旭龙水电站坝基及右岸地下厂房防渗排水效果研究

盛小涛 崔皓东 阮福民

摘要：为优化金沙江上游旭龙水电站坝基及右岸地下厂房区渗控布置方案，运用三维有限元渗流模拟方法，分析比较了大坝运行期不同设计方案P1、P2、P3和P4的渗流控制效果。结果表明：在拟定基本方案P1条件下，坝基及地下厂房区围岩内形成明显的地下水降落漏斗，渗流控制效果显著，主帷幕水力比降为17.0;设计方案P2优化了排水孔布置，在基本方案基础上将排水孔间距扩大一倍，计算结果表明帷幕后水压力较基本方案抬升明显，坝基主帷幕水力比降减小为7.6，渗流量略微上升，但增幅不超过3.7%;方案P3减小了帷幕设计深度，结果依然能够达到与方案P1近乎相同的渗控效果;对方案P4帷幕渗透系数敏感性进行分析，计算结果表明帷幕渗透性对区域渗流场影响较大，主帷幕比降为43.3，渗流量减少约20.9%。由于坝址深部岩石渗透性弱，在确保地层完整性较好的条件下可适当简化帷幕布置;排水孔间距为3～6 m布置时，渗透量变化较小;渗流场对帷幕渗透性变化较敏感，应保证防渗帷幕施工质量。该研究成果可为大坝及地下厂房区帷幕、排水设计与施工提供参考。

关 键 词：

地下厂房区; 渗控措施; 渗流场; 旭龙水电站

中图法分类号： TV731

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.017

1 工程概况

旭龙水电站是金沙江上游河段规划的一个梯级电站，大坝拟采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程 2 308 m，建基面高程 2 095 m，最大坝高 213 m[1-2]。坝下游采用混凝土水垫塘消能，塘底尺寸 280 m×60 m（长×宽），水垫塘底板混凝土厚3 m，顶高程 2 108 m。引水发电建筑物布置在右岸，采用引水式地下厂房，主厂房位于右坝肩下游，洞室围岩为花岗岩，下游依次近距离布置主变洞和尾水调压室。

拟定坝址河段金沙江河势顺直，河谷为深切峡谷地形，两岸地形对称性较好。坝基出露的基岩从老至新有雄松群3段（Pt2X3）斜长角闪片岩和混合岩，以及三叠系时代印支期侵入的花岗岩（γ51）。右岸坝基岩体均为A类坚硬岩，绝大部分属于ⅠA及ⅡA，局部属Ⅳ1A，未卸荷岩体完整-较完整，岩体质量好。主厂房、主变洞、尾水调压室建基面岩体均为新鲜花岗岩（γ51），岩体渗透性均比较弱，有利于优化防渗排水布置。地质构造方面坝址河段河谷没有大的順河向断层发育[3]，共有断层70余条，多为裂隙性断层，断层规模较小，宽度一般为0.20～0.50 m。

2 防渗排水措施设计

水库正常蓄水位2 302 m，下游运行水位2 153 m，为减少坝基渗漏量和绕坝渗漏量、降低厂房区地下水位，在坝基、厂房上游侧和山体侧设置防渗帷幕、排水孔幕[4-6]。在帷幕和坝基排水的共同作用下，控制坝基渗透压力。

2.1 坝基防渗及排水设计

（1） 坝基防渗帷幕。

坝基防渗帷幕沿基础灌浆廊道布置，右岸帷幕出坝端后延伸约145 m，与地下厂房防渗帷幕衔接。依据DL/T 5346-2006《混凝土拱坝设计规范》[7]要求，帷幕深度按照0.3～0.7倍坝前静水头选择，拟定帷幕深度100 m（见图1）。

（2） 坝基排水[8]。

沿坝基廊道及底层灌浆平洞防渗帷幕下游侧布置基岩排水俯孔。依据文献[7]，排水孔孔深宜为帷幕深度的0.4～0.6倍，排水孔间距宜采用2～3 m。拟定排水孔孔深为相应部位帷幕深度的2/3，孔间距为3 m。

（3） 水垫塘封闭帷幕排水[9]。

沿水垫塘两侧基础廊道布置单排防渗帷幕，形成封闭帷幕，水垫塘轴线长320 m，帷幕底线高程2 050 m。

2.2 地下厂房区防渗帷幕及排水方案

（1） 地下厂房帷幕。

地下厂房上游侧帷幕左侧与大坝右岸防渗帷幕衔接，右侧延伸至厂房右边墙外55 m处再向下游方向延伸259 m成山体侧帷幕，如图2所示。[10-12]

（2） 地下厂房区排水。

拟采用全封闭式排水幕，沿主厂房[13]、主变洞及调压室四周呈“口”字形布置，主洞室顶部设置排水孔幕，将主洞室完全包围在排水体系之内，排水孔孔径均为91 mm，孔间距也均为3 m（见图3）。

3 渗流模拟计算方法及模型

为优化坝基及右岸地下厂房区防渗排水设计，变换排水孔间距、帷幕深度及帷幕渗透性等设计参数，设计4种方案，计算各方案运行期特征点的压力水头并统计排水孔的流量，以比较分析变换设计参数的影响。

3.1 数值模拟方法

采用三维有限元数值模拟计算方法求解渗流场，对于渗流自由面求解方法很多专家已做了大量研究[14-19]，这里不再赘述。本文主要涉及到的其他技术包括排水孔模拟、流量统计及断层带模拟等，下面作简要介绍。

3.1.1 排水孔模拟

排水孔壁是渗流场内部的可能排水边界，是影响渗流场分布的重要因素，拟定排水孔孔径为91 mm。对于大区域而言该尺寸极小，为精细模拟排水孔结构，按实际尺寸对有限元网格直接进行二次建模剖分，模拟排水孔结构[20-21]。根据其排水特点，排水孔可分为自由出逸型和孔口溢出型，通俗称为仰孔和俯孔。仰孔处于自由面以上部分为不排水边界，自由面以下部分为自由出逸边界。俯孔以单个排水孔作为整体研究，于孔顶处设虚构开关器，按照公式（1）计算其流量值，判断排水孔是否发挥作用。

Q（xi）=-eNPEi=1kejl（hitl）e（1）

式中：k为孔周边单位e传导矩阵中第j行第l列元素，并且单元e中局部编号j为孔周边节点对应节点xi;it是渗流场迭代次数。以排水孔顶部节点流量正负值判断排水孔是否有效，流量为正则排水孔有效。

3.1.2 流量统计方法

基于固定网格的改进节点虚流量法在水利水电工程三维渗流计算中得到广泛应用，本文即采用该方法计算自由面及节点水头[18-22]。对于该方法的理论论证、验证很多文献均有记载，此处不再赘述。依据达西定律，按式（2）统计过流断面S上的渗流量QS：

Qs=-ni=1emj=1keijhej（2）

式中：n为过水断面S上的总节点数;e为对计算域中位于过水断面S一侧的那些环绕节点i的所有单元求和;m为单元结点数;keij为单元e的传导矩阵ke中第i行j列交叉点位置上的传导系数;hej为单元e上第j个节点的总水头值。

3.1.3 断层带模拟

模型区域主要分布有3条横河向断层，其中F1，f3断层贯穿河床两岸，f10断层位于右岸坝肩及地下厂房之间。构造岩主要为碎块岩、碎裂岩，局部夹断层泥，性状较差，渗透性较强。本文地下工程结构及断层条件均比较复杂，适合采用隐式复合材料单元法对刚度矩阵进行变化[23-24]，以模拟断层影响。首先建立无断层有限元数字模型，然后确立被断层“切割”的岩体，针对断层穿插和包裹的单元，修改其单元刚度矩阵。计算公式如下：

Ae=vrBTKrBdvr+vfBTKfBdvf（3）

式中：Kf表示断层渗透系数矩阵;Kr表示岩体渗透系数矩阵;Vf表示岩体单元受断层影响的体积;Vr表示剩下未受断层影响的部分岩体单元体积。

本文采用长江科学院三维渗流计算软件SFA 2.0中的SSC-3D模块来模拟，它在乌东德水电站[6]、南水北调中线工程等项目中得到了应用。

3.2 渗流计算模型

模型范围以拱冠梁底座中点为中心，向上下游分别延伸700，1 000 m，向右岸山体侧延伸1 300 m。山体侧地下水位相对稳定，可作为定水头边界条件，水位高程取2 260 m，作为地下水补给边界（见图4）。为了避免边界效应的影响，模型下边界取至1 555 m高程处。上游水位为正常蓄水位2 302 m，下游水位2 153 m。以河床中心线为隔水边界，建立坝址区右岸三维渗流模型，有限元节点数211 613个，单元数184 586个，防渗帷幕及排水孔幕网格如图5所示。

4 计算结果与分析

计算运行期工况，共设置了4种研究方案，具体如表1所列。

根据工程材料特点及地质勘察资料进行渗透分区，如表2所列。

分別计算分析4种方案渗流场，统计右岸坝基和地下厂房区排水体系仰孔及俯孔渗流量。选取孔间对称断面上的特征点AB、CD具体位置分别如图1和6所示，列出计算水头值（见表3）供对比分析。河床中心线附近A点位于主帷幕上游侧;B点位于主帷幕下游侧，A点和B点的高程为建基面高程2 095 m。C、D处的水位分别为厂房上游帷幕处上下游的自由面高程。流量统计结果如表4所列。需要说明的是，流量的绝对值与模型范围有关，在范围足够大的情况下，表4中不同方案流量计算值可以对比说明渗流控制效果。

方案P1是运行期拟定的方案，帷幕深度及排水孔间距均满足规范要求，河床坝段帷幕底高程1 995 m。从近河床中心线（X=8.0 m）及“切割”右岸厂房区（X=312.7 m）的渗流场典型剖面图及渗流量统计可知（见图7，8）：右岸坝基排水孔单日渗流量为1 950.1 m3，主帷幕和排水系统迅速降低坝基压力水头，坝基及地下厂房区围岩内形成明显的地下水降落漏斗，坝基主帷幕上下游水头差近51.0 m，帷幕承受水力比降为17.0，坝趾局部渗流集中;厂房区大部分处于非饱和区，厂房底板不承压，厂房区渗流量约2 840.0 m3/d;在断层带附近局部渗透性强，但对渗流场整体影响较小。

方案P2排水孔间距由3 m扩大到6 m，2 095 m高程主帷幕上下游水头差为26.0 m。比较P1、P2可知，坝后水压力较方案P1主帷幕周边水压力抬升明显，帷幕承受水力比降减小为7.6，渗流量总体无明显变化，增幅不超过3.7%。

方案P3在方案P1基础上减小帷幕深度至2 045 m，排水孔深度按比例减小至2 025 m。比较方案P3与P1总水头等势线及排水孔流量可知，降低帷幕及排水孔高程影响较小，这是因为坝基基岩完整性较好，渗透性弱。

方案P4变换帷幕渗透系数，进行敏感性分析。比较方案P4和P1得知，帷幕渗透系数降低一个数量级时，主帷幕渗控效果更为明显，帷幕前后水头差近130 m，主帷幕比降提升至43.3。厂房上游侧帷幕前后水头差近6 m，均起到很好的消减水头作用，厂房边壁地下水自由面高程下降13～15 m，各区域渗流量也明显降低，表明工程区渗流场对帷幕渗透性变化较敏感（见图9）。

5 结论与建议

根据对右岸坝基和厂房区运行期各方案的研究，得到以下结论并提出建议。

（1） 拟定的渗控方案效果显著，防渗帷幕和排水孔幕组成了有效的渗控体系，虽工程区断层对局部渗流场有所影响，但渗控体系作用显著。

（2） 排水孔幕为渗流场提供水头控制边界条件，因而是重要的控制措施。工程区排水孔间距由3 m扩大为6 m时，主帷幕周边水压力抬升明显，帷幕承受比降减小，流量总体无明显变化。排水孔优化方案还需要考虑到岩石裂隙发育不均。排水孔有效性依赖于妥善的运行维护。

（3） 渗流场对帷幕渗透性变化较敏感，说明帷幕工程质量很重要。河床坝段深部岩石及厂房区山体侧渗透性较弱，模型中帷幕深度变化对渗控效果影响不明显，帷幕主要是截断可能成为渗流通道的裂隙和断层及其影响带等。

（4） 随着设计工作的深入，利用更详细的地质资料，尤其是施工期资料，进一步开展分析研究工作，将有助于防渗排水体系的进一步完善和优化。

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（编辑：郑 毅）

Effect evaluation of seepage control measures for dam foundation and underground

powerhouse at right bank of Xulong Hydropower Station

SHENG Xiaotao1，CUI Haodong1，RUAN Fumin2

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2.Jiujiang District 14th Lian Wei Electric Drainage and Irrigation Station，Wuhu 241000，China）

Abstract：

In order to optimize the seepage control measures for dam foundation and underground powerhouse caverns at right bank of the Xulong Hydropower Station in the upper reaches of Jinsha River，the seepage control effect of different design schemes of P1，P2，P3 and P4 during the dam operation period were analyzed and compared by 3D finite element seepage simulation method.The analysis results showed that under the condition of basic scheme（P1），an obvious groundwater drop funnel was formed in the surrounding rock of the dam foundation and the underground powerhouse area，and the seepage control effect was significant，the hydraulic ratio of the main curtain was 17.0.In the scheme P2，the drainage hole spacing was doubled on the basis of the basic scheme，in which the water pressure behind the curtain rose more obviously than that of the basic scheme，the hydraulic ratio drop of the main curtain of the dam foundation was reduced to 7.6，and the seepage flow increased slightly，but the increasing rate was not more than 3.7%.In the scheme P3，the curtain design depth reduced，but it still nearly received the same seepage control effect as scheme P1.The sensitivity of curtain permeability coefficient of scheme P4 was analyzed，and the calculation results showed that curtain permeability had a great influence on regional seepage field.The main curtain ratio reduced to 43.3，and the seepage flow reduced by about 20.9%.Due to the weak permeability of deep rock in the dam site，the curtain arrangement can be simplified appropriately under the condition of ensuring the integrity of the stratum.When the spacing of drainage holes is 3～6 m，the change of permeability is small.Seepage field is sensitive to the change of curtain permeability，so the construction quality of anti-seepage curtain should be guaranteed.The research results can provide reference for the curtain and drainage design and construction of dam and underground powerhouse.

Key words：

underground powerhouse area;seepage control measures;seepage field;Xulong Hydropower Station