江坪河面板堆石壩滲流場模擬與防滲體系評價

徐毓威，王國輝，于 浩，盧文頔

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

混凝土面板堆石壩具有工程造價低、施工進(jìn)度快、對不利的地質(zhì)環(huán)境條件適應(yīng)性好等特點(diǎn)[1-2]，在我國水電建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用；尤其是在受到交通及經(jīng)濟(jì)限制的中西部地區(qū)，高面板堆石壩是水電開發(fā)進(jìn)程中極具競爭力的壩型[3- 4]。滲流控制問題是高面板堆石壩的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，其對于大壩多年穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[5- 6]。陳益峰等[7]基于連續(xù)介質(zhì)理論，闡述滲流控制的物理機(jī)制主要受耦合過程、初始狀態(tài)、邊界條件、介質(zhì)水力特性控制。大型水電工程中廣泛采用的滲控措施主要分為兩類：一類是通過改變邊界條件實(shí)現(xiàn)滲流控制，主要包括排水孔、排水廊道、排水棱體等；另一類改變是介質(zhì)特性的方式，阻斷可能的滲漏通道，主要包括防滲墻、防滲面板、防滲帷幕等。滲漏量是判斷大壩滲控效應(yīng)的直觀標(biāo)準(zhǔn)，譚界雄等[8]、鈕新強(qiáng)等[9]分別結(jié)合白云面板壩及株樹橋面板壩的工程經(jīng)驗(yàn)提出高面板壩總滲漏量達(dá)到800～1 000 L/s時需進(jìn)行加固處理的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。江坪河水電站采用壩型為高面板堆石壩，通過混凝土面板、趾板、防滲帷幕形成的統(tǒng)一防滲體系進(jìn)行滲漏控制，并在主要地下建筑物、灌漿廊道下游側(cè)設(shè)置排水孔以降低孔隙水壓力。開展江坪河水電站壩址區(qū)的三維滲流計算可得到壩體及兩岸山體滲流的分布規(guī)律，確定壩址區(qū)的滲漏量以及軟弱地層的滲透坡降，判斷在現(xiàn)有滲控措施下壩體及巖體滲透穩(wěn)定性的情況，為系統(tǒng)研究滲控措施提供支持。

1 滲流分析理論

巖土體的滲流問題一般可認(rèn)為是符合達(dá)西定律的層流，基于連續(xù)介質(zhì)理論，地下水在巖土體中的運(yùn)動規(guī)律可按多孔介質(zhì)中的滲流控制微分方程加以描述，將巖土體視為不可壓縮土體并忽略水體的壓縮性，得到等效巖體的穩(wěn)定滲流控制方程為

(1)

式中，Kij為介質(zhì)的滲透張量(i，j=1， 2， 3)；h為待求水頭函數(shù)。該控制方程需要滿足以下四類邊界條件，即

(2)

(3)

式中，Γq為流量邊界；qn為邊界流量。

(4)

式中，Γf為穩(wěn)定滲流的自由面。

(5)

式中，Γs為潛在溢出面邊界。

對于該滲流問題求解過程中存在的強(qiáng)非線性，陳益峰等[10-11]、Zheng等[12]提出的SVA法對于含復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的滲流分析問題具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性及魯棒性。本文采用SVA法對江坪河水電站壩址區(qū)滲流場進(jìn)行模擬。

2 計算模型

2.1 工程概況

江坪河水電站位于湖北省鶴峰縣溇水干流上游河段，壩型選用混凝土面板堆石壩，最大壩高219.0 m，大壩下游設(shè)置混凝土面板及量水堰以收集監(jiān)測壩體滲流量；廠房采用地面式廠房，設(shè)置在左岸下游，安裝2臺225 MW發(fā)電機(jī)組，由兩條引水管道供水；右岸平行布置了一孔泄洪放空洞、兩孔溢洪道[13]。

壩基位于河道長約600 m的“V”形巖溶峽谷中，河床覆蓋層厚19 ～32 m，兩岸多為懸崖陡坡，出露地層為寒武系下統(tǒng)龍王廟組～中統(tǒng)孔王溪組，地層產(chǎn)狀N 30°～40° W，SW∠10°～18°。

2.2 有限元模型

為了計算得到壩址區(qū)三維滲流場，通過對壩址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件分析，建立了對壩址區(qū)地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、主要地質(zhì)構(gòu)造、主要建筑物和防滲排水體系不同程度模擬的有限元模型。模型上下游邊界距離壩軸線1 000 m，左側(cè)邊界自大壩中線向左岸山體1 000 m，右側(cè)邊界自大壩中線向右岸山體1 400 m，模型底部高程取-150 m。壩址區(qū)有限元模型如圖1所示，模型包含單元7 225 418個，節(jié)點(diǎn)1 738 857個。壩址區(qū)主要防滲結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用具有一定厚度的實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

圖1 壩址區(qū)三維有限元模型

圖2 防滲結(jié)構(gòu)示意

2.3 計算參數(shù)及邊界條件

表1 大壩材料及地層滲透系數(shù)取值 cm·s-1

圖3 大壩典型剖面自由面及水頭等值線分布(單位：m)

計算工況選取大壩正常運(yùn)行工況，上游水位470 m，具體邊界條件如下：上游庫水位淹沒區(qū)域取定水頭邊界，水頭值取正常蓄水位470 m；下游河道取為定水頭邊界，水頭值為290 m；上下游側(cè)邊界及左右側(cè)邊界取根據(jù)勘探期監(jiān)測到的地下水位外推并通過插值得到，作為定水頭邊界；洞室(導(dǎo)流洞、泄洪洞、溢洪道、引水隧洞)庫水淹沒區(qū)取定水頭邊界；模型底部邊界取隔水邊界；470 m高程以上模型上表面、灌漿廊道、洞室其余洞段內(nèi)表面、排水孔均按照潛在溢出邊界考慮。

3 滲流計算成果分析

3.1 大壩典型剖面滲流場分析

在正常運(yùn)行工況下，大壩典型剖面自由面及水頭等值線分布如圖3所示。從圖中可以看出，由于面板與墊層滲透性相差較大，自由面在與墊層料的接觸面處回彎，之后自由面緊貼著面板與墊層接觸面急劇下降，在壩體堆石區(qū)較為平滑，并在下游面板頂部296 m高程處溢出。自由面僅在滲透性相差懸殊的2種介質(zhì)之間產(chǎn)生回彎，符合自由面的基本幾何性質(zhì)[14]。等水頭線在面板處高度集中，在帷幕處分布密集，壩體內(nèi)部水頭線稀疏，水頭值小，說明面板及帷幕阻水作用明顯。

左右岸壩址區(qū)296 m高程平切面的水頭等值線分布如圖4所示。從圖4可以看出，水頭線分布特征在防滲帷幕前后有明顯的差異，上游側(cè)水頭線較下游側(cè)密集，帷幕起到了明顯的阻水作用，右岸帷幕在山體側(cè)延伸較長，右岸下游水頭線較左岸分布更稀疏，繞帷幕的滲流更弱。防滲帷幕顯著減小了壩址區(qū)下游側(cè)的滲透壓力，較好地阻隔了庫水從上游向下游滲漏。由于左、右岸山體具有較高的地下水位，山體兩側(cè)地下水有繞過防滲帷幕向壩址區(qū)下游滲漏的趨勢。

圖4 296 m高程水頭分布平切面(單位：m)

大壩中心剖面滲透坡降分布如圖5所示，最大滲透坡降出現(xiàn)在上游黏土鋪蓋下的混凝土面板中，最大滲透坡降約為180；防滲帷幕的滲透坡降最大值為38.9。墊層料和過渡料的滲透坡降分別為1.3和0.927左右，堆石區(qū)中的滲透坡降普遍小于0.1，在下游溢出點(diǎn)處滲透坡降0.39?？傮w來看，帷幕及面板在滲控中起到了主導(dǎo)作用，壩體各分區(qū)滲透坡降都較小，壩體防滲性能及滲透穩(wěn)定性較好。

圖5 大壩典型剖面滲透坡降

圖地層滲透坡降分布

3.3 帷幕防滲性能分析

防滲帷幕的主要作用是阻斷各種結(jié)構(gòu)面組合形成的滲漏通道。帷幕在截斷斷層F311處滲透坡降較大，對比防滲帷幕截斷斷層F311與未截斷斷層的情況，分析防滲帷幕的性能。滲流場對比情況見圖7。從圖7可以看出，當(dāng)帷幕未能截斷斷層F311時，帷幕下游巖體自由面較正常工況有較小地上升，水頭變化明顯，上游側(cè)水頭減小，下游側(cè)水頭增大。未截斷斷層帷幕處等水頭線密集，表明此時帷幕較好地發(fā)揮了作用。壩址區(qū)防滲帷幕在截斷斷層F311處滲透坡降最大可達(dá)38.9，出現(xiàn)在靠近趾板位置截斷后斷層內(nèi)部滲透坡降最大值為4.1，當(dāng)斷層未被防滲帷幕截斷時，斷層內(nèi)部最大滲透坡降增加至8.3，滲透坡降較大的區(qū)域也明顯增多。由此說明，防滲帷幕截斷斷層后，有效地提升了巖體的滲透穩(wěn)定性。

表2 壩址區(qū)不同計算工況滲漏量 L·s-1

圖7 不同工況斷層F311剖面滲流場對比(單位：m)

正常運(yùn)行工況及帷幕未截斷斷層F311工況通過壩體和進(jìn)入灌漿廊道的滲漏量如表2所示，表中所列滲漏量未考慮降雨的影響。由表2可知：正常工況下，壩址區(qū)總滲漏量為129.12 L/s，主要由壩體及左右岸低高程灌漿廊道的滲漏量組成。當(dāng)帷幕未能截斷斷層F311時，通過壩體的滲漏量增加約3.3 L/s，左岸廊道滲漏量增加約0.62 L/s，右岸廊道滲漏量變化小，壩址區(qū)總滲漏量增加3.96 L/s?？傮w而言，防滲體系可以有效截斷滲漏通道，可以控制繞壩滲流，防止?jié)B透破壞的發(fā)生。

4 結(jié) 語

本文通過建立江坪河水電站壩址區(qū)有限元模型，采用SVA法計算分析壩址區(qū)滲流場，得出如下結(jié)論：

(1)在現(xiàn)有的防滲體系下，面板對壩體防滲起了主導(dǎo)作用，阻止上游庫水通過壩體的滲漏，自由面在壩體內(nèi)部平緩，溢出點(diǎn)位置在下游面板頂部，高程約296 m處；防滲帷幕起到輔助防滲作用，壅高了帷幕上游側(cè)水位、延長了繞壩滲流的滲徑；壩址區(qū)滲總量為129.12 L/s，滲漏量得到一定控制。