三維滲流模擬的觀音閣水庫壩基滲漏和滲透穩定分析

徐 桐

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

0 引 言

水庫蓄水會使大壩上、下游之間形成一定的水位差，若透水巖層存在于壩基處，在水壓力作用下庫水將向下游發生滲漏。大壩基巖土體的某些顆粒在滲透壓力超過一定界限值時，將被滲透水流以流土、管涌、潛蝕等方式沖刷帶走，從而導致壩基變并形危及水庫大壩的安全運行[1]。所以，對壩基滲透穩定和滲漏量選用合適的方法進行科學評價，對于保證水庫大壩的安全運行具有重要的現實意義。

數值法和斷面流量法為目前較為常用的壩基滲流量計算方法，其中斷面流量法主要是對通過壩下地基斷面的流量利用達西定律進行計算的方法，而數值法是將三維和剖面二維滲流模型相結合確定壩基滲流的方法[3-6]。例如，劉曉慶、曹劍波、姬永尚等分別建立了土石壩、錫崖溝水庫壩基、新疆某水庫剖面的二維滲流模擬和有限元計算模型；任杰、王剛城、王恩志等分別以哈達山水利樞紐、江雄水庫壩基、天生橋一級水電站為例，建立了三維滲流模型；毛海濤、鄭華康等以西北地區某水庫大壩、卡拉水電站壩區為例，構建了無限元三維滲流模型。文章對觀音閣水庫壩基滲流穩定分析和滲流量計算引入三維地下水流數值模型，較為客觀、準確的反映了垂向上不相同地層分層參數和底面與周邊邊界的不規則形狀的非均質問題，大大提高了滲流計算模擬精度。

觀音閣水庫位于太子河干流上，總庫容21.68億m3，水域控制面積2.795km2，永久性主要建筑物為一級，樞紐工程為一等，洪水校核為萬a一遇，設計洪水為千a一遇，與下游70km的葠窩水庫形成太子河干流梯級開發。太子河流域地處E122°26'-124°53'、N40°29'-41°39'，主要徑流丹東、撫順、鞍山、遼陽等地，境內支流有清河、小湯河、細河、沙河、五道河、臥龍河、小夾河等，地貌結構特征以低山丘陵和平原為主且構造層次呈東高西低的變化特征。

根據設計任務要求，水庫大壩由電站壩段、底孔壩段、溢流壩段和擋水壩段組成，正常蓄水位255.2m，年均發電量為8015×104kW·h。攔河壩壩頂長1040m，共分為65個壩段，屬于碾壓混凝土重力壩。除9#、7#、5#、4#壩段外，其他壩段寬均為16m。擋水壩段48個，壩頂寬10m、壩頂高程267m，最大壩底寬61.30m，最大壩高82m，溢流壩段位于15#-27#壩段，設12個凈寬為12m的溢流孔。溢流前緣凈寬144m，中墩厚4m，堰頂最大底寬74m，最大壩高71.2m，堰頂高程255.2m，閘后采用挑流效能，堰頂設弧形鋼閘門，尺寸為12m×9m。

1 工程地質概況

1.1 壩區地質

觀音閣水庫位于泉水向斜中，向斜寬10km、向斜軸長30km。奧陶系和寒武系中、上統廣泛出露于河谷兩岸，前震旦系中生代火成巖、變質巖、震旦系碎屑巖和非可溶性的寒武系中、下統頁巖連續分布于以可溶性碳酸巖為主的地層的外圍。庫區兩岸高山連綿，構造比較簡單且分水嶺高程均>400m，封閉條件良好未見通向庫外的深大斷裂，因此向鄰谷滲漏的問題基本不存在。水庫正常蓄水位低于庫區外圍非可溶性巖層中的地下水位，因此蓄水后水庫不會產生永久性滲漏。在牛馬臺溝分水嶺地層處近壩區白云溝分布紊亂，被斷層錯斷，因此在建成后可能會產生局部滲漏問題，對此采取防滲墻處理措施。庫區地震烈度為Ⅵ度，按Ⅶ度設計水庫大壩，極端情況下推算的地震影響上限為4級最大可能的水庫地震。根據地震震源極線，4級地震的震中烈度在巖溶地區的可達Ⅶ度。

1.2 壩址區地質

壩址區兩岸呈“U”型不對稱橫向河谷，左岸地形完整而山高坡陡；右岸地形不完整且溝谷發育，高程一般不超過300m，南北展布的低矮單薄山脊，兩岸防滲帷幕與壩基銜接可構筑封閉式帷幕。壩址區保留Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三級階地，屬于構造構造剝蝕低山區。壩址位于小市和泉水兩向斜連接部的倒轉地層上，壩基以鮞狀灰巖和張夏結晶灰巖為主，壩踵多為崮山組灰頁巖互層，巖體強度能夠符合混凝土壩要求。河床和左岸巖體完整、構造簡單，右岸斷層多且構造復雜。F1與F58斷層為構造復雜帶，斷裂密布，斷層間地層紊亂。自左向右壩基巖體風化深度加劇，建基面未見較大溶洞、多維條狀巖溶。鳳山與長山組之間的10m頁巖為較好的相對隔水層，透水率在3Lu以下。

1.3 水文地質特征

根據介質類型及其賦存形式可將工程區地下水分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩類，其中基巖裂隙水主要由大氣降水補給，呈脈絡狀分布于太子河干流兩岸的基巖山體內。地下水位不穩定，徑流流程短且隨季節性變化較大，多以泉水形式直接補給于第四系孔隙潛水或排泄于地表河流。

現代河谷內主要分布著第四系孔隙潛水，第四系沖洪積砂礫卵石層為含水層，其厚度在32-80m之間。階地中和河漫灘地下水位埋深分別在5-18m、0.7-1.6m之間。在基巖裂隙水和大氣降水補給作用下，地下水沿河谷方向往下游徑流。根據巖心采取率統計結果，勘探孔沿壩軸線設置，其中分層壓水或抽水試驗鉆孔為4個，按自上而下的次序將壩基剖面劃分為5個層次，各層次底板埋深分別為8-10m、15-21m、30-35m、60m和80m左右，相應的滲透系數為5-10m/d、18-65m/d、12-22m/d、4-8m/d、20m/d。根據水質監測資料，工程區水質較好，可直接灌溉、飲用，地下水礦化度為0.54g/L。

2 壩基滲漏數值模擬

2.1 水文地質條件概化

1)模擬計算區域。以壩軸線為基準分別向水庫上、下游外推500m和200m，沿河流長700m范圍作為模擬計算區域。各個部位的河流寬度存在一定差異，不同位置的河段實際寬度不同，模擬寬度取500m，模擬計算面積為285100m2。

2)含水層結構概化。根據鉆孔揭露結果壩基巖層最大厚度為82.5m，且以卵、礫石層為主。按自上而下的原則可將巖層分為5層，由于成因和密實度的不同各層之間的透水性存在一定差異，且在垂直方向和水平方向上同一層的滲透性也不盡相同，礫石層均為墻透水層。所以，觀音閣水庫壩基含水層屬于非均質各向異性。當水庫蓄水并達到255.2m的正常水位時，地下水滲流形成穩定性且滲流無內無源匯項，因此以穩定滲流作為地下水概化結果。由于壩基防滲處理采取的防滲墻措施，地下水形成三維繞流，所以以三維穩定滲流作為地下水最終的概化結果。

3)邊界條件概化。在庫區底部和兩側存在的松散堆積物與不發育的基巖接觸，因此隔水邊界可概化為底層與兩側的邊界；上游邊界的定水頭邊界取水庫正常設計水位，并且考慮水庫蓄水位實際情況；下游邊界定水頭邊界為水庫大壩的地面高程。庫區內頂部定水頭邊界為水庫正常設計水位；零流量邊界為大壩下游的頂部邊界。

觀音閣水庫的正常設計水位為255.2m，因此取255.2m作為上游各層定水頭邊界地下水位和庫區內第一模擬層定水頭。設置定水頭邊界作為下游邊界處各層地下水位，接近于地表取232.0m。

4)水文地質概念模型。計算區水文地質概念模型經地質條件概化處理為：具有一、二類邊界三維穩定流的松散巖類含層組成的非均質各向異性模型。

2.2 數學模型

采用下述計算式作為地下水滲流數學模型，并用于壩基滲漏的計算分析，即：

(1)

H(x,y,x)|Γ1=H1(x,y,x);(x,y,x)∈Γ1

(2)

(3)

式中：H1、H分別為滲流區域一類邊界和含水層地下水位；Kz、Kh分別為含水層垂直、水平房名的滲透系數；G、n分別為計算區域和邊界外法線；Γ1、Γ2分別代表第一、第二類邊界。

2.3 計算區剖分

對模擬區域按照長方體網格剖分，沿河流方向、垂直方面分別剖分為長40m、30m的30列網格，將含水層剖分為8層，各層厚10m。通過以上剖分可將計算區域劃分為7200個基本單元，有效單元數為3750個。

2.4 確定模型參數

根據水文地質條件概化結果和水文地質勘探相關資料，在離散的8個模型中垂向滲透性較為接近的有4、5、6層，在7、8層中的滲透性也相差不大，各層中模型參數見表1。

表1 各層滲透系數值 m/d

2.5 滲漏量模擬結果

對壩基滲流量按照以上參數設置和模型概化結果進行計算，結果見表2。

表2 滲漏量計算結果

防滲墻深/m0102030405060滲漏量/m3·s-17190565218408722305115260118529250

2.6 壩基滲透穩定分析

根據觀音閣水庫工程地質勘察結果，水力坡降最大允許值在壩基礫石處為0.13。水力坡度值在壩基不同部位存在一定差異，壩地板以下徑流段的水利坡度較壩后出溢段和壩前入滲段小。隨著距離壩基深度和距壩腳距離的增大水力坡度呈減少趨勢，因此壩腳處接近地表的底層為壩后實際水力坡度最大處。

觀音閣水庫攔河壩壩頂長1040m，除9#、7#、5#、4#壩段外，其他壩段寬均為16m。擋水壩段48個，壩頂寬10m、壩頂高程267m，最大壩底寬61.30m，最大壩高82m，溢流壩段位于15#-27#壩段。為確定最上層頂板和地板水位對不同深度防滲墻進行模擬計算，由此計算出溢段水力坡度在壩后壩腳近地表層中的數值，如表3。

表3 出溢段水力坡度

結合上述分析結果，將防滲墻深度設置在50m以上方可有效防止水庫發生滲透變形。

3 結 論

1) 對觀音閣水庫大壩的滲透穩定分析和壩基滲流量利用三維地下水流模型進行模擬計算，較好的解決了垂向上地層非均質問題和地面與周邊邊界的不規則問題，該模型具有較高的計算精度。

2) 模擬滲流量在布設防滲墻深度為20、40、50m時分別為71905、40872、15260、11852m3/s，將防滲墻深度設置在50m以上方可有效防止水庫發生滲透變形。