水底山水库库区三维渗流场反演分析及渗控效果评价

潘英杰，徐建军，谢兴华，卢 斌*，张 宇，谢东谊

(1.深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518036；2.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518001；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；4.山东省沂源县自然资源局，山东 淄博 256100)

渗流是坝工建设中一直注重的重要问题之一，水库渗漏不仅会影响运行效益，引起库区浸没等环境问题，还会给坝体与库岸边坡稳定带来风险，严重时甚至可能导致溃坝。因此，采取适当、有效的渗控措施对于大坝安全运行至关重要[1-3]。

在混凝土坝坝基中，为了有效地降低渗流量和扬压力，采用帷幕灌浆与排水孔幕结合的措施是工程中常采用的方法[4-7]，同时针对不同透水性的基础，帷幕深度和排水布置需要分别对待。通常认为，帷幕的主要作用是切断渗漏通道，减少坝基渗漏量；排水系统的主要作用是快速排出坝基中的裂隙水，降低坝基扬压力[4]。近年来，很多水库工程面临的坝址地质条件越来越复杂，如存在地质断层、深厚覆盖层、岩溶等问题，这对大坝渗控措施提出了更高的要求。渗流模拟是研究水库大坝渗控措施的主要方法之一，开展了大量复杂条件库区渗控评价研究[8-9]。如张文兵等[10]采用三维有限元模型研究了岩溶发育库区防渗系统，王旭辉等[11]通过对断层、深部卸荷带和防排水等结构精细化模拟，研究了某复杂地质条件下高拱坝的渗流场特性。许增光等[12]采用三维模型反演了含断层某库区渗透系数，并对不同方案防渗效果进行了对比。

本文以水底山水库工程为研究对象，通过精细刻画坝址节理发育带、防渗帷幕等结构，建立库区整体三维渗流有限元模型，开展天然渗流场反演与运行期渗流场模拟，对库区防渗效果进行分析与评价，研究成果可为类似工程渗控设计提供参考。

1 工程概况

水底山水库是深汕特别合作区(以下简称“合作区”)西部水源及供水工程在建的一座中型水库，位于合作区赤石镇明热河源头以下约8 km处，距离下游大龙潭约400 m。水库总库容约为1 929.2万m3，正常蓄水位140.00 m，相应库容1 582.5万m3，工程等别为Ⅲ等。水库建成后年可供水量约1 931万m3，可有效解决合作区用水供需矛盾，优化供水系统布局，对合作区经济社会可持续发展具有重要意义。

水库可研阶段推荐坝型为重力坝，坝顶高程为145.00 m，最大坝高69 m，坝顶宽10 m。大坝沿坝轴线长293 m，设置14条横缝，共15个坝段，其中，1—6号为左岸挡水坝段，7、8号坝段为溢流坝段，9—15号坝段为挡水坝段，单坝段平均长度19.53 m。

根据坝址区勘探钻孔压水试验资料统计分析，进入微风化岩后，岩体透水率普遍小于3～5 Lu，坝址区微风化岩一般可作为稳定的相对隔水层。结合地层分布情况，坝址地层渗透性主要分带如下：地表残积土和全风化岩为弱透水带，厚度0～8 m；强风化岩为中等透水带，广泛分布，厚约2～16 m(顶埋深0～20 m)；弱-微风化岩主要为弱透水带，局部存在裂隙发育带为中等透水，5～10 Lu带厚度约2～30 m(顶埋深8～32 m)，5 Lu线埋深约19～48 m。坝轴线剖面地层渗透性分区见图1。

图1 坝轴线剖面渗透性分区及帷幕灌浆范围

库区右坝肩山体单薄，岩体风化及地下水埋藏较深，存在绕坝渗流风险，易对右坝肩及右岸下游边坡的稳定性造成不利影响。以正常蓄水位与地下水位相交处作为防渗边界难以保证防渗边界封闭，故以进入相对隔水层作为防渗界限。帷幕防渗标准为5 Lu，帷幕底线深入5 Lu线以下不少于5 m(图1)，左岸及河床部位采用单排布置型式。为加强右坝肩防渗处理，帷幕灌浆线延伸至坝横0+305.43 m，折向山脊延伸至坝横0+348.50 m，以延长渗径(图2)，采用双排三角交叉布置型式，间距为2 m。

2 渗流模拟原理

根据Darcy定律和水流连续性方程，库区稳定渗流微分方程为[1-2]：

(1)

须满足：

无线数据传输由于其范围广，传输稳定等特点，完全可应用于海线管理中，实现数据进行实时监控，从而在发生事故的第一时间作出处理方案。此类系统采用了大规模集成电路技术、DSP技术、网络数据传输技术、抗干扰技术等，在线路的设计与器件选择中以较大的环境适应性为依据，确保了设备的运行可靠。

(2)

方程求解采用FEFLOW专业地下水模拟软件，其基于伽辽金有限单元法广泛用于解决稳定和非稳定渗流、饱和与非饱和渗流、变密度流、化学物质迁移及热传递等问题[13]。

3 天然渗流场反演分析

3.1 模型建模

库区整体渗流模拟平面范围为750 m×750 m矩形区域，见图2，库区将正常蓄水位线包括在内，西南侧边界距右坝肩距离(沿坝轴线方向)约为200 m，东南侧边界距坝脚约320 m(沿垂直坝轴线方向)。

图2 帷幕灌浆及节理破碎带分布平面

天然工况模型采用四面体单元划分，单元总数为1 878 283，节点总数为334 511。由于坝址位置节理发育带对坝基渗流影响较大，因此在模型中将节理发育带概化为独立的连续介质材料分区，天然工况模型节理发育带单元数为11 588。模型地层按照地勘资料划分为6层，自上至下依次为残坡积土层、强(全)风化层、弱风化上带、弱风化下带、微风化层(>5 Lu)以及微风化层(<5 Lu)。其中，微风化层根据设计推荐5 Lu线划分为大于5 Lu和小于5 Lu两部分。

3.2 边界条件与初始值

反演分析模型岩土层材料渗透系数的初始值，按照地勘压水试验实测平均值设定，压水试验钻孔平面位置见图2，钻孔主要布置在坝址及其上游附近。残坡积土层、强(全)风化层、弱风化上带、弱风化下带及微风化层实测平均渗透系数依次为5.69×10-7、2.40×10-6、5.64×10-7、2.98×10-7、1.63×10-7m/s。

模型山体分水岭和河道设定为定水头边界，根据地勘资料，坝区左岸地下水埋深为36～ 50 m，右岸鱼脊形山体地下水埋深为16.9～ 17.5 m。其他为不透水边界。

3.3 验证与优化方法

模拟主要针对右坝肩渗漏问题，根据钻孔平面分布位置(图2)，选取2020年4月的一组钻孔地下水位监测值作为验证数据，实测地下水位值见表1。

表1 地勘实测地下水位值 单位：m

采用PEST(Parameter Estimation)参数优化程序对各岩土层渗透系数进行参数优化。PEST是一种基于高斯-麦夸特-列文伯格(Gauss-Marquart-Levenberg)算法，具有快速收敛性的全局搜索非线性参数优化工具，能够优化多维模型参数[14-15]。

模型中各岩土层等效为各向同性连续介质材料，反演时根据地勘压水试验给定反演渗透系数初始值及变化范围(实测最大值和最小值见表2)，以监测地下水位作为反演目标，通过对模型参数不断进行优化调整，进而求取目标函数(模型计算值与实际观测值的差异函数)的最小值。为了评价反演结果的可靠性，参考类似工程，以天然模型地下水位最大高差的±10%作为计算水位误差的评判标准。本工程区地下水位最大高差约为80 m，即认为观测孔地下水位模拟值与实测值绝对误差在8 m内为可接受范围。

表2 岩土层渗透系数优化结果 单位：m/s

3.4 反演结果分析

观测点地下水位模拟值与实测值关系见图3，图中灰色条带为地下水位最大高差±10%误差区间。由图可见，观测点反演地下水位绝对误差最大值为10.54 m(Z11)，其余观测点反演地下水位绝对误差均在8 m以内。因此，认为在假设同分层渗透系数相同的条件下，该反演优化结果总体上是可接受的。

图3 观测点地下水位反演值与实测值关系

库区各岩土分层渗透系数优化结果见表2，由表可见，岩土层渗透系数反演结果与地勘压水试验结果基本一致。其中，残坡积土层、弱风化上带和弱风化下带反演值接近于地勘实测最大值，强(全)风化层反演值接近于实测平均值。

4 运行期渗控分析

4.1 模型及工况

水库建成后库区渗流场模拟范围与天然工况相同，整体三维几何模型和网格见图4a，模型采用非结构网格，按照设计资料对防渗帷幕和节理发育带等部位进行细致刻画。模型四面体单元总数为2 570 301，节点总数为451 859。其中，坝体单元数为67 916，防渗帷幕单元数为85 082，节理发育带单元数为31 126，坝体与防渗帷幕网格见图4b，防渗帷幕与节理发育带网格见图4c。各岩土层渗透系数采用表2中的反演值。

a)整体模型及高程

运行期渗流模型边界条件主要包括：模型切取边界、上下游水位边界、排水边界等，具体设定如下：模型山体分水岭、上游库区和下游河道设定为定水头边界。模拟正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3种运行工况的稳定渗流场，各工况上下游水位值见表3。

表3 模拟工况与水位 单位：m

混凝土坝体设置排水廊道，廊道内布置排水孔，坝体排水孔设置为排水边界，模型中采用排水幕模拟排水效果。其他为不透水边界。

4.2 渗流场分布

水库正常蓄水位工况135.00、115.00 m高程平切面等水位线分布分别见图5，由图可见，两侧山体和库内向下游河道补给地下水，坝体和防渗帷幕部位等水位线分布较集中，符合库区渗流场分布的一般规律。右坝肩灌浆帷幕折向山脊，延长了渗径，影响坝肩绕渗，等水位线向上游凸出，表明帷幕灌浆对右坝肩局部渗透性较大的节理发育带形成了防护。

a)135 m高程平切面

b)115 m高程平切面

为了更直观地展示防渗帷幕对右坝肩节理发育带的防渗作用，图6中对比了右坝肩I-I剖面(剖面位置见图2)有、无防渗帷幕情况下地下水等水位线分布情况。由图可见，未实施防渗帷幕时(图6a)，由于节理发育带渗透性强于周围岩体，造成节理发育带上游侧地下水位有所抬升。采取帷幕灌浆处理后(图6b)，帷幕阻止了局部渗漏发展，使得帷幕附近等水头线分布较密集，降低了局部地下水位，说明防渗帷幕可以有效控制节理发育带局部渗漏。

a)无帷幕灌浆

4.3 渗透坡降

水库正常蓄水位工况防渗帷幕渗透坡降分布见图7，由图可见，帷幕顶部渗透坡降值最大，右坝肩帷幕与节理发育带相接部位局部较大。河床部位帷幕渗透坡降最大值为3.89，右坝肩节理发育带附近帷幕渗透坡降最大值约为1.67。参考类似工程经验，防渗帷幕坡降允许值约为30，计算工况帷幕渗透坡降满足工程要求。

图7 正常蓄水位工况防渗帷幕渗透坡降分布

4.4 坝基扬压力

水库正常蓄水位工况坝基面扬压力水头分布见图8，由图可见，在帷幕上游侧坝基扬压力较大，在防渗帷幕阻水作用和排水孔幕的降压共同作用下，经过排水孔后，扬压力明显降低。河床部位上、下游侧扬压力水头分别为56.4、23.8 m。

图8 正常蓄水位工况坝基面扬压力水头分布(m)

4.5 渗流量

选择帷幕位置断面计算渗流量，按照部位划分为左、右岸坝肩、左、右岸、河床坝基及坝体5段。其中，左、右岸坝肩计算范围自坝体两端沿帷幕轴线向岸坡延伸100 m，右岸按照帷幕弯折方向延伸，坝基按每段约100 m宽度分为3段。

各工况不同部位渗流量统计于表4中，库区总体渗流量较小，年渗漏量约占总库容的0.95%。由于渗流量的大小与上下游水位差关系密切，本工程中正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位工况上下游水位差依次为54.00、52.96、52.94 m(上、下游水位见表3)。因此，正常蓄水位工况总渗流量最大，为500.858 m3/d，校核洪水位工况总渗流量最小，为469.972 m3/d。从不同分段角度看，右坝肩渗流量较小，约占总渗流量的13.8%，说明帷幕灌浆阻止了右岸节理发育带部分渗漏。

表4 库区各部位渗流量统计

5 结论

本文基于水底山库区精细化三维渗流模型，通过天然渗流场参数反演，优化了岩土层渗透系数，并对水库运行期整体渗流场模拟，分析评价了库区防渗效果，得出主要结论如下。

a)观测点反演地下水位误差在合理范围内，渗透系数反演结果与地勘压水试验结果基本一致，残坡积土层、弱风化上带和弱风化下带反演值接近于实测最大值，强风化层反演值接近于实测平均值。

b)帷幕灌浆降低了右坝肩局部地下水位，影响坝肩绕渗，说明帷幕在一定程度上阻止了节理发育带渗漏；在防渗帷幕阻水和排水孔幕降压的联合作用下，坝基下游侧扬压力显著降低；正常蓄水位工况总渗流量为500.858 m3/d，总体渗流量较小，说明本工程防排水体系布置合理，对右岸节理发育带渗漏形成有效防护。