納子峽混凝土面板砂礫石壩滲流監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

呂生璽

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(kāi)挖料為主要筑壩材料，以上游側(cè)鋼筋混凝土面板、趾板以及各類接縫止水結(jié)構(gòu)為防滲系統(tǒng)的土石壩［1］。近年來(lái)，中國(guó)在高面板砂礫石壩止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、墊層料級(jí)配、排水體結(jié)構(gòu)、原位監(jiān)測(cè)技術(shù)以及惡劣環(huán)境下施工技術(shù)等領(lǐng)域取得了重要突破，并建成了古洞口、烏魯瓦提、黑泉、吉林臺(tái)（一級(jí)）以及察汗烏蘇等一批150 m級(jí)高混凝土面板砂礫石壩工程，迄今均安全運(yùn)行［2］。滲流控制是混凝土面板砂礫石壩建設(shè)需考慮的關(guān)鍵因素，特別是修建在高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)、覆蓋層上的高面板壩，其滲流特性需重點(diǎn)關(guān)注。

混凝土面板砂礫石壩滲流安全問(wèn)題備受關(guān)注。陳生水等［2］開(kāi)展了高混凝土面板砂礫石壩關(guān)鍵技術(shù)研究，在國(guó)內(nèi)外首次研制成功了大型高壓固結(jié)滲透儀，解決了試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)高壓水這一技術(shù)難題，并提出了一套完整的試驗(yàn)操作程序和安全評(píng)價(jià)方法，成功應(yīng)用于新疆烏魯瓦提和青海黑泉水庫(kù)兩座高砂礫石面板壩工程中。吳靜茹［3］采用Geo-Slope軟件開(kāi)展混凝土面板砂礫石壩二維有限元滲流實(shí)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(kāi)展了青海省納子峽面板砂礫石壩滲流性態(tài)三維有限元分析，論證了大壩防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。劉杰等［5］以西藏某水電站樞紐工程為例，構(gòu)建三維滲流有限元模型，分析了各材料區(qū)滲透穩(wěn)定性，通過(guò)不同防滲布置方案對(duì)比研究了廠壩址區(qū)滲流特性，并評(píng)價(jià)了各方案的可行性。吳艷等［6］開(kāi)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(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)資料分析，表明大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)變化基本正常，滿足設(shè)計(jì)要求。相對(duì)而言，人們對(duì)混凝土面板砂礫石壩的數(shù)值分析研究較多，監(jiān)測(cè)研究較少，難以掌握混凝土面板砂礫石壩的實(shí)際滲流性態(tài)。對(duì)于修建在高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)、覆蓋層上的高面板壩，只有在充分掌握監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上才能建立合理的分析模型，真正把握其滲流規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)工程建設(shè)與管理，因此開(kāi)展高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)、覆蓋層上混凝土面板砂礫石壩滲流監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)收集［7］的基礎(chǔ)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(kù)總庫(kù)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(jī)容量87 MW，年均發(fā)電量為3.1 億 kW·h。

納子峽大壩是我國(guó)在高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)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(tǒng)。對(duì)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(tài)、滲流勢(shì)分布等對(duì)于壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義，工程蓄水運(yùn)行后，安全監(jiān)測(cè)資料是掌握大壩運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)，特別是大壩滲流情況，對(duì)于評(píng)價(jià)工程安全性具有重要的作用。納子峽水電站工程于2011年開(kāi)工建設(shè)，2014年初蓄水發(fā)電，截至目前已經(jīng)運(yùn)行近5 a，積累了較為全面的監(jiān)測(cè)資料。筆者重點(diǎn)對(duì)實(shí)際滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究確定大壩滲流狀態(tài)，為工程調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

納子峽水電站工程壩址區(qū)位于大通河上游門源縣境內(nèi)納子峽河段上，屬構(gòu)造剝蝕中高山區(qū)，高程為3 088～3 500 m，山體陡峻，地勢(shì)西南高、東北低。河谷呈不規(guī)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(qū)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(zhì)組成大小混雜，砂壤土充填其中。右岸大部分區(qū)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(zhì)物等，局部存在架空現(xiàn)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(qū)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(zhǎng)巖（γ32），巖塊致密堅(jiān)硬，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面相互切割組合，巖體破碎，完整性差。

壩址區(qū)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(dòng)態(tài)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(yùn)移于現(xiàn)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(bǔ)給，向大通河排泄。基巖裂隙水賦存和運(yùn)移于基巖裂隙中，受大氣降水、高山融雪水及孔隙性潛水補(bǔ)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(qū)左岸巖體中斷裂較發(fā)育，巖體透水性強(qiáng)，基巖面以下15 m范圍內(nèi)為強(qiáng)透水，15～50 m范圍內(nèi)為中等透水，50～60 m范圍內(nèi)為弱透水上帶，60～100 m范圍內(nèi)為弱透水中帶，100 m以下為弱透水下帶。右岸巖體中斷裂構(gòu)造不甚發(fā)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(nèi)為中等透水，15～25 m范圍內(nèi)為弱透水上帶，25～60 m范圍內(nèi)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(nèi)為中等透水，15～60 m范圍內(nèi)為弱透水上帶，60～70 m范圍內(nèi)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(nèi)為中等透水，13～40 m范圍內(nèi)為弱透水上帶，40～80 m范圍內(nèi)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

納子峽面板堆石壩布設(shè)了相對(duì)全面的滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括：

（1）壩體周邊縫滲流監(jiān)測(cè)。主要在接近趾板的面板底部墊層料中埋設(shè)滲壓計(jì)，監(jiān)測(cè)面板趾板連接部位壩體周邊的滲流情況，根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在壩體周邊共埋設(shè)12支滲壓計(jì)，均為挖坑埋設(shè)。

（2）河床壩基滲壓監(jiān)測(cè)。為了監(jiān)測(cè)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(jì)，儀器埋設(shè)于壩基過(guò)渡料以下1 m處，均為挖坑埋設(shè)。

（3）防滲墻滲流監(jiān)測(cè)。 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(jì)15支，監(jiān)測(cè)防滲系統(tǒng)上下游水壓折減情況，采用鉆孔和挖坑方式埋設(shè)。

（4）壩體滲流量監(jiān)測(cè)。壩體滲流量是反映大壩運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，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(shè)置的防滲墻（伸入基巖攔截河床覆蓋層中的滲流）中部設(shè)置集水槽，槽末端設(shè)置1座量水堰，進(jìn)行滲流量監(jiān)測(cè)。

（5）繞壩滲流監(jiān)測(cè)。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(gè)水位監(jiān)測(cè)孔，在右壩肩帷幕下游布置了4個(gè)水位監(jiān)測(cè)孔，孔內(nèi)埋設(shè)滲壓計(jì)，進(jìn)行兩壩肩地下水位監(jiān)測(cè)。

（6）數(shù)據(jù)采集。防滲墻滲壓計(jì)、壩體周邊滲壓計(jì)、繞壩滲漏孔滲壓計(jì)電纜通過(guò)兩岸邊坡通向壩頂電纜廊道匯入集線箱內(nèi)，由集線箱通過(guò)信號(hào)線將數(shù)據(jù)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(cè)房進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 滲流分析與評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算方法及參數(shù)

采用三維有限元法開(kāi)展混凝土面板砂礫石壩滲流計(jì)算［4］，分析巖體中的滲流場(chǎng)分布，計(jì)算大壩壩肩在各種工況下的滲流量，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析混凝土面板砂礫石壩的滲流特征與規(guī)律。

壩基巖體的滲透系數(shù)見(jiàn)表1，河床覆蓋層砂卵礫石物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2，壩體各料區(qū)滲透特性見(jiàn)表3。

表1 壩基巖體各層滲透系數(shù)

表2 河床覆蓋層砂卵礫石物理力學(xué)性質(zhì)建議指標(biāo)

表3 壩體各料區(qū)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(jì)算模擬壩址區(qū)天然情況下地下水滲流場(chǎng)，然后與壩址區(qū)地下水位勘察成果對(duì)比，進(jìn)一步修正計(jì)算模型和參數(shù)，提高運(yùn)行期三維滲流場(chǎng)計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

根據(jù)壩址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，將壩址區(qū)巖體按水文地質(zhì)情況分區(qū)，左、右岸巖體滲透系數(shù)不同，分不同的層，同時(shí)考慮斷層和砂礫石覆蓋層分布，據(jù)此生成有限元計(jì)算網(wǎng)格。反演計(jì)算發(fā)現(xiàn)，天然情況下地下水滲流場(chǎng)鉆孔水位實(shí)測(cè)值與反演計(jì)算值比較接近，見(jiàn)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(qū)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(nèi)地下水位均較高。從模擬結(jié)果來(lái)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(nèi)天然地下水位的分布情況。

從各個(gè)選取剖面的位勢(shì)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?yàn)橛蓛蓚?cè)山體指向河谷方向；壩軸線剖面的地下水位與所給地質(zhì)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(nèi)擬合誤差較大，該局部范圍內(nèi)地下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合。反演計(jì)算成果與天然地下水滲流場(chǎng)接近，說(shuō)明采用的計(jì)算模型和邊界條件是合適的。

3.3 運(yùn)行期滲流分析

運(yùn)行期計(jì)算按照設(shè)計(jì)方案，增加了壩體、防滲墻、防滲帷幕等結(jié)構(gòu)，有限元三維計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

（1）壩址區(qū)滲流場(chǎng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩體及兩岸滲流場(chǎng)的分布規(guī)律較為合理，庫(kù)水通過(guò)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(nèi)浸潤(rùn)面較為平緩，呈現(xiàn)河床中央較低、兩壩肩較高的態(tài)勢(shì)，其最低位置出現(xiàn)在河床中央部位。水庫(kù)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(kù)水位和下游水位的升高，兩岸地下水位及壩體浸潤(rùn)面升高，但變化規(guī)律不變，變化幅度不大，壩體浸潤(rùn)面主要受下游水位影響。在設(shè)計(jì)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(rùn)面也相應(yīng)抬高。

圖2 運(yùn)行期滲流場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格

（2）滲透坡降。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在正常蓄水位工況下，壩體各料區(qū)最大滲透坡降見(jiàn)表5，壩基及兩岸壩肩最大滲透坡降見(jiàn)表6。壩體混凝土面板的滲透坡降較大，壩體其他料區(qū)（墊層、砂礫石區(qū)等）的滲透坡降相對(duì)較小。

表5 正常蓄水位工況下壩體各料區(qū)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(yùn)行狀態(tài)的主要指標(biāo)，特別是剔除兩壩肩的滲流量后大壩部分的滲流量是關(guān)注的重點(diǎn)。三維有限元計(jì)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(kù)滲流量絕大部分是由壩基滲流和兩岸壩肩繞滲產(chǎn)生的，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 正常蓄水位下計(jì)算域內(nèi)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(shè)計(jì)中在大壩下游垂直河床設(shè)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(jìn)入量水堰。水庫(kù)2014年蓄水后，滲流監(jiān)測(cè)一直在進(jìn)行，系列測(cè)值見(jiàn)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(shí)水霧的影響。

圖3 水庫(kù)滲流量變化情況

由圖3可知，監(jiān)測(cè)4 a內(nèi)水庫(kù)滲流量變幅較小，且逐步趨于穩(wěn)定，總滲流量與計(jì)算結(jié)果比較接近，說(shuō)明工程運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)基本接近。

4 結(jié) 論

（1）納子峽水電站面板壩是目前國(guó)內(nèi)在高寒、高海拔、高地震烈度區(qū)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(yùn)行狀態(tài)，在大壩中布置了比較完善的滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取了大壩滲流監(jiān)測(cè)資料，為分析評(píng)價(jià)大壩滲透安全狀態(tài)提供了數(shù)據(jù)。

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

（3）監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果表明，大壩蓄水運(yùn)行以來(lái)，壩體滲透壓力及最大滲透坡降滿足設(shè)計(jì)要求，水庫(kù)滲流量變幅較小，且逐步趨于穩(wěn)定，總滲流量與計(jì)算結(jié)果比較接近，說(shuō)明工程運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)基本接近，大壩防滲設(shè)計(jì)合理。