基于有限元软件SEEP/W对云南吊江岩水电站地下渗流情况的分析

秦乙洪,陈佳文，廖一天，辛 欣

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)



基于有限元软件SEEP/W对云南吊江岩水电站地下渗流情况的分析

秦乙洪,陈佳文，廖一天，辛 欣

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

在水电工程建设中经常遇到不良的地质条件，需要对其进行处理，以满足建筑物对地基的要求。本文结合工程实例采用SEEP/W软件进行渗流分析，提出了适合该工程的防渗措施，可供该工程参考。

地基处理；渗流分析；防渗措施

众所周知，在水利水电工程建设中，经常会遇到不良的地质条件，防止不同条件下地基的渗漏是正在研究的重要课题。坝基渗漏又称坝下渗漏，是指由于水库蓄水后导致水库上、下游水头差，使水库中水沿坝基岩石的孔隙、裂隙、溶洞、断层等处向下游渗漏的现象[1]。坝基的渗漏不仅会降低水库的综合效益，增大对坝底的扬压力，而且还可能引起坝基岩上体潜蚀，导致坝基失稳[2]，引发难以估计的损失与后果[3]。本文选择云南硕多岗河吊江岩水电站作为分析指标，采用有限元软件SEEP/W对坝基进行分析和计算[4]，提出了相应的防渗方案，并比较了方案的优缺点，选取了适合本工程的最佳防渗方案，结果可为该工程坝基地下防渗措施的选择提供有力依据，可供参考。

1 工程概况

1.1 基本概况

云南硕多岗河吊江岩水电站是在此河流上建筑规划的第四个梯级水电站，建设地点位于云南迪庆州香格里拉县虎跳镇，该电站为单一发电工程。

整个混凝土闸坝坐落在冲积层上，初步拟定的基础防渗措施是采用帷幕灌浆与混凝土防渗墙相结合的垂直防渗方式，防渗墙底高程2519 m，厚度0.6 m，最大高度19 m，左右岸帷幕灌浆廊道长度分别为20 m和60 m。

1.2 地层岩性

第四纪(Q4)：由坡崩积层和冲积层组成，总厚度大约为3.70～15.30 m。坡崩积层主要为混合土碎石和碎石混合土；冲击层主要为卵石混合土、级配不良砂和粉土质砂[5]。从上而下描述如下：

第一层混合土碎石：广泛分布于两岸边坡及坡脚处，主要成分为灰岩、板岩，其余为粉土和粘土，厚度大于150 m；第二层碎石混合土：碎石混合土分布较少，成分为板岩，其余为粉土及砂，稍湿，结构松散，厚度大约为20～70 m；第三层混合土卵石：该层混合土卵呈中密状态，漂石含量较少，卵石含量较多，砾石含量约20%～30%，其余为砂，成分以玄武岩及少量的板岩、灰岩为主，厚度大约为30～50 m；第四层粉土质砂：粘粒含量和砾石含量较少，砂含量约较多，粉粒含量约22.0%，呈可塑状态，厚度大约为80～150 m;第五层混合土卵石：第五层混合土卵石呈密实状态，卵石含量约占大部分，砾石含量约20%～30%，其余为砂，其成分以玄武岩及少量的板岩、灰岩为主。

2 岩(土)体物理力学参数

岩(土)体物理力学参数见表1、表2。

表1 坝基各岩石(体)的物理力学参数建议值

表2 坝址土体物理力学参数建议值表

3 地基渗流分析

3.1 计算时的边界条件及材料参数

上游水位正常蓄水位高程为2563.30 m，下游无水高程为2540.8 m，故上游的水深为22.5 m。计算区域：左边距离上游坝趾15 m，右边距离下游坝趾27 m，地面距离弱风化板岩底部29.5 m，其中上游坝趾距离纵坐标轴20 m，下游坝趾距离纵坐标轴53 m，弱风化板岩底部与横坐标轴重合。

根据工程参考资料对地基进行分区，由地面从上至下依次分别为：混合土卵石1层，粉土质砂层，混合土卵石2层，强风化板岩层，弱风化板岩层。为研究上游有水作用时的渗流情况,此处将大坝的浇注材料混凝土也作为一种材料。具体材料对应的参数如下表3。

表3 地基材料分区及其对应参数 m·s-1

3.2 有限元软件SEEP/W建模及结果分析

SEEP/W 是一款岩土体渗流分析软件，可以分析从简单的饱和问题到复杂的非饱和问题，稳态渗流和瞬态渗流。软件可以定义渗透各项特性，通过瞬态分析，可以得出不同时刻、不同点的孔隙水压力分布状况。工程无防渗措施时总水头曲线点选图见图1、总水头变化分布图见图2。

由图1可知地基下渗的水绝大多数从混合土卵石1层流出，且没从坝体渗漏。由图2知总水头值沿程下降，在坝底下降的比较均匀。

由图3和图4中的总水头曲线图可以看出总水头呈现沿程逐渐下降的趋势，最大值52 m，最小值29.5 m。

图1 总水头曲线点选图

图2 总水头变化分布图

图3 总水头曲线点选图

图4 总水头曲线图

根据表2有混合土卵石的允许渗透坡降为0.07～0.12，由图5和图6混合土卵石1层渗透坡降图表明，该地层最大渗透坡降为0.67，不满足规范要求，要对其进行防渗处理[6]。

根据表2粉土质砂的允许渗透坡降为0.05～0.07，由图7和图8粉土质砂层渗透坡降图表明该地层最大渗透坡降为1.62，不满足规范要求，要对其进行防渗处理。

根据表2混合土卵石的允许渗透坡降为0.07～0.12，由图9和图10混合土卵石2层渗透坡降图表明该地层最大渗透坡降为0.33，显然不满足规范要求，要对其进行防渗处理。

图5 混合土卵石1层坡降曲线点选图

图6 混合土卵石1层坡降曲线图

图7 粉土质砂层坡降曲线点选图

图8 粉土质砂层坡降曲线图

图9 混合土卵石2层坡降曲线点选图

图10 混合土卵石2层坡降曲线图

根据资料查得板岩的允许渗透坡降为7×10-11～1.6×10-10，由图11和图12强风化板岩层渗透坡降图表明该地层最大渗透坡降为0.27，显然不满足规范要求，要对其进行防渗处理[7]。

根据资料查得板岩的允许渗透坡降为7×10-11～1.6×10-10，由图13和图14弱风化板岩层渗透坡降图表明该地层最大渗透坡降为0.25，显然不满足规范要求，要对其进行防渗处理。

图11 强风化板岩层坡降曲线点选图

图12 强风化板岩层坡降曲线图

图13 弱风化板岩层坡降曲线点选图

图14 弱风化板岩层渗透坡降曲线图

4 防渗排水方案的初步拟定

本工程防渗排水设计采用上堵下排的设计原则。

(1)防渗设计。为防止库水外渗与坝基出现渗漏破坏，初步拟定采用上游防渗墙与两岸灌浆帷幕组成的垂直防渗体系。为防止坝体不均匀沉陷对防渗墙产生的拉裂等不利影响，在闸室及挡水坝段上游设一宽5 m、厚3 m的混凝土段短铺盖，混凝土防渗墙设于上游挡水坝段地基以下。根据地质建议防渗墙深入相对不透水层1.0 m(防渗标准为q≤5 Lu)，底高程2519 m，墙厚0.6 m。

(2)排水设计。为将渗流安全的导向下游和减小闸基下游的渗透压力，在泄洪闸和冲砂闸下游的护坦底部设置3级配的反滤层。滤层厚度0.6 m，由下至上依次为0.2 m中粗砂、0.2 m砂砾石及0.2 m碎石，并在护坦末端齿墙下游回填砂卵石防止出口的渗透破坏。

(3)防渗型式比选。本工程基础直接建在河床冲积层砂砾石上，故基础防渗型式对工程投资和运行安全等影响比较大。因此本阶段对全帷幕灌浆帷幕防渗和混凝土防渗墙2种防渗型式进行比选，比选情况见表4。

5 结 论

(1)经分析比较，全帷幕防渗及帷幕加上防渗墙的防渗措施均适用于本工程，就防渗效果而言，方案一全帷幕灌浆防渗方案在砂砾石地基层中防渗效果较差。相比之下，方案二帷幕结合混凝土防渗墙的方案更适合本工程。

(2)全帷幕防渗方案静态总投资为401.9万元，而帷幕结合防渗墙防渗方案静态总投资555.73万元。全帷幕防渗方案较省，但相对工程投资而言，两个方案投资差别不大。

(3)综合以上两点考虑，更注重防渗效果，本工程推荐选用帷幕结合防渗墙的方案。

[1] 黄海鸿，杨小平.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 龚晓南.地基处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3] 彭弟，潘殿琦，李海礁，等.地基处理新技术及发展趋势[J].长春工程学院学报，2007(3)：1-4.

[4] 郭继武.建筑地基与基础[M].北京：高等教育出版社，1990.

[5] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[6] 王华俊.锦屏二级水电站闸基深厚覆盖层渗流分析与控制研究[D].成都：成都理工大学，2005.

[7] 江春波，安晓谧.二维非恒定渗流的有限元并行计算[J].水科学进展,2004，15(4):454-457.

[8] 武汉水利电力学院，土力学及岩石力学[M].北京：中国水利水电出版社，1982.

Analysis based on SEEP/W software subsurface seepage Hanging Rock River hydropower station in Yunnan

QIN Yihong,CHEN Jiawen,LIAO Yitian,XIN Xin

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

There are many poor geological conditions in the construction of hydropower project , in order to meet the demand of the buildings foundation, we need to deal with it.This paper analysis of Seepage by an engineering examples combined with SEEP/W software.Proposed anti-seepage measures reference for the this project.

foundation treatment;seepage analysis;seepage control measures

三峡大学科研创新基金(SDYC2016004)

秦乙洪(1992-)，男，硕士研究生，主要从事水利工程施工与管理方面的研究。

P641.2

A

2096-0506(2016)11-0009-05