某水電站右壩肩卸荷巖體繞壩滲流分析研究

趙正鵬，江 霄，王 假

（四川省廣元水文水資源勘測局，四川 廣元 628017）

0 引言

巖土體滲流問題作為水力學、巖土力學計算中不可或缺的組成部分，也是水利水電工程十分關心的工程問題[1]。但是滲流計算的可靠性和滲控措施的合理性仍受控于水文地質條件和巖土體滲透特性。由于巖體中裂隙網絡分布與土體多孔介質結構有較大差異，裂隙巖體的滲透特性往往表現出各向異性。若按傳統方式將裂隙巖體視為各向同性的多孔介質結構，不僅可能產生較大誤差，甚至會導致壩體等水工結構偏于不安全[2～3]。因此，結合巖體自身結構特點，多角度、全方位的了解其滲流特點顯得極為重要。

西藏地區某水電站雖然主體工程規模不大，但是工程地質問題復雜。壩址河床除分布“深、厚、寬、廣”的覆蓋層外，右壩肩所在的凸形山梁巖體卸荷強烈，鉆孔揭示壩基壩肩巖體透水率普遍在中等透水范圍，局部甚至達到強透水；平硐揭示除邊坡淺表部巖體存在較強卸荷外，深部還出現深卸荷問題[4～5]。這些問題直接關系到邊坡穩定、壩基壩肩滲漏、相應的工程處理措施以及工程建成后的安全運行等諸多方面[6]。本文采用有限元方法，分析27種工況下的某水電站右壩肩卸荷巖體繞壩滲流情況。

1 概況

1.1 工程概況

某電站位于西藏林芝地區八一鎮多布村尼洋河干流上，是尼洋河巴河口以下河?段水電規劃的第3個梯級，距拉薩公路里程約375 km，距林芝市政府所在地八一鎮公路里程約25 km，距米易機場公路里程約75 km，川藏公路從庫壩區左岸通過，對外交通十分便利。

該電站以發電為主，設計正常蓄水位3076.00 m、死水位3074.00 m，正常蓄水位以下庫容為0.65×108m3，最大壩高27 m，裝機容量120 MW。主要建筑物由攔河大壩(壩型為砂礫石復合壩)、泄水閘和左岸引水發電系統組成。樞紐屬三等中型工程，主要建筑物為3級，臨時建筑物為5級，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為500年一遇。為了減少投資和縮短工期，直接利用河床覆蓋層建壩，攔河大壩采取砂礫石土工膜復合壩方案。

1.2 地質條件

該電站所在的尼洋河流域位于南念青唐古拉山脈中段，為典型高山地形，相對高差一般在2000 m～2500 m。壩址微地貌表現為“峽谷”地形特征，河流流向約NE70°，主流偏右岸，平水期河水位為3055 m～3056 m，水深約3 m～4 m，谷寬158 m～187 m，河道平均坡降0.44%，河谷具典型冰蝕“U”型寬谷特征，最大谷寬約1.5 km。

壩址區主要發育河谷3級階地，壩址“峽谷”進出口為漫灘及Ⅰ、Ⅱ級堆積階地。漫灘和江心灘頂面高出河水面0.8 m～2.6 m，Ⅰ級階地前緣高程3059 m～3061 m，高出水面6 m～8 m。Ⅱ級階地前緣高程3068 m～3071 m，高出水面14 m～17 m。Ⅲ級階地主要分布在左岸多布村一帶，前緣高程為3104 m～3082 m，高出水面28 m～45 m，而右壩肩部位主要分布在3100 m高程水渠附近。Ⅲ級階地地面起伏較大，呈壟崗狀地貌，相對高差27 m～29 m，最大34 m，其間寬緩小沖溝較發育。壩線下游地勢較平坦，表部高程3081 m～3069 m（如圖1）。壩址基巖為二長花崗巖，致密堅硬，抗風化能力強，巖體呈塊狀～次塊狀結構，完整性較好，壩基壩肩巖體淺表部以弱風化為主，河床和岸坡弱風化巖體厚度大致在25m以內。河床覆蓋層物質主體為砂卵礫石，為強透水層。灰白色，似斑狀結構，塊狀構造。除坡頂和山脊表部有薄層殘積土和全風化外，右壩肩巖體基本不存在全風化。

圖1 壩址地形地貌特征(下游拍攝)右壩肩基巖為燕山晚期～喜馬拉雅期二長花崗巖(γ5-63)，

圖2 PD04現場照片(a)硐深64 m高傾角順河向裂隙張開狀態；(b)坡外側端部基/覆交界面

根據地表測繪、平硐勘探、鉆孔揭示及物探波速資料，以壩走向剖面PD04平硐為代表，現場照片見圖2。可將右岸卸荷巖體水平分帶為：0～30 m(PD04為27 m)為強卸荷(大致對應強風化)，該段巖體裂隙開度普遍大于1 cm，裂隙內普遍充填次生黃砂、巖屑、角礫物質，局部有架空且有明顯透風特征，硐壁潮濕，降雨后硐壁有滴水；30 m～45 m(PD04為27 m～42 m)為弱卸荷(大致對應弱風化)，巖體裂隙開度一般僅約幾毫米，裂隙內充填次生黃砂、巖粉物質，硐壁潮濕；45 m～175 m(PD04為42 m～174 m)深卸荷(大致對應微風化)，175m以后為正常新鮮巖體。

2 模型建立

右壩肩以及下伏于河床覆蓋層之下的基巖滲透分區，主要依據平硐裂隙統計和鉆孔壓水及示蹤劑法滲透測試成果，分為強透水、中等透水和弱透水，各滲透分區大致對應岸坡正常卸荷帶、深卸荷帶和新鮮巖體[7]。三維滲流計算時裂隙巖體的滲透特性和滲透張量按各向異性滲透介質考慮。壩基河床覆蓋層各介質分區依據鉆孔資料，且覆蓋層按各向同性滲透介質考慮[8]。由于右岸山體壩頂3080 m以上高程位于庫水位3078 m以上，對繞壩肩滲流沒有任何影響，因此，滲流計算模型不包括右岸3080 m以上部分。而右岸近壩附近的岸坡覆蓋層為強透水層，從工程安全角度考慮，庫水透過岸坡覆蓋層作用在基/覆交界面上的水頭均按庫水位設置。

圖3 三維滲流計算模型網格圖

三維滲流計算模型中，X軸與壩軸線平行，指向右岸為正；Y軸垂直向上為正；Z軸垂直壩軸線，且指向上游為正。上下游范圍從壩坡坡腳分別向下游和上游取200 m；垂直向下取至2650 m高程；順壩軸線方向從PD4硐口向坡內延伸約307 m，而從PD4硐口向左岸延伸約330 m。計算模型包含單元總數27782個、節點總數28901個，劃分網格示意圖見圖3。

該電站壩體壩基防滲采用混凝土防滲墻接土工布，壩肩采用防滲帷幕，且懸掛式防滲墻墻底還設帷幕灌漿。結合設計文件并參考有關工程資料，混凝土防滲墻寬度取80 cm、深度60 m，計算分析時混凝土防滲墻的滲透系數取1×10-7cm/s=8.64×10-5m/d。防滲帷幕寬度取2.5 m，其中基巖中防滲帷幕按1 Lu控制，即滲透系數約1×10-5cm/s=8.64×10-3m/d。

3 敏感性分析

對位于防滲墻底部的覆蓋層中防滲帷幕，根據工程經驗，其防滲效果要達到1 Lu較為困難，因此，滲流計算中對覆蓋層中防滲帷幕按1 Lu～10 Lu控制進行敏感性分析。另外，對防滲帷幕水平深度和垂直深度也進行多方案的敏感性分析，防滲帷幕水平深度和垂直深度關系見圖4；對無任何防滲措施下的滲流進行對比分析；對裂隙巖體按各向同性和各向異性的滲流進行對比分析。

圖4 防滲帷幕和防滲墻空間示意圖

3.1 防滲帷幕水平深度敏感性分析

在敏感性計算時，防滲墻墻底的帷幕灌漿深度為60 m且不變，而壩肩防滲帷幕水平深度變化范圍在52.52 m～199.25 m，分別對應平硐PD4強透水和中等透水的底界。根據三維滲流計算統計獲得不同部位的滲流量，見表1。

表1 防滲帷幕水平深度滲流敏感性計算成果 單位：m3

計算結果表明，即使設計為懸掛式防滲墻，但是相比無任何防滲措施下的滲流量來講，由于防滲墻、防滲帷幕和土工布的阻滲作用，有防滲措施下的總滲流量顯著減小，且無防滲措施下絕大部分滲流量主要穿過壩體。當水平帷幕深度穿過岸坡正常卸荷區后，即使增大水平帷幕深度，對降低繞壩肩滲流量的效果并不顯著。顯然，水平帷幕防滲深度設在岸坡正常卸荷底界是合適的(方案7大致對應平硐PD4硐深54 m附近)，方案7的總滲流量大致為無任何防滲措施下的總滲流的5.45%，防滲效果非常顯著。

由于壩肩水平防滲深度的變化，對應防滲帷幕軸線剖面的中等透水區(大致相當于PD4揭示的岸坡深卸荷帶)和新鮮巖體弱透水區范圍也相應變化，因此，透過防滲帷幕、中等透水區和微新巖體弱透水區的滲流量也隨透過面積的大小呈規律性變化。但是，透過防滲墻和墻低防滲帷幕之下的河床覆蓋層的滲流量變化很小。

由于壩基壩肩強透水區全部被防滲系統 (包括壩基防滲墻、墻底垂直防滲帷幕和壩肩水平防滲帷幕)所封堵，庫水滲漏實質上已不存在透過強透水區巖體，而被透過防滲系統斷面所替代，方案0～7的強透水區滲漏量均為0.0。方案8計算假定為無任何防滲措施，根據Darcy定律，庫水是沿滲流路徑最短的通道向下游滲漏。由于右岸強、弱卸荷巖體和地表覆蓋層為強透水介質，大部分滲流均沿覆蓋層和卸荷巖體透過，因此，右岸側覆蓋層和卸荷巖體繞壩滲漏損失量約為6萬m3/d。

3.2 覆蓋層防滲帷幕滲透性敏感性分析

該電站壩高僅27 m，壩前壩后水頭差僅25 m，設計采取防滲墻預留孔方式對墻底覆蓋層和透水基巖進行帷幕灌漿來增大滲流路徑，從而減緩懸掛式防滲系統的滲流量。對于基巖來講，防滲帷幕效果控制在1 Lu相對來說較易實現。但是對于深厚覆蓋層來講，防滲帷幕效果要控制在1 Lu卻較為困難。為此，對河床覆蓋層中防滲帷幕效果進行敏感性分析，且河床覆蓋層中防滲帷幕的滲透性在1 Lu～10 Lu范圍內。根據三維滲流計算統計獲得不同部位的滲流量見表2。

表2 覆蓋層中防滲帷幕效果滲流敏感性計算成果 單位：m3

計算結果表明，覆蓋層中帷幕效果隨透水性的增加、滲流量也增加，并導致總滲流量也相應增加。但是即使覆蓋層中帷幕效果為10 Lu時(即表2中方案7 Lu10)，總滲流量也僅大致為無任何防滲措施下的總滲流的6.50%，防滲效果仍較為顯著，且施工中控制覆蓋層中防滲帷幕的效果達到10 Lu以內也是較為容易。隨覆蓋層中帷幕效果隨透水性的變化，庫水滲流路徑對應的滲流梯度也相應變化，從而使得各部位(包括微新、弱卸荷、防滲墻墻底帷幕之下的河床覆蓋層、防滲墻以及防滲帷幕等)的滲流量也相應呈規律性變化。

方案0～7，由于壩基壩肩強透水區全部被防滲系統(包括壩基防滲墻、墻底垂直防滲帷幕和壩肩水平防滲帷幕)所封堵，庫水滲漏實質上已不存在透過強透水區巖體，而被透過防滲系統斷面所替代，因此，方案0～7的強透水區滲漏量均為0.0。方案8為無任何防滲措施，壩體和壩基河床覆蓋層為強透水介質，大部分滲流均沿壩體和壩基河床覆蓋層透過，因此，方案8中透過壩基壩肩巖體的滲流量較方案0～7有所減小。

3.3 防滲帷幕垂直深度敏感性分析

上文已初步論證防滲墻底覆蓋層中防滲帷幕透水性較大時，總滲流量也不大，說明防滲墻和右壩肩防滲帷幕的效果顯著。在此分析墻底防滲帷幕的深度對滲流的敏感程度，以論證是否可以取消防滲墻墻底的垂直防滲帷幕。同樣根據三維滲流計算統計獲得不同部位的滲流量見表3。

表3 防滲墻底防滲帷幕深度滲流敏感性計算成果 單位：m3

計算結果表明，防滲墻底帷幕深度減小后，總滲流量的趨勢是逐漸增大。但是，當取消墻底防滲帷幕(仍保留右岸壩肩基巖防滲帷幕)，總滲流量大致也僅為無任何防滲措施下的總滲流的7.42%，防滲效果并未明顯減弱。這說明壩基防滲墻顯著地削減了壩基滲流量，而防滲墻墻底的灌漿帷幕對減少壩基滲流量并不顯著。對60 m深的防滲墻墻底河床覆蓋層再進行深達60 m的帷幕灌漿，不但施工工期會延長、工程投資會增大，而且防滲效果也難以保障。鑒于未來蓄水之后，近壩水庫死水位以下將逐漸沉積湖相紋泥層，其滲透性較河床中的砂卵礫石層、砂層等將明顯要低，會逐漸起到天然鋪蓋效果，從而進一步降低壩基和繞壩肩滲流。因此，若比較分析表3中方案7-7的總滲流量未超過尼洋河平均徑流量的3%(該值是規范中控制指標)，則壩基防滲墻下不采取帷幕灌漿是可行的。

另外，隨防滲墻墻底帷幕深度的變化，庫水滲流路徑對應的滲流梯度也相應變化，從而使得各部位(包括微新、岸坡深卸荷中等透水區、防滲墻墻底帷幕之下的河床覆蓋層、防滲墻以及防滲帷幕等)的滲流量也呈規律性變化。

圖5 方案7 Lu5三維滲流水位等勢圖

圖6 方案7 Lu5三維滲流梯度

方案7 Lu5三維滲流水位等勢圖見圖5，三維滲流梯度見圖6。各方案的水位等勢特征符合該電站壩基壩肩滲流規律。滲流梯度較大的部位均在防滲墻、帷幕周圍和滲透性差異較大的覆蓋層各層交界面部位。壩肩巖體滲流梯度沒有超過允許滲流梯度；壩基覆蓋層在防滲墻和防滲帷幕附近局部有超過允許滲流梯度的情況，但因位于較深部位的圍壓效應，故不會發生滲透破壞；而防滲墻和防滲帷幕滲流梯度雖然較大，但是防滲墻和防滲帷幕因允許滲流梯度較高，因此，防滲墻和防滲帷幕不會發生滲透擊穿破壞。

圖7 方案7 Lu5壩基防滲墻滲流梯度

圖8 方案7 Lu5壩基壩肩防滲帷幕滲流梯度

圖9 方案7-7壩基防滲墻滲流梯度

圖10 方案7-7壩肩防滲帷幕滲流梯度

方案7 Lu5壩基壩肩防滲墻、防滲帷幕滲流梯度分別見圖7、圖8；方案7-7壩肩防滲墻、防滲帷幕滲流梯度分別見圖9、圖10。由圖可知，方案7-7與方案7 Lu5差異較大的部位主要在防滲墻。由于方案7 Lu5墻底防滲帷幕深度大，阻滲效果更顯著，因此，防滲墻和防滲帷幕附近的壩基覆蓋層和壩肩卸荷巖體的滲流路徑更長，滲流梯度相對小些。但是總體來講，除右壩肩部位的靠防滲墻和防滲帷幕附近滲流梯度較大外，其它部位均較小。因此，兩種方案壩基覆蓋層和壩肩巖體、防滲墻和防滲帷幕發生滲透的區域較小，水庫蓄水后壩基壩肩防滲體系對應發生滲透變形破壞的程度較小。但是需注意，這些局部靠近地表附近區域存在發生淺層滲透破壞跡象。

3.4 壩肩巖體各向同性和各向異性滲流對比分析

為了說明各向同性和各向異性滲流的差異，論證多布電站右壩肩裂隙巖體按各向異性滲流問題處理的合理性，對前面的方案7和方案7-7中的基巖進行各向同性滲流計算。為便于比較各向同性和各向異性滲流的差異，將計算成果列于同一表中，見表4。

表4 壩肩巖體各向同性和各向異性滲流計算成果對比 單位：m3

計算結果表明，就各向同性和各向異性滲流對比方案來講，如方案7和7TX，雖然總滲流量差異并不顯著，但是各滲透區尤其是基巖(對應的微新巖體微透水區、岸坡深卸荷弱透水區和岸坡正常卸荷強透水區基巖)中的滲流量差異還是較為顯著的。結合壩址基巖中裂隙發育特征和平硐揭露的卸荷裂隙充填河湖相物質的規律可知，用裂隙巖體各向異性滲流模型更能反映右壩肩巖體垂直向和順水量向滲透性強、垂河向滲透性弱的特征。因此，對右壩肩巖體按各向異性滲流問題能更好地反映未來蓄水后繞壩肩滲流特征。

4 結論

該水電站右壩肩卸荷巖體繞壩滲流是本項目的關鍵問題，一定程度決定了本工程的順利開展與否。通過本文分析，得出以下結論：

（1）盡管右壩肩巖體完整性較好，但是巖體卸荷較強，尤其是NE向和NW向高傾角裂隙普遍存在卸荷拉張特征，是控制水庫蓄水后繞壩肩滲流的主要通道。

（2）通過滲流計算，右岸卸荷巖體繞壩滲漏損失量約為6萬m3/d。右壩肩水平防滲深度大致布置在距PD4硐口約52 m為相對不透水層區段 (大致對應弱卸荷巖體以外10 m左右的微新巖體區)，將有效阻止庫水繞壩肩滲流。數值計算成果與地質上分析推薦、定性界定的水平防滲帷幕深度幾乎一致。

（3）基于滲流敏感性計算成果，右壩肩卸荷巖體水平帷幕灌漿深度可大致控制在距PD4硐口約50 m～60 m的深度。垂直防滲帷幕深度應在剖面弱卸荷帶以下10 m左右。