黄河源水电站工程大坝渗流安全分析

孙玮玮，庄德利，张士辰，郑昊尧

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

1 工程概况

黄河源水电站位于青海省果洛藏族自治州玛多县境内，为一座坝后式电站［1－2］.大坝建在鄂陵湖口下游17 km处的黄河干流上，距玛多县城40 km，距省会西宁市540 km.建设该电站的目的是为了解决青海省唯一无电县——玛多县的用电问题.工程于1998年4月开工兴建，2001年11月下闸蓄水，2001年12月28日实现单台机组试发电，2005年11月初步竣工验收，2006年7月竣工验收并投入正式运行.

黄河源水电站枢纽工程由大坝、溢洪道、导流发电管、厂房和升压站等组成.水库总库容25.01亿m3，正常发电库容15.21亿m3，电站装机容量为2×1 250 kW，是一座具有巨大调蓄功能的多年调节水库.水库校核洪水位4 271.61 m，设计洪水位 4 271.05 m，正常蓄水位 4 270.15 m，死水位 4 267.78 m，最低发电水位4 267.78 m.

大坝为黏土心墙砂砾石坝，最大坝高18.0 m，坝顶长1 521.63 m，坝顶高程4 273.00 m，坝顶宽5.0 m，坝顶采用碎石路面.坝体上游坝坡1∶3.0，在4 265.00 m高程处设宽1.5 m马道.下游坝坡1∶2.0，无护坡及排水系统，在4 257.60 m高程处设4.0 m宽的马道作为进场公路，下游坝脚设褥垫式排水体和排水沟.坝体防渗体为黏土心墙.心墙顶高程4 271.61 m，顶宽2 m，底宽6 m，上、下游坡比均为1∶0.15.

坝基右坝段约70 m为砂质板岩，基岩风化严重，且有断层，层理十分发育;其余坝段均为砂砾石层.针对该地质情况，坝基防渗体在0+030～0+100段采用垂直防渗墙，在0+100以左采用水平铺盖防渗墙，在0+100.3处垂直坝轴线向库内设置垂直防渗墙将水平防渗和垂直防渗连接起来，顺坝轴线和垂直坝轴线垂直防渗墙呈“L”型分布，“L”型垂直防渗墙采用底部现浇混凝土齿墙外填黏土防渗墙形式.由于垂直截水墙下基岩破碎，透水性强，所以进行了帷幕灌浆处理，灌浆孔深40.0～46.5 m;孔顶采用压浆板取代原设计固结灌浆.

鉴于黄河源水电站存在的严重渗漏问题，并且缺乏可靠的观测资料数据，因此根据其工程地质状况结合现场检查情况对大坝存在问题的坝段进行渗流计算分析.

2 渗流分析

2.1 现场检查情况

根据现场检查情况［3］，大坝渗漏主要表现在以下几个方面:

(1)下游排水沟内常年渗水，渗出明流汇至中部坝段约0+240断面并排向下游，运行中沟内水面随库水位升降而升降.从沟内渗漏量看，左坝段渗漏量明显大于右坝段.

(2)中间坝段大坝下游紧邻排水沟上游侧平台局部存在坝面渗水现象，其中在0+140～0+200断面之间平台上常年存在渗漏，渗漏处可见绿色水生植被，其余坝段虽未见坝面渗水，但简易挖坑即有水渗出.

(3)坝后地面积水严重，整个下游绿色植被生长茂盛.一方面坝后基础渗漏严重，在距离坝脚10～100 m、整个河床(不含左右坝段下游地势较高部位)范围内多处分散分布有长期冒水点，冒水现象大小不均，大者如小泉眼似管涌破坏点，冒水点所在水坑内绿色水草繁茂;另一方面，坝脚处排水沟内渗流汇集于最大坝高断面附近后，流向下游地面.

(4)右坝肩0+140断面附近排水沟内，邻近厂房存在一股较集中的渗漏.

(5)左、右侧坝段排水沟中有黏土淤积，可能来于坝内，尤其是左坝段.

2.2 计算方法及参数

渗流计算运用有限元方法进行平面渗流计算，采用南京水利科学研究院研制开发的UNSST2二维渗流分析软件［4－6］进行计算.综合大坝防渗形式和地勘情况，计算断面选取右坝段垂直防渗段的0+095断面和中间坝段水平防渗段的0+210断面(最大坝高断面)作为渗流有限元计算分析的典型断面.计算断面见图1.渗透系数根据地质勘探资料并结合土粒特性［7－8］取值及计算工况对应水位见表1.

图1 大坝典型横断面Fig.1 The typical cross-sections of dam

表1 渗流场各区渗透系数及计算工况对应水位Tab.1 The seepage penetration coefficients in various districts and seepage conditions

2.3 计算结果及分析

2.3.1 0+095断面 0+095断面各特征水位下的计算渗流场分布见图2，关键部位的渗透比降见表2.

图2 0+095断面3个特征水位下渗流有限元计算流网Fig.2 The calculation flow net of seepage finite element at 0+095 section under three characteristic water levels

表2 0+095断面在3个特征水位下关键部位渗流要素Tab.2 The seepage elements of key parts at 0+095 section under three characteristic water levels

由图2渗流位势分布可知，心墙及坝基帷幕灌浆完好条件下，心墙内可消杀约80%的水头，相应墙后剩余位势不足20%，坝基帷幕灌浆内可消杀约50%的水头，帷幕后剩余位势约50%，说明心墙所起防渗作用明显，但帷幕防渗作用相对有限.

由表2计算结果可知，心墙内部水平坡降为5.934，按一般工程经验和规范推荐值，黏土允许渗透坡降为5～10，且心墙下游设有合格的反滤保护，心墙内渗透稳定性满足安全要求;心墙与坝基接触处水平坡降、坝脚地面处垂直坡降值分别0.147～0.171和0.141～0.162，若坝基按砂质板岩考虑，其渗透稳定性应能满足安全要求.由于坝基表层岩性由右坝段砂质板岩向河床坝段渐变为砂砾石层，两种岩性允许渗透坡降不同，砂砾石层允许渗透坡降为［J］=0.12，应小于砂质板岩允许渗透坡降，鉴于土坝渗流的三维特性，0+095左侧临近砂砾石坝基断面应与0+095断面渗流相近，则正常蓄水位时，砂砾石坝基坝脚处垂直坡降约达0.141，已大于砂砾石层允许坡降［J］=0.12，渗透稳定性不能满足安全要求.从现场情况看，坝后靠右坝段附近的河床段基础表层存在多处管涌点，表明该部位确实存在渗透破坏，与计算结果相符.

2.3.2 0+210断面 0+210断面各特征水位下的计算渗流场分布见图3，关键部位的渗透比降见表3.由图3位势分布可知，心墙与水平铺盖完好条件下，心墙内可消杀约80%的水头，墙后剩余位势不足20%，说明心墙所起防渗作用明显.由表3计算成果可知，心墙内部水平坡降为2.228，黏土允许渗透坡降为5～10，该结果远小于允许值，心墙内渗透稳定性满足规范要求;心墙与坝基接触处水平坡降、坝脚地面处垂直坡降最大值分别0.112和0.006，均小于允许坡降0.12，其渗透稳定性能够满足规范要求.

图3 0+210断面3个特征水位下渗流有限元计算流网Fig.3 The calculation flow net of seepage finite element at 0+210 section under three characteristic water levels

表3 0+210断面3个特征水位下关键部位渗流要素Tab.3 The seepage elements of key parts at 0+210 section under three characteristic water levels

事实上，该水电站大坝采取水平防渗和垂直防渗相结合的防渗方式，在两种防渗方式连接部位(即0+100.3断面处)存在防渗缺陷，0+100.3断面左侧水平铺盖从坝轴线垂直向库内延伸110 m(坝脚以外再延伸近60 m)，而0+100.3断面处的垂直防渗体(截水墙+帷幕灌浆)从坝轴线垂直向库内仅延伸52.5 m(基本全部处于上游坝坡以下)，考虑到右坝段基岩渗透性偏大，接头部位剩余近60 m将成为未封闭的防渗缺陷，该缺陷使得水平铺盖不能完全按设计功能发挥作用.鉴于此，本次有限元渗流计算中，对0+210断面增加上游坝脚至库内近60 m水平铺盖全部失效的工况，此时各特征水位下的计算渗流场分布见图4，关键部位的渗透比降见表4.

对比上游坝脚前水平铺盖失效前后大坝渗流性态，发现由于库内水平铺盖失效，原本由库内铺盖消杀的水头，主要转由坝基砂砾石强透水层消杀，与坝脚前水平铺盖失效前相比，坝基砂砾石层中同一部位渗流位势有所增大，且越靠近库水，增大幅度越大.从关键部位渗透坡降变化来看(见表5)，情况各有不同，心墙中渗透坡降在坝脚前水平铺盖失效后反而有所降低，也说明了因失效造成的水头消杀任务主要转由砂砾石层承担;心墙与坝基接触部位水平渗透坡降从失效前的0.101～0.112，增大至失效后的0.177～0.196，显然其渗透坡降已从失效前的小于允许坡降［J］=0.12变为大于该值，不满足渗透稳定要求;坝脚地面处垂直渗透坡降从失效前的0.006增大至失效后的0.009，尽管有所增大，但增幅有限，仍小于允许渗透坡降，能够满足渗透稳定要求.

图4 0+210断面坝脚前铺盖失效时3种特征水位下渗流有限元计算流网Fig.4 The calculation flow net of seepage finite element at 0+210 section with dam feet bedding failure under three characteristic water levels

表4 0+210断面坝脚前铺盖失效时3种特征水位下关键部位渗流要素Tab.4 The key parts seepage element at 0+210 section with dam feet bedding failure under three characteristic water levels

表5 0+210断面各特征水位下水平铺盖失效前后关键部位坡降对比Tab.5 The slope comparison of key parts with dam feet bedding good and failure at 0+210 section under various characteristic water level

由上述计算结果可以看出，在0+210断面坝脚地面处垂直坡降小于允许渗透坡降值，该部位渗透稳定性能够满足安全要求，尽管心墙底部砂砾石层中渗透坡降在坝脚前水平铺盖失效后已超出允许坡降，但若未在坝后下游地面形成出口渗透破坏，仍难以造成坝基渗透破坏.但临近的右侧垂直防渗段提供的出口渗透稳定性不足，恰为该断面及其附近坝段提供了出口渗透破坏条件，在右坝段垂直防渗段和0+210断面及其附近坝段渗透压力的共同作用下，经过较长时间积累，形成了靠近右坝段坝后地面管涌破坏现象.可以说，坝后渗透破坏是右坝段防渗不利、垂直防渗与水平防渗存在防渗不封闭缺陷、水平防渗坝段心墙下部坝基渗透坡降偏大共同作用的结果.

2.3.3 渗漏量估算 大坝坝顶长1 521.63 m，从渗流量计算结果看，当库水位从正常蓄水位4 270.15 m到校核洪水位4 271.61 m时，0+95断面的渗流量为5.412～6.348 m3/(m·d)，0+210断面在水平铺盖完好的情况下，渗流量为52.323～57.790 m3/(m·d);在水平铺盖前端近60 m范围已经破坏的情况下，渗流量为90.118～99.613 m3/(m·d).年渗漏量按两种情况计算分别为:0+210断面在水平铺盖完好的情况下，年渗漏量为2 546～2 815万m3，即0.25～0.28亿m3;0+210断面在水平铺盖前端近60 m范围已经破坏的情况下，年渗漏量为4 356～4 818万m3，即0.44～0.48亿m3.大坝总库容25.01亿m3，因此，年渗漏量约为总库容的2%，渗漏比较严重.

3 结语

(1)综合有限元计算成果、运行表现和渗漏现状，认为大坝存在明显的防渗缺陷，有先天原因，也有后天原因.中间坝段主要缺陷在于该坝段水平防渗与右岸坝段库内垂直防渗未封闭，使得水平铺盖有效长度缩短，影响该坝段渗流性态;右坝段防渗缺陷在于坝基中等透水性基岩层防渗控制不彻底、帷幕灌浆未延至隔水层，尽管该坝段基岩渗透稳定性应无问题，但影响附近中间坝段坝后砂砾石层中的渗透稳定性.

(2)综合上述0+095和0+210两断面的有限元分析结果及实际渗漏状况，认为造成目前坝后渗透破坏严重的主要原因是，右岸坝段防渗不利、垂直防渗与水平防渗存在防渗不封闭缺陷、水平防渗坝段心墙下部坝基渗透坡降偏大共同作用的结果，坝后渗透破坏应始于中间坝段与右岸坝段相邻区域(大概位于电站厂房左侧附近)，并经长时间作用，逐步延伸至左侧坝段.从有限元计算渗漏量情况看，中间坝段较右坝段渗漏量两者之间基本呈10倍关系，该情况与现场的渗漏量相吻合.

(3)有限元计算渗漏量年损失达近0.5亿m3，该数据比较大，根据现场渗漏情况，渗漏形成明流部分可能占渗漏量小部分，估计大部分通过潜流渗漏至下游.

(4)未来更高水位条件下，整个大坝渗流性态将更为严重，随着时间的推移，大坝渗流性态将向更加危险的方向发展.

考虑到该水库库容大、控泄能力差，一旦大坝出现严重的渗流安全问题，难以通过快速下泄库水予以控制事态，因此，建议针对大坝渗流现状，尽快采取工程措施予以除险加固，同时加强必要的非工程措施.

［1］青海省水利水电勘测设计研究院.玛多县黄河源水电站工程初步设计报告［R］.西宁:青海省水利水电勘测设计研究院，1997.(Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute of Qinghai Province.Huangheyuan hydropower project predesign report of Maduo Town［R］.Xining:Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute of Qinghai Province，1997.(in Chinese))

［2］南京水利科学研究院.青海玛多县黄河源水电站工程蓄水安全鉴定报告［R］.南京:南京水利科学研究院，2001.(Nanjing Hydraulic Research Institute.Huangheyuan hydropower project impounding safety appraisal report of Maduo Town in Qinghai Province［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2001.(in Chinese))

［3］黄河源水电站大坝现场安全检查专家组.黄河源水电站大坝现场安全检查报告［R］.南京:南京水利科学研究院，2010.(Huangheyuan Hydropower Dam Safety Inspection Expert Panel on-site.Huangheyuan hydropower dam safety inspection report on-site［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.(in Chinese))

［4］毛昶熙，段祥宝，李祖贻.渗流数值计算与程序应用［M］.南京:河海大学出版社，1999.(MAO Chang-xi，DUAN Xiangbao，LI Zu-yi.Numerical computation in seepage flow and programs application［M］.Nanjing:Hohai University Press，1999.(in Chinese))

［5］毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京:水利电力出版社，1990.(MAO Chang-xi.Seepage computation analysis and control［M］.Beijng:Hydraulic and Electric Press，1990.(in Chinese))

［6］张乾飞，顾冲时，郭海庆.土石坝渗流确定分析模型研究［J］.武汉水利电力大学学报，2000(8):5-9.(ZHANG Qianfei，GU Chong-shi，GUO Hai-qing.Seepage deterministic analysis model study of earth-rock dams［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2000(8):5-9.(in Chinese))

［7］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.(QIAN Jia-huan，YIN Zong-ze.Earthwork principle and calculation［M］.Beijing:China WaterPower Press，2003.(in Chinese))

［8］卢廷浩.土力学［M］.南京:河海大学出版社，2002.(LU Ting-hao.Soil mechanics［M］.Nanjing:Hohai University Press，2002.(in Chinese))