拉哇水电站上游围堰渗流特性研究

邓 则 军， 鄢 勇

(华电金沙江上游水电开发有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

堰塞湖一般形成相对静水沉积环境，沉积物具有上下游空间连续分布、颗粒细小、抗渗性能好、承载力较低、抗剪参数较低等特性。在堰塞湖沉积物上修建水电站大坝或围堰，存在地基稳定性差、不均匀沉降、渗透稳定和地震液化等更加不利的工程技术问题[1-2]。

对于堰塞湖沉积物形成的覆盖层，特别是深厚覆盖层，一般不直接修建高土石坝，往往采取挖除覆盖层的工程措施，如已建的猴子岩水电站、江坪河水电站，在建的拉哇水电站等。但对于水电站大坝施工围堰工程、地基覆盖层不能开挖以及开挖方案不经济的拦河大坝工程，必须采取地基处理措施[3-4]。

明确低液限黏土层的渗流特性是确定深厚覆盖层软基加固处理方案的前提条件之一[5]。本文以拉哇水电站上游围堰地基为研究对象，通过三维渗流计算，得到上游围堰地基的等水头线、渗流量、渗透系数等关键参数，为复杂软基加固处理方案的确定提供依据，也为后续相类似工程的设计与建设提供重要参考。

1 拉哇水电站及围堰地基概况

拉哇水电站位于金沙江上游，坝址左岸为四川省甘孜藏族自治州巴塘县拉哇乡，右岸为西藏昌都自治州芒康县朱巴笼乡，是金沙江上游13 级开发方案中的第8 级，上游为叶巴滩水电站，下游为巴塘水电站。拉哇水电站为一等大(Ⅰ)型工程。电站装4台500 MW 机组。

根据钻孔揭露情况，结合河床纵、横剖面，围堰堰基及基坑边坡区域河床覆盖层厚度65～68 m。其中，表层Qal-5砂卵石层厚度1～8 m，中部堰塞湖相沉积的Ql-3层、Ql-2层厚度约44～46 m，河床底部Qal-1砂卵石层厚度约4.5～13.5 m。覆盖层下伏基岩地层为第1 层(Ptxna-1)，岩性为角闪片岩、绿泥角闪片岩夹少量的云母石英片岩、石英片岩及大理岩，浅表层岩石主要为弱风化，其厚度一般10～15 m。

2 拉哇水电站上游围堰渗流计算

2.1 上游围堰渗流计算模型

2.1.1 模型范围

三维渗流计算模型建模范围为：上游边界为堰脚以上185 m，下游边界为坝基开挖边坡坡脚；左右岸边界为堰肩以外150 m，底部边界至堰顶高程以下160 m，底面边界高程为2 430.00 m，距离覆盖层最低点(高程2 471.00 m)约41 m。综合考虑基岩绕渗、基坑开挖等因素，上游围堰渗流计算模型范围见图1。原点O为堰顶左端部，模型坐标系X轴沿堰轴线指向右岸，Y轴垂直于堰轴线指向下游，原点为左堰肩桩号0+000.000 m处，Z轴垂直向上，原点高程为0 m(2 597.00 m)。

假设防渗墙剖面两岸基岩各层厚度与两岸帷幕处相同，得到防渗墙剖面的覆盖层和基岩地质分区图(图2)。根据基岩不同渗透性的5条分界线，基岩可分为6部分，即：(1)强卸荷带下限；(2)≤10 Lu相对不透水层顶板线；(3)弱卸荷带下限；(4)≤5 Lu相对不透水层顶板线；(5)≤2 Lu相对不透水层顶板线。

图2 防渗墙剖面的覆盖层和基岩地质分区图

2.1.2 有限元网格

通过各断面基岩分界线建立基岩分界面，并对岩石分界面进行切割，最终得到上游围堰整体有限元模型(图3)。其中，堰体、覆盖层单元控制尺寸约为4 m，模型中共有单元469 098个，节点248 494个。

图3 上游围堰整体有限元模型

2.2 计算参数

防渗墙施工要求设计值为1.00×10-7cm/s，计算取值1.00×10-6cm/s。土工膜设计值为1.00×10-11cm/s，计算取值为5.00×10-11cm/s。土工膜膜厚0.75 mm，有限元模型中膜厚模拟土层为10 cm，将渗透系数进行等效处理，换算渗透系数为6.67×10-9cm/s。堰体渗透系数取2.00×10-1cm/s，帷幕体渗透系数取为2.0×10-5cm/s。

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3 拉哇水电站上游围堰渗流计算结果

3.1 等水头线

图4 给出了自由水面及高程2 553.00 m水平切面的等水头线。从图4可以看出，河床水头降落主要集中在防渗墙或防渗膜上，基岩中水头降落主要集中在灌浆帷幕上，两岸基岩为绕渗状态。同时，从图中可以看出，断层位置局部渗流场并没有受到断层的显著影响。

a) 自由水面 b) 高程2 553.00 m水平切面

图5给出了河谷中心剖面的等水头线。从图中可以看出，河谷中心剖面水头降落集中于防渗墙上；从上游入渗穿过防渗墙底部基岩再绕渗到防渗墙后部堰底的渗流路径上，覆盖层上的水头降落相对较小。堰基底部向下游水头降落较小，堰基到基坑的水头降落则较大。

图5 河谷中心剖面等水头线

图6给出了防渗墙、左岸帷幕、右岸帷幕上下游剖面水头线。从防渗墙上游剖面等水头线图可以看出，同一高程覆盖层水头大于两岸基岩水头，水从覆盖层渗入基岩。

(a) 防渗墙 (b) 左岸帷幕 (c) 右岸帷幕

3.2 渗流量

在设计方案基本参数取值条件下，当基坑开挖完成后，总渗流量为6 206.7 m3/d。按土工膜面、中部防渗墙断面、左岸帷幕断面、右岸帷幕断面、堰顶左侧帷幕断面、堰顶右侧帷幕断面统计堰体各部位渗流量统计结果见表1。堰体主要通过中部防渗墙断面、左岸帷幕断面、右岸帷幕断面渗流，分别为2 070.5 m3/d、2 069.9 m3/d、1 853.6 m3/d，占总渗流量百分比分别为33.4%、33.3%、29.9%，合计占总渗流量的96.6%。其中土工膜部位渗流量仅为13.5 m3/d，占总渗流量0.2%，可以忽略不计。堰顶两侧帷幕、岩石绕渗流量很小，左侧、右侧渗流量分别为113.8 m3/d、85.3 m3/d，共占总渗流量的3.2%。

表1 各部位渗流量统计表

土工膜、防渗墙、两侧帷幕、帷幕外岩体各介质渗流量统计见表2。灌浆帷幕渗流量为5 564.6 m3/d，占总渗流量的89.7%；其中通过中部、左岸、右岸断面的渗流量为5 499.4 m3/d，占总渗流量的88.6%。防渗墙和岩石渗流量分别占总渗流量的3.1%和7.1%。

表2 各介质渗流量统计表

3.3 渗透坡降

图7给出了防渗墙、左右岸帷幕上下游剖面渗透坡降等值线图。从图中可以看出，防渗墙中最大渗透坡降约为50，其渗透稳定满足要求。

(a) 防渗墙上游剖面 (b) 防渗墙下游剖面

覆盖层中，河床表面Qal-5层和底部Qal-1层为河流冲积层，渗透系数较大，渗透坡降较低。中部堰塞湖沉积层中，Q1-2-3层和Q1-2-1层为相对不透水层，渗透坡降较大，两层土上下表面渗透坡降分布见图8。

(a) 覆盖层Q1-2-3层上表面

从图8可以看出，防渗墙附近土中渗透坡降较大，如覆盖层Q1-2-3上表面最大值超过1.0，但此处位于土体内部，四周均为堰塞湖沉积物，距离覆盖层表面约20 m，土体被约束在固定范围内，不会发生渗透破坏。在Y=230 m处覆盖层Q1-2-3上表面有约10 m范围内渗透坡降超过0.5，该层允许渗透坡降为0.42～0.79，但距覆盖层开挖表面约15 m，也不会发生渗透破坏。其他层在Y=230处渗透坡降均有一个较大区域，但距离覆盖层开挖表面均较远，发生渗透破坏的可能性不大。基坑开挖坡面(Y=300～500)渗透比降约0.3，渗透稳定满足要求。

4 结 语

以拉哇水电站上游围堰地基为研究对象，通过三维渗流计算，得出了上游围堰的等水头线、渗流量、渗透系数等关键渗流参数，为确定复杂软基加固处理方案提供了重要依据。计算结果表明，防渗墙和左右岸灌浆帷幕区是上游围堰主要渗流部位；上游围堰防渗墙和基坑开挖边坡湖相沉积层土体的最大渗透比降均小于允许渗透比降，渗透安全满足设计要求。