗方案在防渗墙后止水缝止水作用丧失时，防渗墙便会失去作用，护坦段扬压力会增高，因此，建议仍于护坦段布置排水措施；止水失效成空缝时，渗流量剧增，基础将会发生渗透破坏，应对防渗墙后止水措施和工艺加以重视，止水缝处加设渗透系数小的淤填介质如粉煤灰等；止水失效但接缝被渗透系数为10－3cm／s量级的淤泥填淤时，渗流量、渗流场及渗透坡降场与止水正常情况相近。

［1］ 陈军强，蔡新合，党发宁．混凝土面板堆石坝垂直缝止水失效后的集中渗流场分析［J］．西北水电，2009，（1）：16－20．

［2］ 张秀婷，张 波，魏智刚．袁家河排蓄枢纽涵洞工程沉陷缝止水失效处理［J］．海河水利，2001，（z1）：47－50．

［3］ 张 嘎，张建民，洪 镝．面板堆石坝面板出现裂缝工况下的渗流分析［J］．水利学报，2005，36（4）：420－425．

［4］ 晓 强，廷 浩，爱 兆．面板坝垂直缝失效渗流场有限元模拟［J］．水利科技与经济，2006，12（12）：801－802，809．

［5］ LI Shu－guang，LIU Qun．Interactive Ground Water（IGW）［J］．Environmental modelling＆Software，2006，21：417－418．

［6］ 廖华胜，高明军，李连侠．沙湾水站左岸坝肩“地窗式”防渗方案优化计算与分析［J］．四川大学学报（工程科学版），2005，37（4）：1－6．