缅甸滚弄水电站坝基渗流过程及渗控优化精细模拟

刘晓丽，王恩志

(1.清华大学 水利系，北京市海淀区清华园1号 100084；2.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京市海淀区清华园1号 100084)

1 工程概况

滚弄(Kunlong)水电站位于缅甸联邦境内丹伦江上游的掸邦省滚弄县户里乡，坝址至户里乡约7km，至中国耿马孟定清水河口岸37km左右[1-2]，如图1所示。

图1 滚弄水电站坝址范围Fig.1 Dam site range of Kunlong Hydropower Station

工程正常蓄水位为519m，对应库容为6.59×108m3，具有日调节功能，总装机容量为1400MW。拦河坝采用混凝土重力坝，河床布置厂房坝段、右岸布置溢流坝段，两岸布置非溢流坝段，厂房坝段两侧布置冲沙底孔，进厂交通及安装场布置于左岸。厂房内装5台混流式水轮发电机组，右岸布置2条泄洪兼导流洞。挡水建筑物为混凝土重力坝，坝顶高程523m，建基面最低高程420m，最大坝高103m，坝顶长度482m。混凝土重力坝由左右岸非溢流坝段、左右泄洪冲沙底孔坝段、溢流坝段、厂房坝段组成，共15个坝段。

1.1 坝址地质条件

枢纽区内地形总体为高山峡谷地貌，纵向上河谷形态由上游向下游逐渐由窄变宽。坝段区左岸山体较右岸雄厚，冲沟切割不深，地形较完整。右岸分布的冲沟切割较左岸深，数量也较多，地形完整性略差。坝段区地层总体为一套海相及滨海相的碳酸岩和碎屑岩沉积而成，地层层位相当于中国云南省境内的古生界、二叠系下统沙子坡组(P1s)，坝址区内第四系(Q)分布广泛，崩坡堆积在整个坝段区较为普遍。坝址区岩体为岩屑角砾岩，钙质含量较高，岩体具一定的溶蚀现象。岩溶作用多发生于砾岩的浅表部，包括强风化、弱上风化和部分弱下风化岩体，微新岩体岩溶作用一般不明显，且多沿断层、挤压面、岩层层面等结构面发育，其规模一般较小。规模较大的溶洞主要分布于卸荷带内的构造裂隙上或不同岩性接触的层面上，向下在微新岩体内溶蚀作用轻微。选定坝址分布有一倾伏背斜，背斜的核部即位于坝址区，背斜轴的走向约N40°～45°E，向SW约40°～55°倾斜。坝址区Ⅲ级及Ⅲ级以上断层的分布总体呈NE向，部分呈NW向，多中、陡倾SE或NW，局部倾向SW或W，主要构造格局均与坝段周边地区的断裂基本一致；Ⅲ级以下的小断层(f)、小挤压带(g，G)等结构面也较发育。左岸砂岩内多以层面为主，发育间距较小。在岩屑角砾岩中节理不发育或较发育，间距相对较大。受溶蚀裂隙的影响，角砾岩节理裂隙连通性好，岩体透水性强，地下水位分布低缓，坝基两岸地下水位分布高程基本与江水位一致或略高于江水面；岩体相对隔水层(q≤3Lu)两岸略有差异，左岸铅垂埋深约70～80m，右岸埋深75～100m，河床埋深45～60m，坝基岩体防渗处理条件复杂。

1.2 坝址水文地质条件

枢纽工程区地处热带雨林气候，雨季持续时间长，年降雨量极为丰富。降雨季节主要集中在4月～10月间，地下水主要受大气降雨补给。坝段区地下水属典型性河谷型渗流，丹伦江为区内最低排泄基准面。

由于坝段区属高山峡谷地貌，且碳酸盐岩分布面广，岩体透水性极强，加之冲沟汇水面积不大，水源补给有限，冲沟沟内多干涸，地表大气降雨一般直接沿喀斯特溶孔、溶隙和溶洞下渗排入丹伦江，因此，区内缺乏完整的地表水系。地下水系统比较复杂，两岸地下水与地表水和江水联系密切，地下水位随枯、雨季节的交替、降雨量大小和江水的涨落反应灵敏，两岸地下水位与江水位变化同步性较强。坝址岩体透水性总体较大。左岸透水性岩体(相对3Lu线)厚度约75～110m，右岸60～70m，河床较深，为40～110m；上部角砾状白云质灰岩因后期胶结作用，透水性较小(约0.5～1.2Lu)，中部为砾岩，透水率在19～24Lu之间；下部的砂岩则为不透水性岩体。低处钻孔ZK154基本以岩性分界线为界，岩屑角砾岩总体为相对较透水性岩体(一般1～5Lu)，砂岩透水性则相对较弱。

由于地质条件复杂，需要对坝址区坝基和两坝肩岩体进行渗流分析及渗控措施研究，为坝基渗控设计提供科学的依据，以实现滚弄水电站坝基防渗的高质量设计，合理确定坝基帷幕、排水措施，提高工程的安全可靠性，使工程的设计既经济又安全。基于此，文中构建了精细的三维复杂坝基地质模型，结合坝基水文地质和工程地质特点，采用三维有限元法计算分析坝基、坝体渗流特性。针对帷幕和排水的深度、两岸帷幕延伸长度、帷幕排数、帷幕和排水孔幕的间排距、排水的不同布置方案及辅以固结灌浆防渗的合理性和可行性进行敏感性分析，对相应设计方案进行优化。

2 渗流计算原理与模型

根据坝址岩体渗透结构特征，采用双重裂隙系统渗流模型进行分析。双重裂隙系统是由主干裂隙系统和其间的裂隙岩块系统构成的具有导水(或隔水)、贮水双重作用的水文地质体[3-5]，主干裂隙系统由岩体中各类断层、大裂缝及孔洞组成，裂隙岩块是指被主干裂隙所分割的各种块体，其块体中发育有各种节理、裂隙及溶隙和孔隙。主干裂隙在岩体渗流场中起主导控制作用(所谓主导控制作用包括了导水和隔水作用)；裂隙岩块上发育众多的细小裂隙为渗流提供较大贮存空间，在裂隙岩体中以贮水作用为主。被主干裂隙所分隔的各裂隙岩块间通过主干裂隙而发生间接的水力联系。双重裂隙系统渗流模型是由主干裂隙网络渗流方程和各裂隙岩块渗流方程耦合而成。主干裂隙网络按其渗透结构形式分为带状断层类、面状裂缝类和管状孔洞类，由这些结构在空间上以体单元、面单元和线单元组合，构成了三维空间的主干裂隙网络。

管状孔洞类渗流为沿裂隙段方向的局部坐标系下的一维流，其稳定态渗流连续性方程为：

(1)

式中：x′为沿裂隙面的渗透主方向；Hf为水头；Qf为源汇流量。

面状裂缝类渗流为裂隙面局部坐标系下的二维流，其稳定态渗流连续性方程为：

(2)

式中：x′，y′为沿裂隙面的渗透主方向；Hf为水头；Qf为源汇流量。

带状断层类渗流为三维流，其稳定态渗流连续性方程为：

(3)

式中：x′，y′，z′为断层单元的渗透主方向；Hf为水头；Qf为源汇流量。

对任一裂隙岩块，其周边为主干裂隙。将主干裂隙中的水头分布作为相邻裂隙岩块的水头边界条件，可得到任一裂隙岩块的渗流数值方程。裂隙岩块渗流为三维流，其稳定态渗流连续性方程为：

(4)

式中：x′，y′，z′为裂隙岩块单元的渗透主方向；Hs为水头；Qs为源汇流量。

两系统间水量交替方程[3]可表示为水头的函数：

(5)

式中：W为单位流量，下标1，2为主干裂隙两侧与裂隙岩块的接触面，n为接触面的法向。

对上述方程在计算区域上进行离散，按主干裂隙与裂隙岩块接触面上的水头相等作为条件，将两类系统的渗流方程的渗透矩阵进行叠加组合，形成双重裂隙系统渗流数值模型：

(6)

式中，[Gf]为主干裂隙网络的渗透矩阵；[Hf]为主干裂隙网络结点上的水头；[Rs]为裂隙岩块的渗透矩阵；[Hs]为裂隙岩块中的结点水头；[Rf]为与主干裂隙网相邻接的裂隙岩块单元的渗透矩阵；[Hf]为主干裂隙网络的源汇项及边界水头、流量项；[Es]为裂隙岩块中的源汇项及边界水头、流量项；m为裂隙岩块的个数。

3 地质模型及边界条件

由于坝址区渗流作用影响大，作用广，因此模型的尺寸比较大。尺寸大小为：1200m(坝轴方向)×1400m(河道方向)×900m(竖直方向)。如图2所示，矩形框为建模的水平范围；粗线为坝轴线，坝轴线上游细线为f3。

图2 坝址区地形和建模范围示意图Fig.2 Sketch map of topography and modeling scope of dam site area

模型坐标轴方向：x轴，大致与河道平行，方向从上游指向下游，绝对方向为南偏东25°；y轴，大致平行坝轴，从右岸指向左岸，绝对方向为东偏北25°；z轴，正方向垂直向上。建模范围：左岸600m，右岸600m，上游600m，下游800m，海拔高程0～900m。

3.1 地质与结构模型

模型考虑了坝体、廊道、帷幕(主帷幕、副帷幕)、排水(主排水、副排水、纵向排水)、固结灌浆区；地形地貌、地层、断层、风化层、隔水层等[6]。

具体考虑的地层包括：P1s4白云质灰岩；F3断层；P1s3-2c岩屑角粒岩；P1s3-2b紫红细砂岩夹岩屑角粒岩；P1s3-2a岩屑角粒岩；P1s3-1b紫红细砂岩；P1s3-1a紫红细砂岩夹岩屑角砾岩；P1s3-1a岩屑角砾岩；P1s3-1a紫红细砂岩。考虑的风化层有：强风化带，弱风化带，微新风化带。考虑的隔水层顶板界限：3Lu和1Lu隔水分界线。地质构造模型见图3。

3.2 三维数值模型网格划分

共划分出43899个节点、239856个计算单元与305个渗透特性材料分区。计算单元为四面体单元，尺寸一般在10～50m之间。其中断层单元厚度只有0.5～1m；帷幕廊道的单元尺寸较小，为1～10m；河床、坝体单元尺寸中等，为10～20m；两岸或深层的岩体单元尺寸最大，为20～50m。模型网格划分结果如图4所示。

(a)右岸三维视角 (b)左岸三维视角

图4 整体及工程结构体有限元网格Fig.4 Finite element mesh of integral and engineering structures

计算模型中左岸帷幕距左坝肩的最大距离为200m，右岸帷幕距右坝肩的最大距离为300m，坝基处最大深度90m，底边界高程为330m，见图5。所有的帷幕与排水共有200多个材料分区来对应不同工况、不同地层的计算，见图6。

图5 主帷幕布置与材料分区Fig.5 Main curtain layout and material partition

图6 帷幕排水系统布置Fig.6 Curtain and drainage system layout

3.3 渗透参数选取

坝址区不同结构选取不同的渗透参数，如表1所示。

表1 坝址区各结构的渗透特性Tab.1 Permeability characteristics of various structures in dam site area

3.4 边界条件

左右两岸山体的边界条件采用二类补给边界，用水力梯度的大小来模拟边界的补给，这样可以在不同工况下来模拟边界上不同的地下水位值。根据水文资料，Ⅰ勘线两岸的地下水位左岸略高于右岸，但水位形态分布低缓，左岸水力坡降小于10%，右岸约7.8%；Ⅱ勘线地下水位基本呈水平状态分布，水位线向两岸延伸基本不变，各钻孔孔内的水位高程与江水位基本保持一致；Ⅲ勘线两岸地下水位也较低缓，但右岸较左岸略有改善，相应的水力坡降左岸为0.6%，右岸则为6.2%。河流的平均水力坡降为0.001。由此初步定出6个水力梯度边界分区(见图7)，进行原始地下水位的数值计算反演模拟分析。

图7 边界条件确定Fig.7 Determination of boundary conditions

4 三维渗流场敏感性分析

三维渗流场分布如图8所示。考虑坝基上游防渗帷幕深度、左右岸防渗帷幕长度和深度、渗透系数(地层岩体、坝体)，以及坝体排水深度和长度发生变化时对渗流场的影响，计算工况条件为正常蓄水位(上游正常蓄水位519.000m，下游正常尾水位454.37m)，并在岸坡设自由溢出点，会在计算程序中迭代搜索自由溢出面。

图8 三维渗流场分布Fig.8 3D seepage field distribution

根据以上模型，对坝基帷幕深度、左右岸帷幕长度、坝基排水孔深度、以及防渗帷幕、排水孔幕、固结灌浆区、坝基地层、F3断层、溢流表孔坝段等结构的渗透参数进行了敏感性分析。以下仅对坝基帷幕深度、坝基排水孔深度及防渗帷幕渗透参数等的敏感性进行分析。

4.1 坝基帷幕深度敏感性分析

左岸帷幕长度固定为120m，右岸帷幕长度固定为280m，变化坝基帷幕深度，帷幕底线高程从420m变化至330m，平均每段约10m，共进行10种工况的渗流计算。坝基帷幕底部轮廓与地层平行，设置30m的主排水帷幕。帷幕深度的起始值0m是从坝基最低点420m起算。得到不同帷幕深度工况下的渗流场、渗流量和扬压力等并进行分析(见图9)。

图9 不同坝基帷幕深度的坝基扬压水头曲线Fig.9 Uplift head curve of dam foundation with different curtain depths

由图9可以看出，随着坝基防渗帷幕深度的增加，帷幕有效的阻止了水库的渗漏，坝基扬压力和上游渗漏量不断减小。坝基帷幕底边高程宜在370～375m左右，即帷幕深度45～50m为宜。

4.2 坝基排水孔深度敏感性分析

排水孔幕分区如图10所示，对坝基上游排水孔深度进行分析。灌浆廊道最低处底板高程为420m，排水深度的起算点从420m开始。变更排水孔的底边界高程依次为420m，410m，400m，390m(排水孔深度设计值)，378m，370m，360m，350m，340m，330m，求出不同排水孔深度所对应的坝基扬压力和渗流场等，见图11。

图10 排水孔幕分区Fig.10 Division of drainage hole curtain

图11 排水孔深度敏感性分析Fig.11 Sensitivity analysis of drainage hole depth

从图11得计算结果可知，适当设置排水孔幕后坝基扬压力会明显下降。当排水孔深度从0m增加10m，坝基扬压力急剧下降达到最低值。当超过20m时，由于排水孔幕过长，连通了上游的高水头压力，且使渗透量增大，反而导致坝基扬压力略微增大。一般来说，倾向下游的较长排水能降低下游区域的扬压力，但是本设计方案已经在30m和60m后设置了辅助的纵向排水，因此上游的主排水不需要太深。上游渗漏量随着排水孔深度增加而增加，在排水孔深度从0m增至30m时，上游渗漏量增加较快；排水孔深度在30m至50m时，上游渗漏量增加速度变缓。坝基主排水孔的深度20m，就能很好地减少坝基扬压力。

4.3 防渗帷幕渗透参数敏感性分析

帷幕渗透参数初始值为0.5Lu，通过调整其取值，对渗流场进行分析(见图12)，研究其对渗流场的影响。

从图12可知：防渗帷幕渗透参数越小，防渗质量越好，扬压力与渗透量都越小；相反，防渗帷幕参数越大，扬压力与渗透量都越大。缩小渗透参数比放大参数引起的变化量要小，说明帷幕设计的深度与排数已经比较合理，已经能很好地阻止渗漏和减少坝基扬压力，再增加帷幕排数所带来的效益不明显。如果当防渗帷幕系统局部失效时，其渗透系数增大，则渗漏量与坝基扬压力将会增加。

(a)帷幕渗透系数与上游渗透量关系 (b)不同帷幕渗透系数与坝基扬压力

5 结论

建立了精细地质与工程结构模型，采用三维有限元分析对坝基防渗帷幕深度、左岸和右岸防渗帷幕长度、坝基排水深度以及帷幕、固结灌浆区、坝基附近地层、断层抗渗性能等对渗流场的影响进行了详细的敏感性计算分析，绘制了渗流水头等值线图和水力梯度等值线图以及敏感性变化曲线和列表数据，对枢纽区的渗流场变化规律和特点有了深入的认识，得到了以下结论和建议：

(1)坝基帷幕深度的计算结果表明，随着帷幕深度的增加，坝基扬压力和上游渗漏量减小，变化趋势随帷幕深度增加逐渐变小。当帷幕深度超过35m后进入相对隔水层(<3Lu)，坝基扬压力和渗漏量的变化幅度开始明显减小。如考虑隔水层位置及岩溶等不确定因素，宜适当加深帷幕。

(2)随着左岸帷幕长度增大，渗漏量减小，帷幕下游的地下水位也在下降。当左岸帷幕长度超过60m后，渗漏量变化幅度开始减小；100m以后，帷幕长度的增加引起渗漏量和下游水位的变化的变幅就很小。右岸帷幕长度改变时，渗漏量和帷幕下游的地下水位都会发生变化。当右岸帷幕长度超过100m后，帷幕长度的增加引起渗漏量的变化已经较小，引起的下游水位变化幅度也已经较小。相对左岸来说，由于右岸风化较强，相对隔水层较深，且有断层F24和挤压带，因此右岸帷幕长度应较左岸帷幕长。

(3)排水系统模拟采用了等效窄缝来代替排水孔幕，等效窄缝的渗透参数与排水孔幕所在岩体的渗透参数和排水孔间距有关，能较好地反映本枢纽区岩体排水孔幕的排水作用。同时还可以通过改变等效窄缝渗透系数，来模拟排水孔不同程度的失效对渗流场的影响。

(4)坝基排水孔幕深度敏感性计算表明，在防渗帷幕深度固定的情况下，排水孔深度的变化引起坝基扬压力和渗流量的改变，排水孔深度从0增加到10m时，扬压力快速减小并达到最低值。当超过20m时，由于排水孔幕过长，连通了上游的高水头，且使渗透量增大，反而导致坝基扬压力略微增大。而上游渗漏量随着排水孔深度增加而增加，在排水孔深度从0m增至30m时，上游渗漏量增加较快；在30m至50m时增加速度变缓；大于50m，上游渗漏量几乎不变。因此坝基排水孔的最适宜深度是20m，孔底高程400m，能很好地减少坝基扬压力。在设置防渗帷幕的前提下，多条的排水孔幕能够将坝基的扬压力降得更低，但要注意管涌等渗透破坏。

(5)根据渗流场敏感性分析结果，建议坝基的防渗帷幕深度为45m，与相对隔水层相接，坝基的排水孔幕深度为20m，左岸防渗帷幕和排水孔幕长度宜为110m，右岸防渗帷幕和排水孔幕长度为220m。

(6)较大渗透比降的出现位置包括：坝踵迎水面高程445m附近、坝基帷幕根部与坝基相接处、帷幕底端(380m)附近的基岩、两岸帷幕根部与坝肩相接处且接近廊道排水孔口。在这些关键的部位宜加强防渗保护，适当加厚帷幕防渗灌浆，防止管涌等渗透破坏，影响工程质量。

(7)计算结果表明坝基地层的岩溶与断层的渗透性变化对渗流场有明显不利影响，会增大渗漏量和坝基扬压力。而固结灌浆能有效减少渗漏量和坝基扬压力。建议对坝基和坝肩附近的断层和岩溶加强防渗固结灌浆。

(8)减少排水孔距能更进一步降低扬压力，但渗漏量也会增加；增大排水孔距有相反的效果。减少排水孔距至2m，渗漏量会增大4%，扬压力只减少3.4%；增大排水孔距至4m，渗漏量会减少2.2%，扬压力增加2.3%。相比较，原方案3m的排水孔距更加合理。