江坪河面板堆石坝渗流场模拟与防渗体系评价

徐毓威，王国辉，于 浩，卢文頔

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家点实验室，湖北 武汉 430072；2.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引 言

混凝土面板堆石坝具有工程造价低、施工进度快、对不利的地质环境条件适应性好等特点[1-2]，在我国水电建设中得到广泛应用；尤其是在受到交通及经济限制的中西部地区，高面板堆石坝是水电开发进程中极具竞争力的坝型[3- 4]。渗流控制问题是高面板堆石坝的关键技术问题之一，其对于大坝多年稳定运行至关重要[5- 6]。陈益峰等[7]基于连续介质理论，阐述渗流控制的物理机制主要受耦合过程、初始状态、边界条件、介质水力特性控制。大型水电工程中广泛采用的渗控措施主要分为两类：一类是通过改变边界条件实现渗流控制，主要包括排水孔、排水廊道、排水棱体等；另一类改变是介质特性的方式，阻断可能的渗漏通道，主要包括防渗墙、防渗面板、防渗帷幕等。渗漏量是判断大坝渗控效应的直观标准，谭界雄等[8]、钮新强等[9]分别结合白云面板坝及株树桥面板坝的工程经验提出高面板坝总渗漏量达到800～1 000 L/s时需进行加固处理的经验标准。江坪河水电站采用坝型为高面板堆石坝，通过混凝土面板、趾板、防渗帷幕形成的统一防渗体系进行渗漏控制，并在主要地下建筑物、灌浆廊道下游侧设置排水孔以降低孔隙水压力。开展江坪河水电站坝址区的三维渗流计算可得到坝体及两岸山体渗流的分布规律，确定坝址区的渗漏量以及软弱地层的渗透坡降，判断在现有渗控措施下坝体及岩体渗透稳定性的情况，为系统研究渗控措施提供支持。

1 渗流分析理论

岩土体的渗流问题一般可认为是符合达西定律的层流，基于连续介质理论，地下水在岩土体中的运动规律可按多孔介质中的渗流控制微分方程加以描述，将岩土体视为不可压缩土体并忽略水体的压缩性，得到等效岩体的稳定渗流控制方程为

(1)

式中，Kij为介质的渗透张量(i，j=1， 2， 3)；h为待求水头函数。该控制方程需要满足以下四类边界条件，即

(2)

(3)

式中，Γq为流量边界；qn为边界流量。

(4)

式中，Γf为稳定渗流的自由面。

(5)

式中，Γs为潜在溢出面边界。

对于该渗流问题求解过程中存在的强非线性，陈益峰等[10-11]、Zheng等[12]提出的SVA法对于含复杂渗控结构的渗流分析问题具有较好的数值稳定性及鲁棒性。本文采用SVA法对江坪河水电站坝址区渗流场进行模拟。

2 计算模型

2.1 工程概况

江坪河水电站位于湖北省鹤峰县溇水干流上游河段，坝型选用混凝土面板堆石坝，最大坝高219.0 m，大坝下游设置混凝土面板及量水堰以收集监测坝体渗流量；厂房采用地面式厂房，设置在左岸下游，安装2台225 MW发电机组，由两条引水管道供水；右岸平行布置了一孔泄洪放空洞、两孔溢洪道[13]。

坝基位于河道长约600 m的“V”形岩溶峡谷中，河床覆盖层厚19 ～32 m，两岸多为悬崖陡坡，出露地层为寒武系下统龙王庙组～中统孔王溪组，地层产状N 30°～40° W，SW∠10°～18°。

2.2 有限元模型

为了计算得到坝址区三维渗流场，通过对坝址区工程地质和水文地质条件分析，建立了对坝址区地形地貌、地层结构、主要地质构造、主要建筑物和防渗排水体系不同程度模拟的有限元模型。模型上下游边界距离坝轴线1 000 m，左侧边界自大坝中线向左岸山体1 000 m，右侧边界自大坝中线向右岸山体1 400 m，模型底部高程取-150 m。坝址区有限元模型如图1所示，模型包含单元7 225 418个，节点1 738 857个。坝址区主要防渗结构如图2所示，采用具有一定厚度的实体单元进行模拟。

图1 坝址区三维有限元模型

图2 防渗结构示意

2.3 计算参数及边界条件

表1 大坝材料及地层渗透系数取值 cm·s-1

图3 大坝典型剖面自由面及水头等值线分布(单位：m)

计算工况选取大坝正常运行工况，上游水位470 m，具体边界条件如下：上游库水位淹没区域取定水头边界，水头值取正常蓄水位470 m；下游河道取为定水头边界，水头值为290 m；上下游侧边界及左右侧边界取根据勘探期监测到的地下水位外推并通过插值得到，作为定水头边界；洞室(导流洞、泄洪洞、溢洪道、引水隧洞)库水淹没区取定水头边界；模型底部边界取隔水边界；470 m高程以上模型上表面、灌浆廊道、洞室其余洞段内表面、排水孔均按照潜在溢出边界考虑。

3 渗流计算成果分析

3.1 大坝典型剖面渗流场分析

在正常运行工况下，大坝典型剖面自由面及水头等值线分布如图3所示。从图中可以看出，由于面板与垫层渗透性相差较大，自由面在与垫层料的接触面处回弯，之后自由面紧贴着面板与垫层接触面急剧下降，在坝体堆石区较为平滑，并在下游面板顶部296 m高程处溢出。自由面仅在渗透性相差悬殊的2种介质之间产生回弯，符合自由面的基本几何性质[14]。等水头线在面板处高度集中，在帷幕处分布密集，坝体内部水头线稀疏，水头值小，说明面板及帷幕阻水作用明显。

左右岸坝址区296 m高程平切面的水头等值线分布如图4所示。从图4可以看出，水头线分布特征在防渗帷幕前后有明显的差异，上游侧水头线较下游侧密集，帷幕起到了明显的阻水作用，右岸帷幕在山体侧延伸较长，右岸下游水头线较左岸分布更稀疏，绕帷幕的渗流更弱。防渗帷幕显著减小了坝址区下游侧的渗透压力，较好地阻隔了库水从上游向下游渗漏。由于左、右岸山体具有较高的地下水位，山体两侧地下水有绕过防渗帷幕向坝址区下游渗漏的趋势。

图4 296 m高程水头分布平切面(单位：m)

大坝中心剖面渗透坡降分布如图5所示，最大渗透坡降出现在上游黏土铺盖下的混凝土面板中，最大渗透坡降约为180；防渗帷幕的渗透坡降最大值为38.9。垫层料和过渡料的渗透坡降分别为1.3和0.927左右，堆石区中的渗透坡降普遍小于0.1，在下游溢出点处渗透坡降0.39。总体来看，帷幕及面板在渗控中起到了主导作用，坝体各分区渗透坡降都较小，坝体防渗性能及渗透稳定性较好。

图5 大坝典型剖面渗透坡降

图地层渗透坡降分布

3.3 帷幕防渗性能分析

防渗帷幕的主要作用是阻断各种结构面组合形成的渗漏通道。帷幕在截断断层F311处渗透坡降较大，对比防渗帷幕截断断层F311与未截断断层的情况，分析防渗帷幕的性能。渗流场对比情况见图7。从图7可以看出，当帷幕未能截断断层F311时，帷幕下游岩体自由面较正常工况有较小地上升，水头变化明显，上游侧水头减小，下游侧水头增大。未截断断层帷幕处等水头线密集，表明此时帷幕较好地发挥了作用。坝址区防渗帷幕在截断断层F311处渗透坡降最大可达38.9，出现在靠近趾板位置截断后断层内部渗透坡降最大值为4.1，当断层未被防渗帷幕截断时，断层内部最大渗透坡降增加至8.3，渗透坡降较大的区域也明显增多。由此说明，防渗帷幕截断断层后，有效地提升了岩体的渗透稳定性。

表2 坝址区不同计算工况渗漏量 L·s-1

图7 不同工况断层F311剖面渗流场对比(单位：m)

正常运行工况及帷幕未截断断层F311工况通过坝体和进入灌浆廊道的渗漏量如表2所示，表中所列渗漏量未考虑降雨的影响。由表2可知：正常工况下，坝址区总渗漏量为129.12 L/s，主要由坝体及左右岸低高程灌浆廊道的渗漏量组成。当帷幕未能截断断层F311时，通过坝体的渗漏量增加约3.3 L/s，左岸廊道渗漏量增加约0.62 L/s，右岸廊道渗漏量变化小，坝址区总渗漏量增加3.96 L/s。总体而言，防渗体系可以有效截断渗漏通道，可以控制绕坝渗流，防止渗透破坏的发生。

4 结 语

本文通过建立江坪河水电站坝址区有限元模型，采用SVA法计算分析坝址区渗流场，得出如下结论：

(1)在现有的防渗体系下，面板对坝体防渗起了主导作用，阻止上游库水通过坝体的渗漏，自由面在坝体内部平缓，溢出点位置在下游面板顶部，高程约296 m处；防渗帷幕起到辅助防渗作用，壅高了帷幕上游侧水位、延长了绕坝渗流的渗径；坝址区渗总量为129.12 L/s，渗漏量得到一定控制。