地質缺陷的面板堆石壩滲流特性分析及處理措施研究

徐力群，黃柏云，陸譽婷，蔣裕豐

(1.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；2.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇南京210014；3.南京河海科技有限公司，江蘇南京210098)

地質缺陷的面板堆石壩滲流特性分析及處理措施研究

徐力群1，黃柏云1，陸譽婷2，蔣裕豐3

(1.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；2.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇南京210014；3.南京河海科技有限公司，江蘇南京210098)

新疆某水電工程地質條件復雜，層面及構造發育，左岸壩基存在斷層構造，水平寬度達0.5 m且上下游貫通，左岸壩肩存在寬5 m的白云巖溶蝕帶，溶穴較為發育。根據壩址區地質地形特性，建立了工程壩址區三維有限元滲流性態分析模型，模擬了溶蝕帶和大斷層等重要地質構造，采用改進折算滲透系數法以精確模擬溶蝕帶的滲透性，分析了左岸白云巖溶蝕帶和F4斷層地質缺陷對壩址區滲流性態的影響，研究了采用不同深度混凝土洞塞處理溶蝕帶的防滲效果，開展了斷層滲透參數敏感性分析，提出了白云巖溶蝕帶采用混凝土洞塞截滲及斷層采用混凝土帷幕灌漿的防滲處理方式。

溶蝕帶；改進折算滲透系數法；面板堆石壩；斷層；混凝土洞塞

0 引 言

國內外有許多由于地質缺陷而致使水庫大壩和壩肩產生嚴重滲漏問題的水利水電工程，有些甚至導致大壩塌陷和破壞失事。例如，1928年美國圣弗朗西斯(St.Francis)重力壩由于壩基右側處存在順河向的斷層，在蓄水初期庫水滲入斷層，從而引發突然潰壩[1]；1959年法國馬爾帕賽拱壩(Malpasest arch dam)由于左岸壩肩巖體裂隙發育，蓄水后庫水滲入裂隙產生較大較大水壓力，造成大壩失事[2]；1976年美國Teton心墻壩蓄水后，節理裂隙中的集中滲流將與之接觸的粉土帶走致使接觸沖刷，致使初期蓄水就引起潰壩事故[3]；貓跳河四級水電站水庫蓄水后，由于巖溶滲漏造成電站枯水期六分之一電量損失[4]。

國內外學者開展地質缺陷對大壩滲流性態的影響研究，尤其是關于裂隙等結構面和巖溶引起的滲漏問題，提出了不同的研究方法，并給出了處理地質缺陷的不同防滲措施。Snow[5]采用平行板模擬了裂隙張開，提出了二階張量裂隙；Long[6]提出了將復雜裂隙網格等效為連續介質處理的條件和方法；柴軍瑞[7]提出了基于多層網絡的裂隙巖體地下水滲流有限元分析方法；陳崇希[8]建立了巖溶三種空隙介質地下水統一的控制方程，提出了采用折算系數法模擬巖溶三重介；沈振中[9]通過巖溶管道和裂隙交叉試驗，建立了基于遺傳算法的巖溶管道和裂隙交叉匯流量計算方法；史光前[10]針對隔河巖水利工程采用混凝土封堵溶洞，及對斷層進行帷幕灌漿，解決了壩基及兩岸繞滲；Ghobadi[11]針對伊朗Shahid Abbaspour拱壩指出水庫主要通過溶洞石灰巖滲漏，對溶洞進行了壩基固結灌漿和高壓帷幕灌漿，同時對右岸斷層進行了修建混凝土防滲墻的加固處理方式；紀偉針[12]對水布埡面板堆石壩的巖溶化程度較高的問題，提出了優化的防滲布置措施。

圖1 壩體標準剖面及分區(單位：m)

水利水電工程中易造成滲漏問題的地質缺陷主要包括巖溶、古河道和斷層、節理、裂隙、層間錯動帶等結構面以及卸荷帶、次生夾泥層等。本文針對存在地質缺陷中巖溶滲漏問題的新疆某水電站工程，采用改進折算系數法，開展溶蝕帶和斷層等地質缺陷下面板堆石壩的滲流性態研究，并由此提出最優的工程措施，實現對該工程的滲流控制，保證大壩滲流安全性。

1 工程概述

新疆開都河上某水電工程壩址處為基本對稱且較完整的“V”形谷，河床覆蓋層約厚50 m，左岸巖體主要為白云巖，局部存在溶蝕集中現象，右岸基巖主要為英安質、安山質凝灰巖，層面及構造發育，巖體卸荷風化較深，完整性較差，壩址區斷裂和裂隙構造較發育，共發現20余條斷層，裂隙多成組發育，少則4～5條，多則13～20條。攔河壩為趾板建在覆蓋層上的混凝土面板壩，工程擬定正常蓄水位1 820.00 m，壩頂高程1 825.00 m，最大壩高158.0 m，壩體標準剖面及分區如圖1所示。

本工程地質條件復雜，特別是位于高程1 740 m附近的左岸白云巖溶蝕帶的局部溶蝕地質條件，溶蝕帶寬1～2 m，長約52 m，溶洞直徑最大0.4 m，最深1.5 m，溶洞順層密集發育，洞內有塌落現象，塌落巖塊和溶洞洞壁多附著重結晶方解石顆粒。左岸F4結構面走向為NW285°，傾向NE，傾角67°，水平寬0.5 m，順河向延伸，貫穿上下游。包含白云巖溶蝕帶及F4斷層分布的面板壩壩軸線工程地質如圖2所示。

圖2 面板壩壩軸線工程地質示意

2 計算原理

巖溶介質的多樣性決定了求解巖溶滲流的復雜性，根據本工程巖溶蝕帶的地質特性，采用改進折算滲透系數法的三重介質模型進行壩址區滲流場性態分析[12]。改進折算滲透系數法通過建立基于巖溶介質的非達西滲流規律的統一表達式，由此反應巖溶滲流場中層流和紊流型滲流共存現象的折算系數。如果忽略毛細現象、非飽和部分和蒸發的影響，考慮基于改進折算滲透系數法的巖溶滲流基本微分方程為[13]

(1)

式中，kij為滲透張量，對于孔隙介質為達西滲流下的滲透張量，對于巖溶介質為折算滲透系數張量；h為水頭；Ss為貯水系數；t為時間。為其達西滲流下的滲透張量，對于巖溶介質kij為其折算滲透系數張量

采用Galerkin逼近方法，有限元支配方程可寫為

(2)

式中，K為總滲透矩陣；P為節點水頭列陣；S為貯水矩陣；G為給水矩陣；F為不平衡流量矩陣。采用截止負壓法[14]對方程進行自由面和滲流場解。

3 計算模型和工況

3.1 模型范圍

模型中三維坐標系為以壩頂左壩端中心為模型坐標原點，Y方向為壩軸線方向，Z方向按實際高程。根據邊界截取的基本原則以及本工程的實際工程特點，確定計算模型的范圍。三維模型截取邊界范圍為模型右邊界為原點以右500 m(Y=-500 m)，模型左邊界為原點以左969 m(Y=969 m)；X方向為順河流方向，模型上游邊界為壩軸線上游700 m(X=-700 m)，下游邊界為壩軸線下游700 m(X=700 m)，底高程截至1 417 m，頂高程截至1 826.2 m，低于1 826.2 m的地形按實際高程考慮，高于1 826.2 m地形按削平處理。

采用自行編制的三維滲流有限元分析程序，建立了三維有限元滲流分析模型，模型較精確的模擬了地質條件和壩體結構，例如巖層分區、斷層、巖溶蝕帶等以及壩體材料分區、防滲墻、防滲帷幕和導流洞等。該滲流分析模型生成的有限元網格結點總數為62 269個，單元總數為60 177個，三維有限

元模型網格如圖3所示。

圖3 滲流分析計算范圍內三維有限元模型網格

3.2 模型邊界

本工程計算模型邊界類型主要包括：①已知水頭邊界包括壩址區上、下游水位線以下的水庫庫岸和庫底、壩體上游坡和下游坡、河道，以及給定地下水位的截取邊界；②出滲邊界為壩址區上下游水位線以上的左、右岸山坡面，以及壩體上、下游坡面和壩頂；③不透水邊界包括不透水邊界包括模型上、下游兩側和左右岸兩側截取邊界除給定地下水位以外的部分邊界，以及模型底面。

3.3 計算參數

根據工程地質和水文地質資料，壩址區巖體分為4類地層，包括中等透水層、弱透水層、相對不透水層、不透水層，同時考慮河床覆蓋層、巖溶蝕帶和F4斷層等，各巖體和地質缺陷等介質的等效滲透系數如表1所示。根據工程設計方案和相關工程經驗，壩體各料區分為面板、墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區等，防滲系統包括防滲帷幕和混凝土防滲墻等，壩體各料區和防滲系統滲透系數如表2所示。此外擬定白云巖溶蝕帶的粗糙度為0.03 m，水的粘滯系數為1.1×10-6m2/s。

表1 巖體和地質缺陷地層滲透系數

地層巖層分類壩基滲透系數/m·s-1備注含漂石砂卵礫石層—6.0×10-4—含礫中粗砂層—4.0×10-4—中等透水10Lu

表2 面板壩壩體各料區和防滲系統滲透系數

壩料分區滲透系數/m·s-1面板1.0×10-10墊層1.0×10-5過渡層1.0×10-4主堆石1.0×10-4下游堆石1.0×10-3壩基防滲帷幕3.0×10-7混凝土防滲墻1.0×10-9泄洪洞洞身混凝土襯砌1.0×10-10

3.4 計算工況

針對工程存在的左岸白云巖溶蝕帶和F4斷層等地質缺陷，擬定7種不同方案(見表3)研究地質缺陷對工程滲流場性態的影響，并進一步分析地質缺陷的處理措施以及優化方案。

表3 正常運行期滲流場分析計算方案

方案研究內容方案說明1無工程措施方案溶蝕帶和斷層不采取防滲措施的設計方案2溶蝕帶防滲措施1采用混凝土洞塞截滲,截滲深度75m3溶蝕帶工程措施2采用混凝土洞塞截滲,截滲深度100m4溶蝕帶工程措施3采用混凝土洞塞截滲,截滲深度125m5溶蝕帶工程措施4采用混凝土洞塞截滲,截滲深度150m6F4斷層滲透性影響分析1F4斷層滲透性增加2倍7F4斷層滲透性影響分析2F4斷層滲透性增加5倍8F4斷層滲透性影響分析3F4斷層滲透性增加10倍

4 地質缺陷影響分析

4.1 白云巖溶蝕帶滲流性態分析

左岸白云巖溶蝕帶滲透性較強，白云巖溶蝕帶對滲流場的影響較大，壩址區地下水位等值線分布如圖4所示，沿白云巖溶蝕帶上、下游方向斷面滲流場位勢分布如圖5所示(圖中黑粗部分為溶蝕帶分布)。由圖4、圖5和計算結果可得，由于存在白云巖溶蝕帶，形成了沿上下游方向的集中滲漏通道，對滲流場有較大的影響，其中因計算工況考慮防滲帷幕的阻滲作用，因此實質上已對白云巖溶蝕帶進行部分防滲處理，并取得一定的防滲效果，但由于溶蝕帶超出防滲系統范圍，仍存在集中滲漏問題。因此，根據計算結果，建議采用混凝土洞塞形式對左岸白云巖溶蝕帶進行進一步防滲處理。

左岸白云巖溶蝕帶基本位于高程1 740 m附近，為滲控措施優化分析需要，擬定4種不同截滲深度方案，對比分析其對滲流特性的影響。白云巖溶蝕帶不同截滲深度的滲流性態計算成果見表4，混凝土洞塞截滲深度為150 m的沿白云巖溶蝕帶上、下游方向斷面滲流場位勢圖如圖5中虛線所示。

由表4可知，采用混凝土洞塞后，壩體浸潤面變化幅度較小，尤其在采用75 m以上截滲深度的混凝土洞塞措施后，影響幅度更甚微。左岸白云巖溶蝕帶靠近左岸壩肩，對左岸壩肩處防滲帷幕的滲透坡降有一定的影響，采用混凝土洞塞后，左壩肩防滲帷幕最大滲透坡降有一定幅度增加，并且隨著混凝土洞塞深度的增加的防滲體系的阻滲效果進一步加強。左岸壩基的滲透流量受白云巖溶蝕帶的影響明顯，在僅采用防滲帷幕方案下，由于滲漏通道并未完全截斷，左岸壩基滲透流量達2 096.9 m3/d，而采用75 m截滲深度的混凝土洞塞，滲透流量降為1 936.0 m3/d，滲透流量減少量達7.7%，但隨著混凝土洞塞截滲深度的增加，滲漏量并未隨截滲深度的增加呈線性減少的趨勢，阻滲效果不明顯。

表4 白云巖溶蝕帶不同截滲深度的滲流性態計算成果

工況面板后浸潤面最高點位置/m左壩肩防滲帷幕最大滲透坡降左壩肩滲透流量/m3·d-111681.376.552096.921681.256.591936.031681.246.621865.541681.236.641781.651681.236.651712.4

注：左壩肩滲透流量是指左岸壩肩處向左延伸直至模型邊界，并通過沿壩軸線橫斷面的滲透流量。

圖4 壩址區地下水位等值線分布(單位：m)

4.2 F4斷層滲流性態分析

根據地質勘測資料分析得到左岸F4斷層滲透系數約為1.0×10-6m/s，該斷層位于左岸壩肩帷幕灌漿范圍以外，需分析該地質缺陷是否需要單獨進行防滲處理。正常運行工況下壩址區地下水位等值線分布如圖4，F4斷層上下游方向斷面滲流場位勢分布如圖6所示(圖中黑粗線為斷層分布，虛線為位勢分布)。由圖4、圖6和三維滲流計算結果可知，在該滲透參數下，F4斷層對壩址區滲流場影響較小。但由于F4斷層存在一定的不可預知因素，因此擬定三組不同滲透參數的斷層參數，對比分析其對壩址區滲流特性的影響，對比分析計算成果如表5所示，F4斷層滲透系數放大10倍后沿F4斷層上下游方向斷面滲流場位勢分布如圖6中實線所示。由表5可知，隨著F4斷層滲透系數的增加，壩體內浸潤面不斷抬高，滲透系數增加10倍后，水位高度增加1.69 m；同時因F4斷層滲透性增強，使得防滲帷幕的阻滲效果降低，左壩肩防滲帷幕最大滲透坡降由6.55減小為4.71；并且左岸壩基處的滲透流量增幅較為明顯，由2 906.7 m3/d增加為3 196.5 m3/d，增加幅度達9.97%。由此可見，F4斷層滲透性的增加，使得左岸壩基處形成了較大的滲漏通道，影響水庫的蓄水和發電能力，同時壩體內浸潤面抬升，進而可能影響壩體的安全性。

圖5 白云巖溶蝕帶上下游方向斷面滲流場位勢分布(單位：m)

圖6 F4斷層上下游方向斷面滲流場位勢分布(單位：m)

表5 F4斷層不同滲透參數的滲流場計算成果

注：左壩基滲透流量是指原河床左岸處至左岸壩肩處，通過沿壩軸線橫斷面的滲透流量。

5 結 論

(1)通過計算分析表明，本文所采用改進折算滲透系數法可較好的解決溶蝕帶和大斷層等地質缺陷構造的滲流模擬問題。

(2)左岸白云巖溶蝕帶對左壩肩滲流性態影響較大，建議將整個白云巖溶蝕帶采用混凝土洞塞截滲，截滲深度為75 m的截滲效果明顯，可滿足阻滲目的，且工程量較少，施工難度較小。

(3)F4斷層可暫不進行處理，但由于斷層存在不可預測性，因此建議對此斷層進行必要的混凝土灌漿形式的防滲處理，以防止左壩基發生集中滲漏的危險。

(4)加強壩址區地質缺陷的前期地質勘測工作，根據不同的地質缺陷性質及所處位置，采取相應的防滲處理措施，本工程防滲處理范圍和分析方法可為類似工程的溶蝕帶模擬及為溶蝕帶工程處理措施提供借鑒。

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(責任編輯王 琪)

Study on Seepage Characteristics and Anti-seepage Measures for CFRD with Geological Defects

XU Liqun1, HUANG Baiyun1, LU Yuting2, JIANG Yufeng3

(1. College of Water Conservancy and Hydropower, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;2. Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Co., Ltd., Nanjing 210014, Jiangsu, China;3. Nanjing Hohai Technology Co., Ltd., Nanjing 210098, Jiangsu, China)

A hydropower project in Xinjiang has complex geological conditions. A fault structure (F4) passes through the upstream and downstream with 0.5 m width in the left bank of dam foundation, and a developed dolomite karst zone with 5 m width also passes through the left abutment of dam. According to geological and topographical characteristics of dam foundation, a three-dimensional finite element model is established for analyzing the seepage characteristics of dam. In this model, the fault structure and developed dolomite karst zone are simulated, and the improved converting permeability coefficient method is applied to simulate the permeability of dolomite karst zone. The influences of these geological defects on dam seepage characteristics are analyzed. The anti-seepage effects of concrete plug with different depths in dolomite karst zone are studied. The sensitivity of penetration parameter of fault is also analyzed. The anti-seepage methods by using concrete plug in dolomite karst zone and concrete curtain grouting for fault are finally proposed．

karst zone; improved converting permeability coefficient method; CFRD; fault; concrete plug

2015- 05- 05

江蘇省自然科學基金青年基金(BK2012410);國家自然科學基金項目(51179062)

徐力群(1983—)，男，浙江仙居人，講師，碩士生導師，博士，主要研究方向水工結構工程滲流控制與優化計算與分析．

TV641.4

A

0559- 9342(2015)12- 0048- 06