旭龍水電站壩基及右岸地下廠房防滲排水效果研究

盛小濤 崔皓東 阮福民

摘要：為優化金沙江上游旭龍水電站壩基及右岸地下廠房區滲控布置方案，運用三維有限元滲流模擬方法，分析比較了大壩運行期不同設計方案P1、P2、P3和P4的滲流控制效果。結果表明：在擬定基本方案P1條件下，壩基及地下廠房區圍巖內形成明顯的地下水降落漏斗，滲流控制效果顯著，主帷幕水力比降為17.0;設計方案P2優化了排水孔布置，在基本方案基礎上將排水孔間距擴大一倍，計算結果表明帷幕后水壓力較基本方案抬升明顯，壩基主帷幕水力比降減小為7.6，滲流量略微上升，但增幅不超過3.7%;方案P3減小了帷幕設計深度，結果依然能夠達到與方案P1近乎相同的滲控效果;對方案P4帷幕滲透系數敏感性進行分析，計算結果表明帷幕滲透性對區域滲流場影響較大，主帷幕比降為43.3，滲流量減少約20.9%。由于壩址深部巖石滲透性弱，在確保地層完整性較好的條件下可適當簡化帷幕布置;排水孔間距為3～6 m布置時，滲透量變化較小;滲流場對帷幕滲透性變化較敏感，應保證防滲帷幕施工質量。該研究成果可為大壩及地下廠房區帷幕、排水設計與施工提供參考。

關 鍵 詞：

地下廠房區; 滲控措施; 滲流場; 旭龍水電站

中圖法分類號： TV731

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.017

1 工程概況

旭龍水電站是金沙江上游河段規劃的一個梯級電站，大壩擬采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程 2 308 m，建基面高程 2 095 m，最大壩高 213 m[1-2]。壩下游采用混凝土水墊塘消能，塘底尺寸 280 m×60 m（長×寬），水墊塘底板混凝土厚3 m，頂高程 2 108 m。引水發電建筑物布置在右岸，采用引水式地下廠房，主廠房位于右壩肩下游，洞室圍巖為花崗巖，下游依次近距離布置主變洞和尾水調壓室。

擬定壩址河段金沙江河勢順直，河谷為深切峽谷地形，兩岸地形對稱性較好。壩基出露的基巖從老至新有雄松群3段（Pt2X3）斜長角閃片巖和混合巖，以及三疊系時代印支期侵入的花崗巖（γ51）。右岸壩基巖體均為A類堅硬巖，絕大部分屬于ⅠA及ⅡA，局部屬Ⅳ1A，未卸荷巖體完整-較完整，巖體質量好。主廠房、主變洞、尾水調壓室建基面巖體均為新鮮花崗巖（γ51），巖體滲透性均比較弱，有利于優化防滲排水布置。地質構造方面壩址河段河谷沒有大的順河向斷層發育[3]，共有斷層70余條，多為裂隙性斷層，斷層規模較小，寬度一般為0.20～0.50 m。

2 防滲排水措施設計

水庫正常蓄水位2 302 m，下游運行水位2 153 m，為減少壩基滲漏量和繞壩滲漏量、降低廠房區地下水位，在壩基、廠房上游側和山體側設置防滲帷幕、排水孔幕[4-6]。在帷幕和壩基排水的共同作用下，控制壩基滲透壓力。

2.1 壩基防滲及排水設計

（1） 壩基防滲帷幕。

壩基防滲帷幕沿基礎灌漿廊道布置，右岸帷幕出壩端后延伸約145 m，與地下廠房防滲帷幕銜接。依據DL/T 5346-2006《混凝土拱壩設計規范》[7]要求，帷幕深度按照0.3～0.7倍壩前靜水頭選擇，擬定帷幕深度100 m（見圖1）。

（2） 壩基排水[8]。

沿壩基廊道及底層灌漿平洞防滲帷幕下游側布置基巖排水俯孔。依據文獻[7]，排水孔孔深宜為帷幕深度的0.4～0.6倍，排水孔間距宜采用2～3 m。擬定排水孔孔深為相應部位帷幕深度的2/3，孔間距為3 m。

（3） 水墊塘封閉帷幕排水[9]。

沿水墊塘兩側基礎廊道布置單排防滲帷幕，形成封閉帷幕，水墊塘軸線長320 m，帷幕底線高程2 050 m。

2.2 地下廠房區防滲帷幕及排水方案

（1） 地下廠房帷幕。

地下廠房上游側帷幕左側與大壩右岸防滲帷幕銜接，右側延伸至廠房右邊墻外55 m處再向下游方向延伸259 m成山體側帷幕，如圖2所示。[10-12]

（2） 地下廠房區排水。

擬采用全封閉式排水幕，沿主廠房[13]、主變洞及調壓室四周呈“口”字形布置，主洞室頂部設置排水孔幕，將主洞室完全包圍在排水體系之內，排水孔孔徑均為91 mm，孔間距也均為3 m（見圖3）。

3 滲流模擬計算方法及模型

為優化壩基及右岸地下廠房區防滲排水設計，變換排水孔間距、帷幕深度及帷幕滲透性等設計參數，設計4種方案，計算各方案運行期特征點的壓力水頭并統計排水孔的流量，以比較分析變換設計參數的影響。

3.1 數值模擬方法

采用三維有限元數值模擬計算方法求解滲流場，對于滲流自由面求解方法很多專家已做了大量研究[14-19]，這里不再贅述。本文主要涉及到的其他技術包括排水孔模擬、流量統計及斷層帶模擬等，下面作簡要介紹。

3.1.1 排水孔模擬

排水孔壁是滲流場內部的可能排水邊界，是影響滲流場分布的重要因素，擬定排水孔孔徑為91 mm。對于大區域而言該尺寸極小，為精細模擬排水孔結構，按實際尺寸對有限元網格直接進行二次建模剖分，模擬排水孔結構[20-21]。根據其排水特點，排水孔可分為自由出逸型和孔口溢出型，通俗稱為仰孔和俯孔。仰孔處于自由面以上部分為不排水邊界，自由面以下部分為自由出逸邊界。俯孔以單個排水孔作為整體研究，于孔頂處設虛構開關器，按照公式（1）計算其流量值，判斷排水孔是否發揮作用。

Q（xi）=-eNPEi=1kejl（hitl）e（1）

式中：k為孔周邊單位e傳導矩陣中第j行第l列元素，并且單元e中局部編號j為孔周邊節點對應節點xi;it是滲流場迭代次數。以排水孔頂部節點流量正負值判斷排水孔是否有效，流量為正則排水孔有效。

3.1.2 流量統計方法

基于固定網格的改進節點虛流量法在水利水電工程三維滲流計算中得到廣泛應用，本文即采用該方法計算自由面及節點水頭[18-22]。對于該方法的理論論證、驗證很多文獻均有記載，此處不再贅述。依據達西定律，按式（2）統計過流斷面S上的滲流量QS：

Qs=-ni=1emj=1keijhej（2）

式中：n為過水斷面S上的總節點數;e為對計算域中位于過水斷面S一側的那些環繞節點i的所有單元求和;m為單元結點數;keij為單元e的傳導矩陣ke中第i行j列交叉點位置上的傳導系數;hej為單元e上第j個節點的總水頭值。

3.1.3 斷層帶模擬

模型區域主要分布有3條橫河向斷層，其中F1，f3斷層貫穿河床兩岸，f10斷層位于右岸壩肩及地下廠房之間。構造巖主要為碎塊巖、碎裂巖，局部夾斷層泥，性狀較差，滲透性較強。本文地下工程結構及斷層條件均比較復雜，適合采用隱式復合材料單元法對剛度矩陣進行變化[23-24]，以模擬斷層影響。首先建立無斷層有限元數字模型，然后確立被斷層“切割”的巖體，針對斷層穿插和包裹的單元，修改其單元剛度矩陣。計算公式如下：

Ae=vrBTKrBdvr+vfBTKfBdvf（3）

式中：Kf表示斷層滲透系數矩陣;Kr表示巖體滲透系數矩陣;Vf表示巖體單元受斷層影響的體積;Vr表示剩下未受斷層影響的部分巖體單元體積。

本文采用長江科學院三維滲流計算軟件SFA 2.0中的SSC-3D模塊來模擬，它在烏東德水電站[6]、南水北調中線工程等項目中得到了應用。

3.2 滲流計算模型

模型范圍以拱冠梁底座中點為中心，向上下游分別延伸700，1 000 m，向右岸山體側延伸1 300 m。山體側地下水位相對穩定，可作為定水頭邊界條件，水位高程取2 260 m，作為地下水補給邊界（見圖4）。為了避免邊界效應的影響，模型下邊界取至1 555 m高程處。上游水位為正常蓄水位2 302 m，下游水位2 153 m。以河床中心線為隔水邊界，建立壩址區右岸三維滲流模型，有限元節點數211 613個，單元數184 586個，防滲帷幕及排水孔幕網格如圖5所示。

4 計算結果與分析

計算運行期工況，共設置了4種研究方案，具體如表1所列。

根據工程材料特點及地質勘察資料進行滲透分區，如表2所列。

分別計算分析4種方案滲流場，統計右岸壩基和地下廠房區排水體系仰孔及俯孔滲流量。選取孔間對稱斷面上的特征點AB、CD具體位置分別如圖1和6所示，列出計算水頭值（見表3）供對比分析。河床中心線附近A點位于主帷幕上游側;B點位于主帷幕下游側，A點和B點的高程為建基面高程2 095 m。C、D處的水位分別為廠房上游帷幕處上下游的自由面高程。流量統計結果如表4所列。需要說明的是，流量的絕對值與模型范圍有關，在范圍足夠大的情況下，表4中不同方案流量計算值可以對比說明滲流控制效果。

方案P1是運行期擬定的方案，帷幕深度及排水孔間距均滿足規范要求，河床壩段帷幕底高程1 995 m。從近河床中心線（X=8.0 m）及“切割”右岸廠房區（X=312.7 m）的滲流場典型剖面圖及滲流量統計可知（見圖7，8）：右岸壩基排水孔單日滲流量為1 950.1 m3，主帷幕和排水系統迅速降低壩基壓力水頭，壩基及地下廠房區圍巖內形成明顯的地下水降落漏斗，壩基主帷幕上下游水頭差近51.0 m，帷幕承受水力比降為17.0，壩趾局部滲流集中;廠房區大部分處于非飽和區，廠房底板不承壓，廠房區滲流量約2 840.0 m3/d;在斷層帶附近局部滲透性強，但對滲流場整體影響較小。

方案P2排水孔間距由3 m擴大到6 m，2 095 m高程主帷幕上下游水頭差為26.0 m。比較P1、P2可知，壩后水壓力較方案P1主帷幕周邊水壓力抬升明顯，帷幕承受水力比降減小為7.6，滲流量總體無明顯變化，增幅不超過3.7%。

方案P3在方案P1基礎上減小帷幕深度至2 045 m，排水孔深度按比例減小至2 025 m。比較方案P3與P1總水頭等勢線及排水孔流量可知，降低帷幕及排水孔高程影響較小，這是因為壩基基巖完整性較好，滲透性弱。

方案P4變換帷幕滲透系數，進行敏感性分析。比較方案P4和P1得知，帷幕滲透系數降低一個數量級時，主帷幕滲控效果更為明顯，帷幕前后水頭差近130 m，主帷幕比降提升至43.3。廠房上游側帷幕前后水頭差近6 m，均起到很好的消減水頭作用，廠房邊壁地下水自由面高程下降13～15 m，各區域滲流量也明顯降低，表明工程區滲流場對帷幕滲透性變化較敏感（見圖9）。

5 結論與建議

根據對右岸壩基和廠房區運行期各方案的研究，得到以下結論并提出建議。

（1） 擬定的滲控方案效果顯著，防滲帷幕和排水孔幕組成了有效的滲控體系，雖工程區斷層對局部滲流場有所影響，但滲控體系作用顯著。

（2） 排水孔幕為滲流場提供水頭控制邊界條件，因而是重要的控制措施。工程區排水孔間距由3 m擴大為6 m時，主帷幕周邊水壓力抬升明顯，帷幕承受比降減小，流量總體無明顯變化。排水孔優化方案還需要考慮到巖石裂隙發育不均。排水孔有效性依賴于妥善的運行維護。

（3） 滲流場對帷幕滲透性變化較敏感，說明帷幕工程質量很重要。河床壩段深部巖石及廠房區山體側滲透性較弱，模型中帷幕深度變化對滲控效果影響不明顯，帷幕主要是截斷可能成為滲流通道的裂隙和斷層及其影響帶等。

（4） 隨著設計工作的深入，利用更詳細的地質資料，尤其是施工期資料，進一步開展分析研究工作，將有助于防滲排水體系的進一步完善和優化。

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（編輯：鄭 毅）

Effect evaluation of seepage control measures for dam foundation and underground

powerhouse at right bank of Xulong Hydropower Station

SHENG Xiaotao1，CUI Haodong1，RUAN Fumin2

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2.Jiujiang District 14th Lian Wei Electric Drainage and Irrigation Station，Wuhu 241000，China）

Abstract：

In order to optimize the seepage control measures for dam foundation and underground powerhouse caverns at right bank of the Xulong Hydropower Station in the upper reaches of Jinsha River，the seepage control effect of different design schemes of P1，P2，P3 and P4 during the dam operation period were analyzed and compared by 3D finite element seepage simulation method.The analysis results showed that under the condition of basic scheme（P1），an obvious groundwater drop funnel was formed in the surrounding rock of the dam foundation and the underground powerhouse area，and the seepage control effect was significant，the hydraulic ratio of the main curtain was 17.0.In the scheme P2，the drainage hole spacing was doubled on the basis of the basic scheme，in which the water pressure behind the curtain rose more obviously than that of the basic scheme，the hydraulic ratio drop of the main curtain of the dam foundation was reduced to 7.6，and the seepage flow increased slightly，but the increasing rate was not more than 3.7%.In the scheme P3，the curtain design depth reduced，but it still nearly received the same seepage control effect as scheme P1.The sensitivity of curtain permeability coefficient of scheme P4 was analyzed，and the calculation results showed that curtain permeability had a great influence on regional seepage field.The main curtain ratio reduced to 43.3，and the seepage flow reduced by about 20.9%.Due to the weak permeability of deep rock in the dam site，the curtain arrangement can be simplified appropriately under the condition of ensuring the integrity of the stratum.When the spacing of drainage holes is 3～6 m，the change of permeability is small.Seepage field is sensitive to the change of curtain permeability，so the construction quality of anti-seepage curtain should be guaranteed.The research results can provide reference for the curtain and drainage design and construction of dam and underground powerhouse.

Key words：

underground powerhouse area;seepage control measures;seepage field;Xulong Hydropower Station