昌波水電站地下廠房邊坡降雨入滲數值分析

葉雨柯，于 浩，馬亞楠，任 旺

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.武漢大學水工巖石力學教育部重點實驗室，湖北 武漢 430072)

1 工程概況

昌波水電站位于金沙江上游干流河段，控制流域面積184 436 km2，多年平均流量952 m3/s。水電站為混合式開發的徑流式電站，主要樞紐建筑物包括上游壩址的非溢流壩段、泄洪閘、廠房、魚道以及下游廠址的進水口、引水隧道、地下廠房。引水發電系統建筑物位于左岸山體中，采用“一洞兩機”供水方式，共布置4臺混流式發電機組。

昌波水電站位于西部高原區，區域變質作用較為強烈，變質巖分布廣泛。地下廠房圍巖地層巖性為灰綠色綠泥角閃片巖、綠片巖，片理較發育，呈中厚層夾薄層狀。巖層單斜，產狀N15°～30°W，SW∠40°～55°。廠址區主要構造形跡為斷層和裂隙，整體上巖體性質較好，斷層主要分為4個級別，主要斷層有fc3、fc4、fc7等，多為巖屑夾泥型。

金沙江流域屬典型的季風氣候區，每年5月～10月水汽充沛，降雨集中，為本流域雨季或汛期。據氣象站資料顯示，區域多年平均年降雨量為497.0 mm，多年平均蒸發量1 811.4 mm(20 cm蒸發皿觀測值)。

降雨下滲引起的滲流場變化是誘發邊坡失穩事故的主要因素之一，在含有結構面的邊坡中更是如此。一方面，降雨下滲導致邊坡內水荷載的分布發生變化；另一方面，雨水下滲改變了巖土體的含水量，其滲流、變形、強度等物理力學特性也隨之改變，進而影響巖土結構的穩定和安全，嚴重時可造成邊坡失穩事故[1-3]。為此，本文基于昌波水電站工程，選取地下廠房區含垂向結構面邊坡的典型剖面，建立二維等效連續介質有限元模型，利用飽和-非飽和滲流分析理論，研究不同降雨強度下含垂向結構面邊坡的飽和區擴散范圍及水壓力分布變化，對坡表防護效果進行分析評價，并對不同工況下運行期邊坡水頭分布及洞室出流量進行了模擬與預測，為進一步研究降雨入滲對邊坡穩定的影響及水電站的建設和安全運行提供依據。

2 研究方法

2.1 飽和-非飽和滲流數學模型

確定巖土體的水分特征曲線是進行飽和-非飽和滲流分析的基礎。本文采用VG模型[4]聯合Mualem[5]提出的非飽和滲透系數模型，求解巖土體的非飽和滲透系數，即

(1)

kr=Θ0.5[1-(1-Θ1/m)m]2

(2)

式中，Θ為有效飽和度；θ為體積含水量；θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；s為吸力；kr為相對滲透率；α，n，m為模型擬合參數，m=1-1/n。

由質量守恒方程可以建立飽和-非飽和滲流控制方程，即

(3)

式中，Cw=?θ/?h為容水度；h為壓力水頭；ω在飽和區等于1，非飽和區等于0；Ss為儲水系數；t為時間；v為流速向量，可用廣義Darcy定律表示為

v=-krK?φ

(4)

式中，K為巖土體的飽和滲透張量；φ=(h+z)為總水頭，z為垂直坐標分量。式(3)的初始條件如下

φ(x,y,z,t0)=φ0(x,y,z) (in Ω)

(5)

式中，x，y為坐標分量；t0為初始時刻；φ0為初始水頭場；Ω為滲流全域。

Spark框架的批處理模式只在將數據讀入內存和將最終結果持久存儲時需與存儲層交互,其他所有中間態的處理結果均存儲在內存中,效率非常高。

式(3)的水頭邊界條件為

(6)

(7)

(8)

2.2 計算模型及計算參數

在工程實踐中，等效連續介質模型因簡單、計算效率高而廣泛用于裂隙巖體飽和-非飽和滲流的模擬[3，8]。本文基于等效連續介質模型理論，采用ANSYS建立了地下廠房～引水隧洞軸線典型剖面的二維有限元模型，見圖1。圖1中，節點A、D為斷層fc9兩側靠近坡表的節點；節點B、C為斷層fc9兩側遠離坡表的節點；節點E、F為斷層fc12兩側靠近河岸的節點；節點G、H為岸坡表層的節點。模型總長5 665 m，高1 170 m，模型底部高程為2 200 m，右側邊界取金沙江河床中心線，高程2 300 m，左側邊界延伸至地表分水嶺，高程3 370 m。模型精細模擬了廠址區地形地貌、斷層(fc1、fc2、fc3、fc4、fc7、fc9、fc10、fc12)等主要地質構造和巖體滲透性分區，共劃分單元15 585個，節點31 962個。

圖1 典型剖面二維有限元計算模型(單位：m)

根據鉆孔壓水試驗成果，廠址區巖土體可按滲透性自地表往下分為5個滲透性分區。廠址區斷層多為巖屑夾泥型，在垂直結構面方向的滲透系數K⊥顯著低于平行結構面方向的滲透系數K∥，可取K⊥/K∥=1/10。巖體儲水系數Ss與水和巖體的壓縮性有關，可依據工程地質勘探資料由Ss=ρwg(αr+φαw)確定，式中，ρw為水的密度；αr為巖體的壓縮系數；αw為水的壓縮系數；φ為孔隙率。飽和含水率θs、殘余含水率θr依據巖土介質的孔隙結構大致確定。采用基于正交設計、有限元正分析、BP神經網絡和遺傳算法相結合的反饋分析方法[9-10]對各滲透分區的VG模型參數α、n進行反演，反演分析結果見表1。

表1 廠址區各類巖層、結構面的滲透系數與VG模型參數

2.3 初始條件及邊界條件

依據廠址區鉆孔監測水位，通過穩定滲流計算反演確定左側山體分水嶺處地下水位值，選取與廠址區鉆孔監測水位最吻合的滲流場作為飽和區初始滲流場。由于缺乏非飽和滲流實測資料，設定非飽和區的有效飽和度隨埋深減小而線性折減，至坡面處有效飽和度取為0.6。為了模擬長期天然降雨-蒸發作用下廠址區滲流場，并消除初始水頭分布對滲流場模擬結果的影響，首先模擬了一個持續30 a的自然降雨-蒸發過程，采用多年平均降雨、蒸發過程數據，計算初始時間步長取7 h，最大時間步長為7 d。

有限元計算的邊界條件如下：模型底部取為隔水邊界；右側河床表面取為定水頭邊界(金沙江河水位)；模型左側分水嶺邊界及右側河床中心線邊界取為隔水邊界；坡表設為降雨-蒸發邊界；勘探平硐、地下洞室的表面設為潛在溢出邊界。

2.4 計算方案

本文從以下3個方面探究降雨強度對廠址區山體滲流場的影響：

(2)對高程2 400 m以下坡面進行混凝土防護措施，特大暴雨(320 mm/d)下同樣設置降雨持續時間為48 h，數值模擬時長為96 h，對24、48、96 h這3個時間點廠房邊坡的壓力水頭變化進行分析，對坡表防護效果進行評價。

(3)在天然狀態滲流場的基礎上，根據實際勘探進度，模擬了為期10 a的場地平硐勘探過程。在勘探期滲流場的基礎上，依據實際施工進度安排，模擬為期3 a的地下洞室開挖過程。在此基礎上，為探究運行期降雨強度對廠址區滲流場分布及地下洞室出流量造成的影響，分別模擬了①正常工況(多年平均降雨過程+蓄水時下游河水位)、②設計工況(設計洪水降雨過程+設計洪水下河水位)、③校核工況(校核洪水降雨過程+校核洪水下河水位)下為期10 a的蓄水運行過程。模擬時，邊界條件如前所述，不同的是由于調壓井洞室鋼筋混凝土襯砌很厚，且進行了固結灌漿，不再起排水作用，故取為隔水邊界。

3 計算結果

3.1 天然降雨-蒸發作用下滲流場分布

歷經30 a的降雨-蒸發循環之后，地下水位達到相對穩定狀態，僅在年內隨季節性降雨有不同程度的波動。圖2為天然狀況下左岸近岸坡干、濕季地下水位變動范圍。從圖2可知，左岸近岸坡段鉆孔水位隨干、濕季節變動，變幅在10～20 m內。近岸坡鉆孔水位變幅較小，原因是左岸近岸坡地下水位受金沙江河水位控制；斷層fc4附近鉆孔干、濕季地下水位變動稍大，這是因為斷層fc4導水性較強，降雨入滲的水流沿斷層補給地下水，導致此處地下水位隨干濕季節變化明顯。各剖面測量鉆孔水位被較好地包含在干、濕季地下水位變動范圍內，勘探期計算平硐總出流量為2.16 L/min。根據現場觀測結果，平硐內地下水出水點發育情況主要為滲滴水(涌水量Q< 1.0 L/min)，未見流水、涌水現象。數值模擬結果與觀測結果吻合較好，較好地反映了廠址區滲流場的分布特征，具有一定的可靠性與代表性。

圖2 干、濕季地下水位變動范圍

3.2 短期降雨對邊坡內壓力水頭分布的影響

為探究短期內降雨強度及降雨持續時間對含垂向結構面的邊坡壓力水頭分布的影響，圖3給出了3組不同降雨強度(80、160、320 mm/d)下，不同時間點(24、48、96 h)近岸坡巖土體的水頭分布變化。

3.2.1 飽和區擴散范圍

當降雨強度小于地表入滲能力時，降雨全部下滲。下滲水流流至結構面處，由于斷層滲透系數具有各向異性(K⊥/K//=1/10)，在垂向上起阻水作用，故結構面上盤靠近坡表處開始形成飽和區，結構面下盤遠離坡表處巖土體的基質吸力增大。隨著下滲水流的不斷積累，飽和區以結構面為界向上盤側擴散，可通過布置排水孔降低巖體內壓力水頭，防止邊坡變形[11]。當降雨強度大于地表入滲能力時，坡表土層中出現了暫態飽和區，邊坡頂部平臺由于降雨補給面積大，最先飽和(圖3c和圖3e)，且隨著降雨時間的延長，飽和區范圍向坡體內部不斷擴大。降雨48 h后，降雨入滲鋒擴散至邊坡內部約50 m的深度，邊坡表層土接近飽和狀態，降雨較難下滲，形成地表徑流向金沙江排泄。降雨停止后，飽和區繼續向坡體內部移動，自由面以上暫態飽和區的范圍減小，非飽和區的負壓增大。

3.2.2 壓力水頭分布變化

從圖3可知，降雨入滲不僅受降雨強度、降雨持時的影響，還受結構面的影響，在結構面處出現較大的壓力水頭。為探究結構面對邊坡壓力水頭分布的影響，選取圖1b中典型部位的代表性節點，特大暴雨(320 mm/d)下各節點壓力水頭變化見圖4。從圖4可知，節點A、D為斷層fc9兩側靠近坡表的節點，隨著降雨不斷下滲，該處壓力水頭迅速升高到5.1 m后緩慢上升，入滲48 h時達8.5 m，降雨停止后，飽和區下移，該處壓力水頭逐漸降低。節點B、C為斷層fc9兩側遠離坡表的節點，隨降雨下滲，B點負壓逐漸減小，雨停后地下水繼續下滲，負壓繼續減小，且由于斷層的阻水性，C點處負壓變化不大，且始終高于B點。節點E、F位于斷層fc12兩側靠近河岸，該處壓力水頭隨降雨下滲逐漸升高，且雨停后持續升高，最終可達35 m。節點G、H位于岸坡表層，隨著降雨不斷下滲，該處壓力水頭，迅速升高到3.2 m后不再持續升高，降雨停止后恢復非飽和狀態，負壓逐漸增大。

圖3 不同降雨強度下水頭分布變化(單位：m)

圖4 典型部位壓力水頭變化過程

3.3 坡表防護效果分析

特大暴雨(320 mm/d)下，對高程2 400 m以下坡面進行混凝土防護時，24、48、96 h這3個時間點的壓力水頭分布見圖5。從圖5可知，進行坡表防護時，由于降雨難以下滲，近岸坡區域坡體壓力水頭減小，上部坡體壓力水頭無明顯變化，說明坡表防護有較好效果。

圖5 坡面防護后坡體壓力水頭分布變化(單位：m)

3.4 運行期降雨強度敏感性分析

運行期近岸坡山體在3種不同工況下的壓力水頭等值線對比見圖6。從圖6可知，蓄水導致河岸附近山體地下水位略有抬升，但由于地下洞室、排水廊道起到了強烈的排水作用，自由面在廠區附近明顯下落。3種工況下地下廠房區域水頭分布差別不大，設計工況和校核工況下近岸坡水位抬升幅度均在10 m以內，廠房防滲排水設施作用明顯。設計工況和校核工況下，由于降雨強度增大，調壓室附近靠山體側水位明顯抬高，設計洪水下最大抬高26.7 m，校核洪水下最大抬高28.4 m，外水壓力增大，故應注意保證調壓室固結灌漿和襯砌施工的質量，可在調壓室區域布置排水孔，以降低巖體內壓力水頭，保證系統安全穩定運行。

圖6 不同工況下近岸坡壓力水頭等值線對比(單位：m)

3種工況下運行期地下洞室總出流量隨時間的變化見圖7。各洞室出流量為各洞室單寬流量分別乘以各廠區長度。從圖7可知，蓄水初期，由于地下洞室及排水廊道的排水作用，3種工況下地下洞室總出流量均逐漸增大。蓄水穩定后，地下洞室出流量逐漸趨于穩定，隨降雨出現季節性波動。由于降雨強度增大，河水位升高，設計工況和校核工況下地下廠房總出流量明顯高于正常工況下的出流量，出流量隨降雨的波動幅度也明顯增大。有限元模擬計算得到的正常工況、設計工況、校核工況下地下洞室的穩定出流量分別為4.25、5.70、6.51 L/s，因此在建設運行期間應注意雨季地下洞室及時排水。

圖7 不同工況下地下洞室總出流量對比

4 結 語

本文基于飽和-非飽和滲流分析方法，對不同降雨強度下昌波水電站地下廠房邊坡的水頭分布進行了研究，得出以下結論：

(1)受垂向結構面水平向的阻水作用，降雨過程中斷層上盤巖土體內形成暫態飽和區，且隨降雨入滲壓力水頭逐漸升高；降雨停止后，上部飽和區繼續擴散，近河岸區域壓力水頭繼續升高，尤其是斷層fc12上盤巖土體內壓力水頭升高明顯?？赏ㄟ^布置排水孔降低巖土體內壓力水頭，防止邊坡變形。

(2)在近岸坡坡表進行混凝土防護可有效減少降雨入滲量，降低近岸坡區域坡體的壓力水頭。

(3)運行期滲流場對降雨強度具有較高的敏感性，正常工況、設計工況、校核工況下地下廠房區域水頭分布差別不大，說明廠房防滲排水設施較好地發揮了作用。設計工況和校核工況下調壓室近山體側水頭升高明顯，應注意保證調壓室固結灌漿和襯砌施工的質量及完整性，可在調壓室區域布置排水孔，以降低邊坡內壓力水頭，排出地下水。地下洞室總出流量量值和波動幅度均隨降雨強度的增大而增大，在建設運行期間應注意雨季地下洞室排水。