缅甸伊江上游某水电站坝基渗控效果研究

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(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司， 武汉 430010；2.长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 430010)

重力坝坝基通常采用防渗帷幕和密集排水孔幕作为渗流控制措施，其渗控效果是影响工程安全的关键因素之一，在坝基发育有断层的条件下尤其如此。伊江上游某水电站坝基有较大规模的断层存在，本文运用三维有限元的渗流场精细模拟技术，建立坝基三维渗流场模型，重点研究防渗帷幕和坝基密集排水孔幕的渗控效果，分析断层带范围内防渗帷幕失效或排水孔间距增加条件下的渗控效果，评价坝基渗流控制方案的合理性及可靠性。

1 坝基渗流场有限元求解

在水利工程、岩土地下洞室群及高边坡工程中常涉及渗流场自由面和密集排水孔的模拟问题，其精细高效求解是复杂渗流场分析的关键所在。长江科学院、国家大坝安全工程技术研究中心在以往研究成果的基础上，联合开发的大型渗流分析软件SFA1.0版(Seepage Filed Analysis, Version 1.0)对该问题进行了针对性的研究，其中基于节点虚流量法[1-3]的SSC-3D(Saturated Seepage Comprehensive analysis 3D)模块，能高效求解渗流自由面，并可解决密集排水孔精细模拟问题。本文渗流场的求解就是该模块的应用，相应理论不再赘述。另外该大型软件中的S3D和US3D能很好地解决三维非稳定饱和非饱和问题。软件主要功能除了实现渗流计算外，还具有前后处理的可视化功能，同时也可方便快捷地调用常见商业软件。

2 坝基渗流场渗控效果及分析

2.1 工程地质及坝基渗控布置

缅甸伊江上游某水电站工程混凝土重力坝坝高206 m，从左至右依次为左岸非溢流坝段、河床溢流坝段、右岸非溢流坝段、厂房进水口坝段和连接坝段，坝轴线总长1 323 m，最大顺流向长185 m，正常蓄水位400 m，校核洪水位405.27 m，总库容19.1亿m3，电站总装机3 400 MW。

图1 左岸地质及渗控剖面展示图

大坝基岩主要由变质岩组成，局部分布有后期岩浆岩侵入体，坝址区变质岩以斑状变晶花岗片麻岩、云英片岩、花岗片麻岩为主。左坝肩发育有断层构造岩，其中F41，F42断层规模较大，顺河向沿左岸近河床及河床左侧呈NNE向展布，长度大于15 km。基岩大部分部位裂隙发育密度较稀，一般以陡倾角裂隙为主(图1)。坝基防渗及排水渗控布置见图1、图2。坝基渗控工程方案采用竖直灌浆帷幕及幕后排水幕方案；坝基主帷幕后为主排水幕，孔深为主帷幕第1排孔深的1/2～2/3，间距2.0 m，坝基四周封闭帷幕内侧为封闭排水孔幕，坝基内网格状布置的为辅助排水孔幕，封闭和辅助排水孔深为35 m，孔间距3 m；孔径统一为0.11 m。坝基主帷幕防渗标准为灌后岩体透水率q≤1 Lu；封闭帷幕及两端山体部分为灌后岩体透水率q≤3 Lu。左岸F41，F42断层带最大灌浆深度120.5 m。

图2 坝基渗控工程平面布置图

为满足防渗要求，根据规范规定，除了布置防渗帷幕和排水孔幕，还对坝基浅表层进行了固结灌浆处理。断层带(F41和F42断层影响带)渗透性按图1所示吕荣线分区，渗透系数为1.4×10-5～1.4×10-4cm/s。各渗透分区内按各向同性考虑，砂卵石1.0×10-1cm/s，黏土夹碎石1.2×10-4cm/s，表层花岗岩5.0×10-4cm/s，弱风化带5.0×10-5cm/s，防渗帷幕1.4×10-5cm/s，混凝土垫层1.0×10-9cm/s。

2.2 模型的建立及方案确定

计算模型的原点在平面上的投影点为平面布置图2中第25、第26号坝段坝踵交界点，交界线顺河向指向下游为y轴正向，x轴与y轴垂直，指向右岸为正向。z轴垂直于xoy平面，正向竖直向上，原点在工程零高程面上。计算域的平面范围参照上面坐标系，即-810 m≤x≤550 m，-250 m≤y≤450 m，模型深达高程-290 m的水平面，离坝建基面约510 m，约为最大坝高的2.5倍。

图3 整体有限元计算网格

图4 坝基主、封闭及辅助排水孔网格

根据地质资料和计算需要建立有限元离散模型。图3、图4为有限元计算网格。为便于网格剖分，将防渗帷幕四排帷幕厚度等效取值为3.5 m，双排帷幕厚度取为2.5 m，单排帷幕取1.5 m，防渗帷幕的几何形状单独用帷幕单元材料种类划分出来，赋予渗透各向同性的渗透系数；坝基排水孔按空间布置及其实际尺寸剖分成排水孔网格；不考虑固结灌浆作用。整体网格经2次剖分后，单元总数为107 348，节点数为116 382。左岸将山体常年地下水位观测线462 m按定水头边界处理，右岸山体以分水岭为界按不透水边界处理，正常蓄水位400 m，下游水位为正常尾水位247.81 m。

为分析不同方案条件下坝基渗控措施效果，共设3个方案。方案1系正常设计条件，为渗控效果对比的基本方案；方案2在基本方案基础上假设断层带内防渗帷幕失效；方案3则在方案1基础上将坝基所有排水孔间距扩大至2倍，相当于排水孔幕发生隔孔失效。

2.3 计算结果分析

2.3.1 基本方案渗控效果分析

方案1中，坝基不同剖面水头等值线分布见图5，整个渗流场的水头等值线分布规律合理，等值线形态、走向和密集程度都较正确地反映了相应位置处的渗控措施特点、岩体渗流特性和边界条件。由图5(a)可看出，坝基主防渗帷幕和排水孔幕上游等直线分布密集，下游至辅助排水孔幕范围内水头变化很小，渗流场处于防渗帷幕和排水幕的有效控制之下。

由图5(b)可知靠近坝基排水孔附近水头等值线分布密集，河床坝段坝基较大范围内(河床建基面高程220 m)水头值在230 m以内，表明该区域在防渗帷幕和主、副排水孔作用下，压力水头得到明显消减。

图5 方案1坝基不同剖面水头等值线

左岸山体侧水位较高，地下水对左岸坝肩渗流场有明显的补给作用(图5(c))，但由于坝基封闭帷幕和辅助排水孔等渗控措施的联合作用，使坝基范围内压力水头得到有效控制。

图6 方案1断层F41与主帷幕相交处(x=-166 m)建基面(z=240 m)扬压力水头分布

根据各典型剖面压力折减系数分析可知，在最大坝高坝段折减系数约为0.11，满足规范要求[4]；在较为关键的断层带上，扬压力水头分布可知(图6)，经过主排水作用后的扬压力水头仅有5.2 m，扬压力折减系数约为0.05。

综上分析，在复杂地质条件和综合渗控措施的坝基范围内，本方案坝基渗流场水头分布基本上体现了坝基地层、渗控措施、断层等对渗流场的影响，关键部位扬压力折减系数满足规范要求，表明渗控措施设计是合理有效的。

2.3.2 断层带上防渗帷幕失效方案分析

方案2假设防渗帷幕在与断层相交处失效。

本方案各剖面水头等值线分布规律和方案1基本类似，限于篇幅不再全部列出。比较发现在左岸上游主防渗排水带与断层带相交处的等水头分布线密度(图7)略疏于方案1相应部位(图5(c))，但下游等势线分布略显密集。这表明由于该处的防渗帷幕失效，该局部区域从强阻渗区转而变成强渗透区，导致主帷幕下游的排水孔排水量大增，也影响到周围局部渗流场的分布。

图7 方案2 z=215.0 m高程水头等值线

尽管本方案主防渗帷幕与断层带相交处失效，但坝基渗流场分布与方案1相比并没有显著变化，特别是断层带上的扬压力折减系数与方案1基本接近，远小于规范要求值。

2.3.3 排水孔间距扩大条件下渗控效果分析

方案2是在方案1基础上，假定坝基排水幕中的排水孔隔孔失效，分析孔间距对渗控效果的影响。

结果显示各典型剖面水头等值线与方案1基本类似，限于篇幅不再列出。由分析各典型剖面水头等值线分布可知，排水孔间距变化对坝基封闭防渗区域内的渗流场影响较小，但坝踵和坝趾部位扬压力略有增加。不过，坝基排水孔幕排水降压能力依然强大，扬压力折减系数也满足规范的要求。

2.3.4 不同渗控措施条件下的渗流量分析

除了渗流场水头分布，渗流量[5]也能反映不同渗控措施的渗控效果，本次主要分析左右岸坝基在不同方案条件下的渗流量，见表1。

方案1和方案3坝基渗流量差别甚微，但方案2左岸坝基渗流量基本是方案1的2倍，这表明左岸坝基防渗帷幕与断层带相交处失效，使得左岸渗流量大增，但对右岸基本无影响。坝基排水孔间距扩大1倍，坝基渗流场基本无变化，也表明方案2坝基排水孔幕的排水降压能力并未降低[6]。

表1 坝基不同方案渗流量

3 结 语

(1) 经坝基三维渗流场分析可知，坝基渗流控制措施的效果显著，基本渗控设计方案是合理可行的。

(2) 主防渗帷幕在断层带相交处失效，坝基渗流量增加而渗流场水头分布并无显著变化；但由于断层带的渗透性较强，排水孔作为渗透水流出口，需要采取适当的反滤保护措施，以防止坝基岩体，尤其是断层带发生渗透破坏。葛洲坝坝基排水孔采用的泡沫过滤体，其效果经过了长期运行的检验，也便于检测和更换，可为本工程所借鉴，但需针对断层带的物质条件研究选用合适的反滤材料。

(3) 坝基排水孔间距扩大为设计值的2倍，坝基渗流量及扬压力分布与基本方案基本一致，实际工程中，可对排水孔幕做适当优化或调整。

参考文献：

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[3] 崔皓东, 朱岳明, 吴世勇. 有自由面渗流分析的密集排水孔幕数值模拟分析[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(3):440-444. (CUI Hao-dong, ZHU Yue-ming, WU Shi-yong. Numerical Simulation for the Densely-distributed Drainage Holes in Seepage with Free Surface[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(3): 440-444. (in Chinese))

[4] DL 5077—1997，水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社，1998.(DL 5077—1997, Specifications for Load Design of Hydraulic Structure[S].Beijing: China Electric Power Press,1998.(in Chinese))

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[6] 崔皓东,朱岳明,张家发,等. 深埋洞室群围岩渗流场分析及渗控效果初步评价[J].长江科学院院报,2009,26(10):71-75. (CUI Hao-dong, ZHU Yue-ming, ZHANG Jia-fa,etal. Analysis on Seepage Field and Preliminary Evaluation on Seepage Control Effect of Rockmass around Deep Buried Caverns[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2009,26(10):71-75. (in Chinese))