混凝土面板堆石坝三维渗流场特性分析研究

张　博，李　伟

(国核电力规划设计研究院, 北京 100096)



混凝土面板堆石坝三维渗流场特性分析研究

张博，李伟

(国核电力规划设计研究院, 北京 100096)

摘要：以羊曲水电站为依托，通过建立水电站面板堆石坝的三维渗流有限元模型，计算分析了坝体及其坝基的三维稳定渗流场特性，得到了坝体和坝基的位势分布、坝体各料区的渗透坡降及渗透流量等。分析了防渗帷幕和坝基岩体渗透参数对渗流场的影响。结果表明，坝体、坝基及左右岸坝肩的防渗措施均满足要求。

关键词：面板堆石坝；渗流场；防渗帷幕；渗流控制；渗透特性

1工程概况

羊曲水电站位于青海省海南州兴海县与贵南县交界处，水库正常蓄水位2 715 m，相应库容14.724亿m3，电站总装机容量1 110 MW，多年平均年发电量45.3亿kW·h。坝址枢纽主要由拦河大坝、左岸溢洪道、左岸导流泄洪洞、左岸岸边引水发电厂房等组成。工程规模为一等大(1)型，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级。

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为2 721.00 m，河床处趾板高程2 571 m，河床覆盖层全部挖除，最大坝高150 m，坝顶全长328.31 m，坝顶宽10 m。上游坝坡坡比为1∶1.4，下游设“之”字型上坝道路，除第一级边坡坡比为1∶1.4外，其余边坡坡比1∶1.3，综合坡比为1∶1.665。在下游坝坡2 624 m高程用弃渣填筑成宽为50 m的平台，下游石渣的坡比为1∶2.0。

2计算原理

根据工程地质和水文地质资料，坝址区岩体可分为强风化、弱风化、微风化和新鲜等四层。区内断层较多，但规模不大，裂隙发育，因此，本模型并不单独模拟每一条断层、裂隙，而是根据渗透性，用分区等效连续介质模拟裂隙岩体[1]。

3计算模型

本文采用三维稳定渗流有限元法[2-8]分析和研究面板堆石坝运行期的稳定渗流场特性[9-14]。本文根据地形及地质情况建立三维有限元网格，生成的有限元网格结点总数为87 022个，单元总数为85 561个。三维有限元模型如图1所示。

图1三维有限元模型图

在计算渗流场过程中，将坝址区坝体上游坡，以及地下水位边界设为已知水头边界；将坝址区坝体下游坡面设为出渗边界；将模型上下游和左右两侧以及底面设为不透水边界[1]。

4计算参数和工况

4.1计算参数

计算模型中涉及的计算参数，均参考基础地质资料和反演分析[15-18]成果选定。

(1) 坝基岩体各层渗透参数如表1所示。

(2) 坝体各料区渗透参数如表2所示。

表1　基岩各层渗透系数

表2　面板坝各部分渗透特性表

(3) 防渗帷幕的布置按设计方案，其渗透系数为k=3.0×10-5cm/s。计算时，对两岸防渗帷幕的长度进行变化，分析其敏感性。需要说明的是，深部岩体(如相对不透水层)的渗透系数较小，可能小于防渗帷幕的设计渗透系数，这时，对于深部岩体中的防渗帷幕，其渗透系数取周围岩体渗透系数的0.5倍。

4.2计算工况

根据研究目的，拟定表3所示的工况进行计算分析。计算过程中,分析坝体及其坝基的三维稳定渗流场特性。正常蓄水位：上游2 715.00 m，下游(单机运行)2 593.73 m。

表3　计算工况

5计算成果分析

各工况正常蓄水情况下各料区最大渗透坡降及渗透流量见表4。坝址区地下水位分布和坝体剖面位势分布分别见图2、图3。

图2地下水位分布图(单位：m)

(1) 坝址区渗流场

从坝址区地下水位等值线来看，在正常蓄水情况下，设置防渗帷幕工况下坝址区渗流场的分布规律一致，防渗帷幕的阻水作用较为显著，设置防渗帷幕后，渗漏可以得到有效控制。

表4　坝体最大渗透坡降及渗透流量计算表

图3坝体剖面位势分布图(单位：m)

坝体内浸润面较为平缓，两岸防渗帷幕延伸长度越大，两岸绕渗流量越小，坝体内的浸润面越低。两岸坝肩绕渗较为明显，山体地下水对两岸坝肩的绕渗影响不大。

(2) 坝体渗透坡降

从表4来看，在正常蓄水情况下，各方案坝体混凝土面板的渗透坡降较大，坝体其他料区(垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区等)的渗透坡降均较小。

在工况GK-1时，面板的平均最大渗透坡降为118，垫层的平均最大渗透坡降为0.016，过渡层的平均最大渗透坡降为0.015，出现在河床中央浸润面处。坝基防渗帷幕的平均最大渗透坡降为9.80。

(3) 渗透流量

从表4来看，在正常蓄水情况下，不设防渗帷幕和设置防渗帷幕的差别较大。

不设防渗帷幕时，总渗透流量为11 968.83 m3/d；设置防渗帷幕长度为100 m时，总渗透流量分别为4 921.40 m3/d，比不设防渗帷幕渗透流量减少58.8%。

(4) 防渗帷幕渗透性对渗流场的影响

比较工况GK-1、工况GK-3(防渗帷幕渗透系数增大为设计值的2倍)和工况GK-4(防渗帷幕渗透系数减小为设计值的0.5倍)，可以看出防渗帷幕渗透性影响渗流场分布。

通过分析，防渗帷幕的渗透系数增大，水库区渗透流量也将增大。三种工况下，相应的总渗透流量分别为4 921.40 m3/d、7 129.78 m3/d和3 439.52 m3/d，防渗帷幕渗透系数变化情况下总渗透流量分别比工况GK-1增大31%、减小30%。

当防渗帷幕的渗透系数增大时，帷幕内的最大渗透坡降减小。防渗帷幕的渗透系数越小，防渗帷幕中水头损失越大；防渗效果取决于防渗帷幕渗透性的大小。

(5) 基岩渗透性对渗流场的影响

比较工况GK-1、工况GK-5(岩体渗透系数增大为设计值的2倍)和工况GK-6(岩体渗透系数减小为设计值的0.5倍)，可以分析岩体渗透性对渗流场的影响。

当岩体的渗透系数增大时，通过坝基及两岸坝肩的渗透流量也相应增加。三种工况下，相应的总渗透流量分别为4 921.40 m3/d、6 208.10 m3/d和4 124.72 m3/d，岩体渗透系数变化情况下总渗透流量分别比工况GK-1增大20.7%、减小16.2%。

通过计算结果可知，岩体渗透性增大，坝基渗流和两岸绕流增强，因而坝体内浸润面升高，混凝土面板的渗透坡降减小，通过混凝土面板的渗流量减小。

岩体渗透性减小时，坝基渗流和两岸绕流减弱，因而坝体内浸润面降低，混凝土面板的渗透坡降增大，通过混凝土面板的渗流量增大。

6结语

通过建立三维渗流有限元法计算分析了混凝土面板堆石坝的渗流场特性，计算结果较为合理，说明计算模型及计算过程均符合实际。在两岸坝肩防渗帷幕处，等值线相对密集，可见防渗帷幕的阻渗作用较为明显，防渗效果取决于防渗帷幕渗透性的大小。

各计算方案坝体和坝基各料区的最大渗透坡降均小于材料的允许渗透坡降，可以满足要求。

参考文献：

[1]金伟，姜媛媛，沈振中，等．两河口心墙堆石坝渗流特性及其控制方案[J].水电能源科学，2009，27(3)：45-48．

[2]陈守开，严俊，李健铭．面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟[J].岩土力学，2011，32(11)：3473-3478．

[3]李海成．混凝土面板堆石坝止水失效对坝后渗流场影响的研究[D].兰州：兰州理工大学，2011．

[4]张琛．柏叶口水库面板堆石坝渗流分析[J].山西水利，2014(9)：39-40．

[5]甘磊，沈振中，苗吉吉.混凝土面板坝坝区防渗系统优化[J].水电能源科学，2011，29(6)：89-92．

[6]刘昌军，丁留谦，徐泽平，等．积石峡面板堆石坝复杂渗流场有限元精细模拟[J].人民长江，2012，43(5)：54-58．

[7]吴静茹．混凝土面板砂砾石坝二维渗流有限元实例分析[J].人民长江，2010，41(12)：28-30．

[8]邓铭江，吴六一，汪洋，等．阿尔塔什水利枢纽坝基深厚覆盖层防渗及坝体结构设计[J].水利与建筑工程学报，2014，12(2)：149-155．

[9]张伟．温泉水电站混凝土面板堆石坝设计[J].中国水利，2012(8):45-46．

[10]陈洪来，宁永升，常姗姗，等．溧阳抽水蓄能电站上水库面板堆石坝设计及优化[J].水力发电，2013，39(3)：32-33,37．

[11]白寅虎，王正中，余小孔．高面板堆石坝坝坡稳定性分析[J].中国农村水利水电，2012(6)：168-171．

[12]马凌云．面板堆石坝垫层料渗透特性试验的影响因素探究[J].西北水电，2012(5):72-77.

[13]姜媛媛，唐瑜，辛俊生．多诺水电站面板堆石坝渗流特性研究[J].水电站设计，2014，30(3)：32-35．

[14]钮新强．清江水布垭面板坝渗流控制技术创新与实践[J].人民长江，2011，42(5)：1-4．

[15]沈振中.基于变分不等式理论的渗流计算模型研究[D].南京：河海大学，1993．

[16]胡冉，毛新颖，张萍．基于变分不等式法的渗流有限元分析及程序设计[J].水电能源科学，2009，27(4)：54-57．

[17]姜媛媛，沈振中，郭娜，等．岩溶-裂隙介质渗流的三重介质模型[J].中国科学技术大学学报，2004，34(S1)：361-366．

[18]刘先珊，张立君．改进的渗流参数反演方法及其工程应用[J].水电能源科学，2004，22(3)：30-32，56．

Seepage Behavior Analysis of Concrete Face Rockfill Dam

ZHANG Bo, LI Wei

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100096,China)

Abstract：Through the development of a 3-D seepage finite element model of a concrete faced rockfill dam, this paper calculated and analyzed the characteristics of the stable seepage field of the dam body and its foundation. The equipotent distribution of the seepage field, seepage gradient of dam body and seepage discharge were also obtained. The effects of the seepage parameter to impervious curtain and rock mass of dam foundation were then analyzed. The result shows that the seepage proofing efficiency of the dam can meet the requirements.

Keywords:concrete faced rockfill dam; seepage field; impervious curtain; seepage control; seepage characteristics

文章编号：1672—1144(2016)01—0223—04

中图分类号：TV139.14

文献标识码：A

作者简介：张博(1986—)，女，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要从事土建结构设计工作。 E-mail:piaomiaozhengtu@163.com

收稿日期：2015-09-12修稿日期：2015-10-14

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.042