戈兰滩水电站坝基三维渗流分析

王　帅　李鑫淼　田新星　李端阳



戈兰滩水电站坝基三维渗流分析

王帅李鑫淼田新星李端阳

摘要利用有限元渗流分析模块，基于 “空气单元”法，针对戈兰滩水电站6#坝段坝基渗流量偏大问题，进行三维渗流反演分析，通过多种工况计算，经与实测结果对比分析，认为该坝段渗流量偏大的主要原因是帷幕防渗效果较差，采取补强帷幕可有效降低渗流量。

关键词坝基渗流排水孔有限单元法空气单元戈兰滩水电站

大坝基础处理中，防渗帷幕和排水幕在渗控效果和坝基扬压力控制方面有着相辅相成的关系。随着计算机技术的不断发展，有限元法在求解渗流场问题方面得到了广泛的应用，本文采用CAD/ CAE技术，对蓄水后坝基渗漏量偏大的左岸6#坝段，在三维实体模型基础上，对其坝基渗流进行数值模拟，并结合观测资料，分析了影响坝基渗流的主要因素。

1　工程概况

戈兰滩电站为二等大（2）型水电工程，大坝基础主要岩性为安山岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、凝灰岩和火山角砾岩等，岩性复杂多变。自水库开始蓄水以来，最大渗流量为16 L/s，左岸6#坝段坝基渗流量相对集中，该坝段共16个排水孔，单孔排水量自2012年3月起量测，其中6-11—6-14孔均为满管排放，单孔超过0.4 L/s，其它12孔均在0.1 L/s以下，合计2.4 L/s左右。

6#坝段建基面高程388.0 m，坝顶高程458.0 m，正常蓄水位456.0 m。坝基岩体为凝灰岩、夹凝灰质泥岩，少量炭质泥岩及火山角砾岩。坝基岩体及混凝土的渗透系数见表1。主帷幕灌浆孔深25～35 m，排水孔深10～15 m，见图1。

表1　坝基岩体的渗透系数表

图1　6#坝段帷幕灌浆及排水孔布置图

2　数学模型

本文中渗流计算采用有限单元法，排水孔采用空气单元法模拟，将空气作为一种渗流介质，规定R为排水孔渗透系数kd与其周边介质渗透系数kr的比值（R=kd/kr），现有研究表明，在当lgR＜3时，误差E随着R的增大而有明显的减小；当lgR≥3，误差E在5%以内，3≤lgR≤10时，随着R的增大，误差E在0.01%左右震荡，一般取R=3即可满足计算需求。

2.1计算模型

利用戈兰滩水电站工程三维协同设计成果，选取6#坝段，将三维CAD模型导入有限元软件中做CAE分析。图2为各部分的三维离散模型，图3为灌浆帷幕与排水孔细部离散图。表2重力坝三维整体有限元计算模型信息。

2.2边界条件及计算坐标

选6#坝段及其周围部分地基作为计算模型，计算范围包括：坝踵向上游延伸约1.5倍最大坝高，坝趾向下游延伸约1.5倍最大坝高；建基面垂直向下延伸约2.0倍最大坝高。

图2　整体三维离散模型

图3　灌浆帷幕与排水孔细部离散图

表2　重力坝三维整体有限元计算模型信息表

边界条件为：地基底部及四周为不透水边界，排水孔及地基上表面为透水边界。

3　坝基渗流场有限元数值分析

3.1坝基三维渗流场反演

图4给出了6#坝段坝基三维渗流场分布云图。图中黑色箭头代表水流方向。坝基渗流场云图在防渗帷幕处变化梯度较大，压力在灌浆帷幕后减弱，帷幕处水头损失较多，成型良好的防渗帷幕能起到防渗效果，消减了坝基下部围岩的渗透压力，计算整个6#坝段渗流量为2.51 L/s，实测表明6#坝段总渗流量为2.4 L/s左右，计算结果与实测结果相近。

图4　6#坝段坝基三维渗流场分布云图

图5给出了6#坝段坝基扬压力对比图，可以看出6#坝段帷幕前和帷幕后的渗压实测值比较接近，幕前后扬压力折减不明显，而理论值与有限元计算值则分布规律保持了一致。

图5　6#坝段坝基扬压力分布图

3.2防渗帷幕作用的单因素分析

为深入研究灌浆帷幕效果对坝基渗流的影响，对比分析了灌浆帷幕在不同渗透能力下的坝基渗流，计算工况及结果详见表3，其中，工况1帷幕渗透系数与周边围岩保持一致；工况5渗透系数为1×10-8m/s，表示该帷幕灌浆质量较好。从表中可以看出，帷幕灌浆质量对于坝基渗流有着较为明显的影响，随着帷幕灌浆效果的不断提升，坝基排水孔渗流量明显减小。

表3　帷幕灌浆效果对坝基渗流的影响

本文将灌浆帷幕按不同地质条件分区模拟帷幕工作情况，帷幕分区如图6所示。计算工况及结果见表4，其中，“好”，表示防渗帷幕渗透系数达到1×10-8m/s，失效表示其渗透系数为其所在岩层的渗透系数。

图6　帷幕灌浆分区

表4　防渗帷幕不同分区下计算工况及渗流量

从表4可以看出，工况6坝基渗流量约为2.51 L/s与实测结果2.4 L/s、工况3计算结果2.51 L/s较为相近，工况6中灌浆帷幕失效面积占比较大，6#坝段坝基渗流量较大。

4　结语

通过上述研究，得出以下结论：

（1）通过有限元计算分析，在6#坝段坝基渗流量接近实测结果时，坝基扬压力在防渗帷幕前后水头折减不明显，这与实测资料基本一致，说明该处灌浆帷幕防渗效果较差。

（2）对比分析防渗帷幕渗透性，可以看出，防渗帷幕渗透系数是影响坝基渗流量的重要因素之一，提高其防渗能力，能够有效降低坝基渗流量。

（3）对比不同防渗帷幕分区下的防渗效果，可以看出，工况6计算结果与实测结果相近，6#坝段有可能存在某处防渗帷幕防渗效果较差的现象。

综上所述，戈兰滩6#坝段坝基渗漏量偏大的主要原因为某个区域防渗帷幕防渗效果较差，通过补强予以加强，可有效减小渗漏量。

参考文献

［1］吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用 ［M］.北京：高等教育出版社，2003.

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［4］刘杰.沟后水库垮坝原因初步分析［J］.人民黄河，1994（7）：15-18.

［5］张景秀.坝基防渗与灌浆技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

王帅男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

李鑫淼女工程师天津市水务工程建设管理中心天津300204

田新星男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

李端阳男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

中图分类号TV223.6

文献标识码B

文章编号1007-6980（2016）01-0007-03

作者简介

收稿日期（2015-11-30）