納子峽混凝土面板砂礫石壩滲流監測與評價

呂生璽

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000）

混凝土面板砂礫石壩是一種以河床砂礫石開挖料為主要筑壩材料，以上游側鋼筋混凝土面板、趾板以及各類接縫止水結構為防滲系統的土石壩［1］。近年來，中國在高面板砂礫石壩止水結構設計、墊層料級配、排水體結構、原位監測技術以及惡劣環境下施工技術等領域取得了重要突破，并建成了古洞口、烏魯瓦提、黑泉、吉林臺（一級）以及察汗烏蘇等一批150 m級高混凝土面板砂礫石壩工程，迄今均安全運行［2］。滲流控制是混凝土面板砂礫石壩建設需考慮的關鍵因素，特別是修建在高海拔、嚴寒地區、覆蓋層上的高面板壩，其滲流特性需重點關注。

混凝土面板砂礫石壩滲流安全問題備受關注。陳生水等［2］開展了高混凝土面板砂礫石壩關鍵技術研究，在國內外首次研制成功了大型高壓固結滲透儀，解決了試驗過程中連續穩定地供應高壓水這一技術難題，并提出了一套完整的試驗操作程序和安全評價方法，成功應用于新疆烏魯瓦提和青海黑泉水庫兩座高砂礫石面板壩工程中。吳靜茹［3］采用Geo-Slope軟件開展混凝土面板砂礫石壩二維有限元滲流實例分析，探討了混凝土面板砂礫石壩二維滲流特性。康雁德等［4］開展了青海省納子峽面板砂礫石壩滲流性態三維有限元分析，論證了大壩防滲排水系統設計的合理性。劉杰等［5］以西藏某水電站樞紐工程為例，構建三維滲流有限元模型，分析了各材料區滲透穩定性，通過不同防滲布置方案對比研究了廠壩址區滲流特性，并評價了各方案的可行性。吳艷等［6］開展了最大壩高133 m的新疆烏魯瓦提混凝土面板砂礫石壩運行期安全監測資料分析，表明大壩的結構性態變化基本正常，滿足設計要求。相對而言，人們對混凝土面板砂礫石壩的數值分析研究較多，監測研究較少，難以掌握混凝土面板砂礫石壩的實際滲流性態。對于修建在高海拔、嚴寒地區、覆蓋層上的高面板壩，只有在充分掌握監測資料的基礎上才能建立合理的分析模型，真正把握其滲流規律，從而更好地指導工程建設與管理，因此開展高海拔、嚴寒地區、覆蓋層上混凝土面板砂礫石壩滲流監測與評價尤為必要。

筆者以大通河納子峽水電站混凝土面板砂礫石壩為例，在滲流監測系統設計與數據收集［7］的基礎上，采用三維有限單元法分析了砂礫石壩滲流特性［4］。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

納子峽水電站工程位于大通河干流上游，主要包括混凝土面板砂礫石壩、溢洪道、放空泄洪洞、引水隧洞、高壓管道、電站廠房等建筑物，水庫總庫容為7.33億m3，正常蓄水位 3 210.5 m，面板壩最大壩高117.6 m，屬二等大（2）型工程，電站總裝機容量87 MW，年均發電量為3.1 億 kW·h。

納子峽大壩是我國在高海拔、嚴寒地區修建在覆蓋層上的最高混凝土面板砂礫石壩之一，河床截滲采用混凝土防滲墻，河床平趾板與防滲墻之間采用連接板形成完整的防滲系統。對于修建在覆蓋層上的面板砂礫石壩，研究不同工況下大壩的滲流性態、滲流勢分布等對于壩體結構設計具有重要意義，工程蓄水運行后，安全監測資料是掌握大壩運行狀態的重要依據，特別是大壩滲流情況，對于評價工程安全性具有重要的作用。納子峽水電站工程于2011年開工建設，2014年初蓄水發電，截至目前已經運行近5 a，積累了較為全面的監測資料。筆者重點對實際滲流監測數據與設計成果進行了對比分析，研究確定大壩滲流狀態，為工程調度運行提供技術支持。

1.2 工程地質及水文地質

納子峽水電站工程壩址區位于大通河上游門源縣境內納子峽河段上，屬構造剝蝕中高山區，高程為3 088～3 500 m，山體陡峻，地勢西南高、東北低。河谷呈不規則U形，兩岸地形起伏大，左陡右緩，屬高山峽谷地貌單元。

左岸大部分區域基巖裸露，地形坡度為37°左右，左岸壩頂以上岸坡覆蓋坡積碎石土，厚度為1.5～10.0 m；坡腳處覆蓋崩坡積塊石碎石土，厚5～18 m，物質組成大小混雜，砂壤土充填其中。右岸大部分區域覆蓋崩坡積塊石碎石土，局部岸坡及山頂基巖裸露，地形坡度為26°～34°，岸坡傾向 NW325°。右岸崩坡積層厚3～12 m，表層為厚約0.5 m的含碎石砂壤土，下部為崩塌堆積的大塊石、碎石及泥質物等，局部存在架空現象。河床覆蓋層為含大粒徑孤塊（漂）石的沖積砂卵礫石層，厚19.90～21.09 m，其中表層深度 7 m 以上孤塊（漂）石含量較多，7 m以下以砂卵礫石為主。壩址區出露基巖主要為前寒武系（An∈）黑云母石英片巖夾花崗片麻巖和加里東期侵入的片麻狀花崗閃長巖（γ32），巖塊致密堅硬，巖體節理裂隙發育，結構面相互切割組合，巖體破碎，完整性差。

壩址區地下水主要賦存于第四系松散堆積層孔隙和基巖裂隙中，地下水動態變化受氣候變化影響較大，水位隨著降雨量的增大而升高。孔隙性潛水主要賦存和運移于現代河床、河漫灘沖積砂卵礫石層和崩坡積塊石碎石土中，受大氣降水、融雪水和地表徑流的補給，向大通河排泄。基巖裂隙水賦存和運移于基巖裂隙中，受大氣降水、高山融雪水及孔隙性潛水補給，直接滲入松散堆積體中以孔隙水形式或以下降泉的形式向大通河排泄。

壩址區左岸巖體中斷裂較發育，巖體透水性強，基巖面以下15 m范圍內為強透水，15～50 m范圍內為中等透水，50～60 m范圍內為弱透水上帶，60～100 m范圍內為弱透水中帶，100 m以下為弱透水下帶。右岸巖體中斷裂構造不甚發育，巖體完整性較左岸好，透水性較左岸差，基巖面以下15 m范圍內為中等透水，15～25 m范圍內為弱透水上帶，25～60 m范圍內為弱透水中帶，60 m以下為弱透水下帶。河床壩基F7斷層上盤至左岸坡腳基巖面以下15 m范圍內為中等透水，15～60 m范圍內為弱透水上帶，60～70 m范圍內為弱透水中帶（呂榮值q＝3～5 Lu），70 m以下為弱透水下帶；F7斷層下盤至右岸坡腳巖面以下13 m范圍內為中等透水，13～40 m范圍內為弱透水上帶，40～80 m范圍內為弱透水中帶，80 m以下為弱透水下帶。

2 混凝土面板砂礫石壩滲流監測系統設計

納子峽面板堆石壩布設了相對全面的滲流監測系統，主要包括：

（1）壩體周邊縫滲流監測。主要在接近趾板的面板底部墊層料中埋設滲壓計，監測面板趾板連接部位壩體周邊的滲流情況，根據大壩結構特點，在壩體周邊共埋設12支滲壓計，均為挖坑埋設。

（2）河床壩基滲壓監測。為了監測河床壩基滲壓分布情況，在壩橫 0+135.654、壩橫 0+195.654、壩橫 0+279.654的壩基面上，沿水流方向共布置了20支滲壓計，儀器埋設于壩基過渡料以下1 m處，均為挖坑埋設。

（3）防滲墻滲流監測。 在趾 0+261.676、趾0+281.676、趾 0+301.676 斷面的平趾板、連接板底部，防滲墻的上下游共布置滲壓計15支，監測防滲系統上下游水壓折減情況，采用鉆孔和挖坑方式埋設。

（4）壩體滲流量監測。壩體滲流量是反映大壩運行狀態的重要指標，為了全面收集大壩及兩岸山體的滲流量，在大壩下游河床設置的防滲墻（伸入基巖攔截河床覆蓋層中的滲流）中部設置集水槽，槽末端設置1座量水堰，進行滲流量監測。

（5）繞壩滲流監測。為掌握大壩左右壩肩繞滲情況，在左壩肩帷幕下游岸坡不同高程布置了5個水位監測孔，在右壩肩帷幕下游布置了4個水位監測孔，孔內埋設滲壓計，進行兩壩肩地下水位監測。

（6）數據采集。防滲墻滲壓計、壩體周邊滲壓計、繞壩滲漏孔滲壓計電纜通過兩岸邊坡通向壩頂電纜廊道匯入集線箱內，由集線箱通過信號線將數據傳至管理站；河床壩基、平趾板及防滲墻儀器電纜沿壩基面匯集到4#觀測房進行數據采集。

3 滲流分析與評價

3.1 計算方法及參數

采用三維有限元法開展混凝土面板砂礫石壩滲流計算［4］，分析巖體中的滲流場分布，計算大壩壩肩在各種工況下的滲流量，并與監測數據進行對比，分析混凝土面板砂礫石壩的滲流特征與規律。

壩基巖體的滲透系數見表1，河床覆蓋層砂卵礫石物理力學指標見表2，壩體各料區滲透特性見表3。

表1 壩基巖體各層滲透系數

表2 河床覆蓋層砂卵礫石物理力學性質建議指標

表3 壩體各料區滲透特性

3.2 天然情況下地下水滲流分析

首先采用有限元反演計算模擬壩址區天然情況下地下水滲流場，然后與壩址區地下水位勘察成果對比，進一步修正計算模型和參數，提高運行期三維滲流場計算參數的準確性與可靠性。

根據壩址區工程地質和水文地質資料，將壩址區巖體按水文地質情況分區，左、右岸巖體滲透系數不同，分不同的層，同時考慮斷層和砂礫石覆蓋層分布，據此生成有限元計算網格。反演計算發現，天然情況下地下水滲流場鉆孔水位實測值與反演計算值比較接近，見表4和圖1。

圖1 地下水位線

從地下水位線（圖1）可以看出，左岸近河谷區地下水位變化比較平緩，右岸山體地下水位變化較為快速，兩岸較高的山體內地下水位均較高。從模擬結果來看，左岸壩肩地下水滲透坡降較小，右岸壩肩地下水滲透坡降較大。三維滲流模型較好地模擬了山體內天然地下水位的分布情況。

從各個選取剖面的位勢分布圖分析，地下水位總體上由兩岸向河谷處逐漸下降，即地下水的流向為由兩側山體指向河谷方向；壩軸線剖面的地下水位與所給地質勘探的鉆孔地下水位基本吻合，僅在Y＝620 m附近的局部范圍內擬合誤差較大，該局部范圍內地下水位計算值與實測值最大誤差為-11.9 m，約為最大水頭的-10.8%，其他部位地下水位的計算值和實測值基本吻合。反演計算成果與天然地下水滲流場接近，說明采用的計算模型和邊界條件是合適的。

3.3 運行期滲流分析

運行期計算按照設計方案，增加了壩體、防滲墻、防滲帷幕等結構，有限元三維計算網格見圖2。

（1）壩址區滲流場。根據計算結果，壩體及兩岸滲流場的分布規律較為合理，庫水通過壩體和兩岸防滲帷幕及山體滲向下游，其中混凝土面板后壩體內浸潤面較為平緩，呈現河床中央較低、兩壩肩較高的態勢，其最低位置出現在河床中央部位。水庫正常蓄水位下面板和防滲帷幕的阻滲作用共削減水頭93.92 m，占總水頭的84.31%。隨著庫水位和下游水位的升高，兩岸地下水位及壩體浸潤面升高，但變化規律不變，變化幅度不大，壩體浸潤面主要受下游水位影響。在設計和校核工況下，河道下游水位分別比正常蓄水工況的下游水位高3.9 m和4.0 m，壩體浸潤面也相應抬高。

圖2 運行期滲流場有限元計算網格

（2）滲透坡降。根據計算結果，在正常蓄水位工況下，壩體各料區最大滲透坡降見表5，壩基及兩岸壩肩最大滲透坡降見表6。壩體混凝土面板的滲透坡降較大，壩體其他料區（墊層、砂礫石區等）的滲透坡降相對較小。

表5 正常蓄水位工況下壩體各料區最大滲透坡降

表6 正常蓄水位工況下壩基及兩岸壩肩最大滲透坡降

（3）滲流量。總滲流量是判斷工程運行狀態的主要指標，特別是剔除兩壩肩的滲流量后大壩部分的滲流量是關注的重點。三維有限元計算得到在正常蓄水位下總滲流量為6 195.97 m3／d，其中壩體滲流量所占比例較小，水庫滲流量絕大部分是由壩基滲流和兩岸壩肩繞滲產生的，計算結果見表7。

表7 正常蓄水位下計算域內各部分的滲流量 m3／d

納子峽水電站面板壩修建在河床覆蓋層上，設計中在大壩下游垂直河床設置了深入基巖的混凝土防滲墻，墻后連接量水堰，因此河床及兩岸的滲流量基本全部可以進入量水堰。水庫2014年蓄水后，滲流監測一直在進行，系列測值見圖3，滲流量為40～110 L／s，平均約為70 L／s，大值主要受溢洪道泄洪時水霧的影響。

圖3 水庫滲流量變化情況

由圖3可知，監測4 a內水庫滲流量變幅較小，且逐步趨于穩定，總滲流量與計算結果比較接近，說明工程運行狀態與設計基本接近。

4 結 論

（1）納子峽水電站面板壩是目前國內在高寒、高海拔、高地震烈度區河床覆蓋層上修建的最高混凝土面板砂礫石壩，其滲透安全尤為重要。為掌握大壩滲流安全與運行狀態，在大壩中布置了比較完善的滲流監測系統，獲取了大壩滲流監測資料，為分析評價大壩滲透安全狀態提供了數據。

（2）為更好地評價大壩滲透安全性態，采用三維有限元模型分析了巖體中滲流場分布，計算了大壩壩肩及壩體的滲流量。

（3）監測與評價結果表明，大壩蓄水運行以來，壩體滲透壓力及最大滲透坡降滿足設計要求，水庫滲流量變幅較小，且逐步趨于穩定，總滲流量與計算結果比較接近，說明工程運行狀態與設計基本接近，大壩防滲設計合理。