某水电站河床坝基覆盖层渗透稳定性研究

王志红，任光明，赵海营，刘艳领

某水电站河床坝基覆盖层渗透稳定性研究

王志红1，任光明1，赵海营2，刘艳领2

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.中国水电顾问集团 西北勘测设计研究院，兰州 730050）

根据某水电站河床坝基覆盖层的工程地质特性和水文地质特点，通过现场和室内试验获得水文地质参数，初步判定渗透变形类型。再基于水文地质参数和渗流理论，建立坝基覆盖层的三维数值计算模型，得到渗流场和水力梯度特征，进而分析不同工况下库水通过覆盖层的渗漏量。在此基础上，通过分析不同工况下水力坡降的模拟计算结果，评价了坝基的渗透稳定性问题，与初判的结果进行比对，得出最终结论，为大坝的防渗处理提供合理依据。

覆盖层；渗漏量；渗透稳定性；水文地质模型；水力坡降

1 工程概况

某水电站位于青海省文县口头乡境内，正常蓄水位下库容2.68亿m3，最大坝高111 m，总装机容量240 MW（3×80 MW），保证出力42 MW，设计年发电量9.07亿kW·h。初拟坝型为面板堆石坝。

勘探资料表明，该水电站覆盖层较深厚，最厚达到48.3 m，其物质组成以粗颗粒为主，渗透系数较大；在大坝建成后，坝基覆盖层的渗漏问题比较突出，因此有必要分析覆盖层的空间分布特征及在推荐坝型下水库蓄水后不同工况的渗漏量，从而评价坝基的渗透稳定性，最终为大坝防渗处理提供依据。

2 覆盖层的工程地质特性［1］

2.1 空间分布特征

钻孔揭示坝址区河床覆盖层厚度变化较大，最厚可达48.3 m，一般厚度在30.11～42.40 m之间。坝基覆盖层在河床不同部位分布不均匀（见图1），并且在部分地段呈不连续分布特征，总体上形成了左岸基覆界线较缓、右岸基覆界线较陡的不对称“V”字形。坝址区覆盖层自下而上可分为3层，各岩组覆盖层特征如下。

（1）上部含块碎石砂卵砾石岩组（Q4al－3），以砂卵砾石夹块石、碎石为主，局部有泥质集中现象，偶见孤石。主要分布在坝址河床侧岸及坝址各冲沟左岸河床边河漫滩处，平均厚度13.5 m。河床右岸较厚，向中间变薄。

（2）中部砂卵砾石岩组（Q4al－2），以砂卵砾石为主，其中充填有砂层，砂层在不同地段和高程呈透镜状不连续分布。分布于河床各部位，在河床右岸岸边及河床分布较多。该层可进一步分为3个小层：①卵砾石层，以卵砾石为主要组成成分，基本不含砂壤土和块碎石；②冲积含卵砾石中细砂层，分布最大厚度0.4 m，在河床不同部位呈透镜状不连续分布；③砂壤土质卵砾石层，最大厚度8.47 m，主要成分为变质凝灰岩卵砾石。

（3）底部含块碎石砂卵砾石岩组（Q4al－1），以砂卵砾石为主，夹部分块碎石及砂壤土，在河床各部位分布不连续，主要分布在心墙轴线下游河心及河床侧岸。

图1 河床坝基覆盖层分布图Fig.1 Distribution of overburden layer on the riverbed dam foundation

2.2 粒度成分及物理性质

通过钻孔取样和坝基开挖面坑槽取样进行室内试验，颗粒组成和级配特征指标统计结果分别见表1和表2。

表1 各岩组颗粒组成综合结果统计表Table 1 Grain composition of different rock strata

表2 各岩组颗粒级配特征指标统计表Table 2 Particle gradation characteristic indexes of different rock strata

综合表1和表2的统计结果可以看出，河床覆盖层各岩组的颗粒级配不良，根据土的分类属含细粒土砾（GF）。不均匀系数为239.23～322.70，为不均匀土。

此外，利用动探试验和在坝基开挖面坑槽中采用置换法获得了3岩组各自的干密度等物理指标，综合结果见表3。

表3 各岩组物理指标综合表Table 3 Physical indexes of different rock strata

从表3中可以看出，3岩组的干密度接近，密实程度总体为密实。

3 覆盖层的渗透特性

进行钻孔压水试验、试坑渗透试验以及室内渗透试验，获取了各岩组水文地质参数。由试验结果可知，坝址覆盖层粗粒土渗透系数大，为0.024 7～0.048 4 cm／s，属于强透水。

3.1 渗透变形类型的判别［2］

根据河床覆盖层级配特征、粒度成分和相关物理指标的判定，河床覆盖层各岩组的颗粒级配不良，不均匀系数为239.23～322.70，为不均匀土，细粒含量为 27.34% ～31.11%，孔 隙 率 为 25.93% ～30.07%。按照《水利水电工程地质勘察规范》［3］中推荐的判别方法，判定该水电站河床覆盖层的渗透变形类型为管涌。

3.2 允许坡降的确定

在渗流作用下是否产生渗透破坏，主要取决于松散层的抗渗强度，具体以临界坡降为标准。临界坡降是土体中的细粒随着渗流的加剧由静止转化为运动状态时的水力坡降，该值由计算确定。当地下水的渗透坡降大于土体临界坡降时，则产生渗透破坏，否则，松散层岸坡将处于渗流稳定状态［4］。

对河床坝基覆盖层的临界水力坡降进行了室内试验，平均值为0.61，破坏坡降平均值为1.18，允许水力坡降为0.15。

4 渗漏量三维数值模拟分析［5］

4.1 水文地质模型

根据坝址轴线布置、河流走向及地层岩性分布，本次模拟区河流呈东西向展布，北、南向渗透介质延伸较远，顶部截面高程为970 m，底部边界取在550 m高程，模拟区地形状况见图2。

图2 三维数值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

模拟时对研究区水文地质条件概化如下：第四系地层覆盖在基岩之上，其中以河床覆盖层为主。区内出露的基岩为变质凝灰岩，基覆界面下存在层厚15～20 m的强风化带和层厚10～15 m的弱风化带，这与上述河流冲积砂砾石共同组成了本区的渗透介质。

在水库正常蓄水位（800 m）情况下，在大坝下游，即模拟区东部为天然河水位的定水头边界（图3中蓝色部分），大坝上游的库河为水头值等于800 m的定水头边界（红色部分），模拟区以南、以北及底部为通用流入流出边界，顶部边界为潜水面边界［6，7］。

4.2 网格剖分及水文地质参数

由于研究区岩层渗透性能变化较大，故在网格剖分时较为细致。

图3 地下水渗流模拟边界概化Fig.3 Generalized boundary of groundwater seepage simulation

图4 模型的三维网格剖分图Fig.4 3-D grid partition of the model

三维方向上均采用间距为10 m的方格进行剖分，在坝轴线附近采用5 m的方格进行加密，其中东西方向上共剖分97列；南北方向上共剖分86行；在垂直方向上，550～970 m高程共剖分6层（见图4）。模拟中所涉及的参数主要为各岩层的渗透系数、降雨量（降雨强度）即降水入渗补给系数、蒸发量等几个指标。其中各层渗透系数是通过试坑渗透试验和钻孔压水试验而获得，降雨量、蒸发量等主要依据区域水文地质资料。

4.3 模拟工况

渗流计算中需考虑电站运行中可能出现的各种不利条件，分别计算下列几种工况：①建坝前天然水位；②建坝后无趾板条件下上游正常蓄水位与下游天然水位；③建坝后有趾板条件下上游正常蓄水位与下游天然水位。

4.4 模拟结果分析

工况①的计算结果在一定程度上校验该模型的合理性，而工况②和工况③的计算结果为接下来的分析提供依据（计算结果见表4）。

表4 不同工况下水库渗漏量Table 4 Reservoir leakage amount under different conditions（unit in m3／d）

模拟结果表明，由于覆盖层的高渗透性，蓄水后在无趾板条件下，部分库水将通过坝基覆盖层发生绕坝渗漏，这3层的渗漏量占总渗漏量的97.03%，而在有趾板条件下，整个水库每天总的渗漏量仅为53.127 m3。

对比分析这2种工况可以明显地看出，趾板对于阻止库水的渗漏起了十分关键的作用。这是由于趾板的渗透系数极小，且其嵌深是在坝基以下强风化层的底部。在这种情况下，被趾板所阻隔的大坝底部的覆盖层和强风化层也几乎不漏水。而从无趾板情况下分析已经知道，水库的渗漏主要是由覆盖层导致的，在将覆盖层与库水位隔开以后，水库的渗漏量自然也就会相应地减少很多。

5 坝基覆盖层的渗透稳定性评价

图5 地下水坡降计算剖面位置Fig.5 Computing profile of groundwater gradient

根据对上述模拟的渗漏量结果进行分析，在无趾板条件下，坝基覆盖层可能发生渗流，进而产生渗透变形，因此需要对其进行稳定性分析研究。受限于本次模型的建立方向，在本次模拟计算工作中，选取顺河向的剖面（图5中红色线）来计算水头差和坡降，在无趾板和有趾板2种情况下的地下水坡降和渗透稳定性计算结果见表5和表6。

表5 无趾板条件下模拟计算结果Table 5 Results of simulation without toe slab

根据三维数值模拟结果，在无趾板的条件下，坡降范围从0到0.21不等，其中在坝基下部出现了高坡降区域，这是由于蓄水后坝前和坝后水位相差较大造成的。该区域顺河向长度为210 m，坡降均大于0.15，因而坝基砂卵砾石层将会出现渗透变形问题。

表6 有趾板条件下模拟计算结果Table 6 Results of simulation with toe slab

而在加设趾板后，由于趾板的挡水作用，坡降均小于0.15，坝基砂卵砾石层不会出现渗透稳定性问题。

6 结 语

（1）该水电站坝基覆盖层主要由卵砾石、碎石、砂壤土等组成，这是库水渗漏的主要通道，也是闸坝可能发生渗透变形的主要区域。

（2）三维渗流场数值计算结果显示：在无趾板条件下，库水通过坝基覆盖层的稳定渗漏量约为15 929.617 m3／d，覆盖层将出现渗透变形问题；而在有趾板条件下，渗漏量仅为53.127 m3／d，且不会出现渗透稳定性问题。表明加设趾板可以大部分截断坝基中的集中渗漏，对于避免坝基覆盖层各层发生渗透破坏、减小坝基渗漏量均有重要作用。

（3）利用试验数据，按照规范判定的覆盖层渗透变形特征与三维水力坡降数值计算结果较为一致，即在无趾板条件下，坝基会出现渗透稳定性问题。

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Seepage Stability Analysis for the Overburden Layer of Dam Foundation at a Hydropower Station

WANG Zhi-hong1，REN Guang-ming1，ZHAO Hai-ying2，LIU Yan-ling2
（1.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention and Geological Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Northwest Investigation Design and Research Institute，Gansu 730050，China）

The seepage stability of the overburden layer of a dam foundation is studied in this paper to provide basis for seepage control for the dam.Firstly，according to the geologic and hydrogeologic characteristics of the dam foundation overburden layer，the seepage deformation type is preliminarily estimated based on hydrogeological parameters obtained from site and indoor tests.A 3-D numerical model of the overburden layer is subsequently built to get the characteristics of seepage field and hydraulic gradient based on the above parameters and seepage theory so as to analyze the leakage amount of reservoir water permeating through the overburden layer under different operation conditions.In view of the above study，the simulation results of hydraulic gradient under different conditions are analyzed to assess the seepage stability of the dam foundation，which is further compared with the preliminary estimate so that the final conclusion can be derived.

overburden layer；leakage amount；seepage stability；hydro-geologic model；hydraulic gradient

TV233.6

A

1001－5485（2011）06－0045－05

2010-07-12

王志红（1986-），女，山东威海人，硕士研究生，主要从事地质灾害评价与预测研究，（电话）13547867393（电子信箱）wzhh－000＠163.com。

（编辑：周晓雁）