地质缺陷的面板堆石坝渗流特性分析及处理措施研究

徐力群，黄柏云，陆誉婷，蒋裕丰

(1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京210014；3.南京河海科技有限公司，江苏南京210098)

地质缺陷的面板堆石坝渗流特性分析及处理措施研究

徐力群1，黄柏云1，陆誉婷2，蒋裕丰3

(1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京210014；3.南京河海科技有限公司，江苏南京210098)

新疆某水电工程地质条件复杂，层面及构造发育，左岸坝基存在断层构造，水平宽度达0.5 m且上下游贯通，左岸坝肩存在宽5 m的白云岩溶蚀带，溶穴较为发育。根据坝址区地质地形特性，建立了工程坝址区三维有限元渗流性态分析模型，模拟了溶蚀带和大断层等重要地质构造，采用改进折算渗透系数法以精确模拟溶蚀带的渗透性，分析了左岸白云岩溶蚀带和F4断层地质缺陷对坝址区渗流性态的影响，研究了采用不同深度混凝土洞塞处理溶蚀带的防渗效果，开展了断层渗透参数敏感性分析，提出了白云岩溶蚀带采用混凝土洞塞截渗及断层采用混凝土帷幕灌浆的防渗处理方式。

溶蚀带；改进折算渗透系数法；面板堆石坝；断层；混凝土洞塞

0 引 言

国内外有许多由于地质缺陷而致使水库大坝和坝肩产生严重渗漏问题的水利水电工程，有些甚至导致大坝塌陷和破坏失事。例如，1928年美国圣弗朗西斯(St.Francis)重力坝由于坝基右侧处存在顺河向的断层，在蓄水初期库水渗入断层，从而引发突然溃坝[1]；1959年法国马尔帕赛拱坝(Malpasest arch dam)由于左岸坝肩岩体裂隙发育，蓄水后库水渗入裂隙产生较大较大水压力，造成大坝失事[2]；1976年美国Teton心墙坝蓄水后，节理裂隙中的集中渗流将与之接触的粉土带走致使接触冲刷，致使初期蓄水就引起溃坝事故[3]；猫跳河四级水电站水库蓄水后，由于岩溶渗漏造成电站枯水期六分之一电量损失[4]。

国内外学者开展地质缺陷对大坝渗流性态的影响研究，尤其是关于裂隙等结构面和岩溶引起的渗漏问题，提出了不同的研究方法，并给出了处理地质缺陷的不同防渗措施。Snow[5]采用平行板模拟了裂隙张开，提出了二阶张量裂隙；Long[6]提出了将复杂裂隙网格等效为连续介质处理的条件和方法；柴军瑞[7]提出了基于多层网络的裂隙岩体地下水渗流有限元分析方法；陈崇希[8]建立了岩溶三种空隙介质地下水统一的控制方程，提出了采用折算系数法模拟岩溶三重介；沈振中[9]通过岩溶管道和裂隙交叉试验，建立了基于遗传算法的岩溶管道和裂隙交叉汇流量计算方法；史光前[10]针对隔河岩水利工程采用混凝土封堵溶洞，及对断层进行帷幕灌浆，解决了坝基及两岸绕渗；Ghobadi[11]针对伊朗Shahid Abbaspour拱坝指出水库主要通过溶洞石灰岩渗漏，对溶洞进行了坝基固结灌浆和高压帷幕灌浆，同时对右岸断层进行了修建混凝土防渗墙的加固处理方式；纪伟针[12]对水布垭面板堆石坝的岩溶化程度较高的问题，提出了优化的防渗布置措施。

图1 坝体标准剖面及分区(单位：m)

水利水电工程中易造成渗漏问题的地质缺陷主要包括岩溶、古河道和断层、节理、裂隙、层间错动带等结构面以及卸荷带、次生夹泥层等。本文针对存在地质缺陷中岩溶渗漏问题的新疆某水电站工程，采用改进折算系数法，开展溶蚀带和断层等地质缺陷下面板堆石坝的渗流性态研究，并由此提出最优的工程措施，实现对该工程的渗流控制，保证大坝渗流安全性。

1 工程概述

新疆开都河上某水电工程坝址处为基本对称且较完整的“V”形谷，河床覆盖层约厚50 m，左岸岩体主要为白云岩，局部存在溶蚀集中现象，右岸基岩主要为英安质、安山质凝灰岩，层面及构造发育，岩体卸荷风化较深，完整性较差，坝址区断裂和裂隙构造较发育，共发现20余条断层，裂隙多成组发育，少则4～5条，多则13～20条。拦河坝为趾板建在覆盖层上的混凝土面板坝，工程拟定正常蓄水位1 820.00 m，坝顶高程1 825.00 m，最大坝高158.0 m，坝体标准剖面及分区如图1所示。

本工程地质条件复杂，特别是位于高程1 740 m附近的左岸白云岩溶蚀带的局部溶蚀地质条件，溶蚀带宽1～2 m，长约52 m，溶洞直径最大0.4 m，最深1.5 m，溶洞顺层密集发育，洞内有塌落现象，塌落岩块和溶洞洞壁多附着重结晶方解石颗粒。左岸F4结构面走向为NW285°，倾向NE，倾角67°，水平宽0.5 m，顺河向延伸，贯穿上下游。包含白云岩溶蚀带及F4断层分布的面板坝坝轴线工程地质如图2所示。

图2 面板坝坝轴线工程地质示意

2 计算原理

岩溶介质的多样性决定了求解岩溶渗流的复杂性，根据本工程岩溶蚀带的地质特性，采用改进折算渗透系数法的三重介质模型进行坝址区渗流场性态分析[12]。改进折算渗透系数法通过建立基于岩溶介质的非达西渗流规律的统一表达式，由此反应岩溶渗流场中层流和紊流型渗流共存现象的折算系数。如果忽略毛细现象、非饱和部分和蒸发的影响，考虑基于改进折算渗透系数法的岩溶渗流基本微分方程为[13]

(1)

式中，kij为渗透张量，对于孔隙介质为达西渗流下的渗透张量，对于岩溶介质为折算渗透系数张量；h为水头；Ss为贮水系数；t为时间。为其达西渗流下的渗透张量，对于岩溶介质kij为其折算渗透系数张量

采用Galerkin逼近方法，有限元支配方程可写为

(2)

式中，K为总渗透矩阵；P为节点水头列阵；S为贮水矩阵；G为给水矩阵；F为不平衡流量矩阵。采用截止负压法[14]对方程进行自由面和渗流场解。

3 计算模型和工况

3.1 模型范围

模型中三维坐标系为以坝顶左坝端中心为模型坐标原点，Y方向为坝轴线方向，Z方向按实际高程。根据边界截取的基本原则以及本工程的实际工程特点，确定计算模型的范围。三维模型截取边界范围为模型右边界为原点以右500 m(Y=-500 m)，模型左边界为原点以左969 m(Y=969 m)；X方向为顺河流方向，模型上游边界为坝轴线上游700 m(X=-700 m)，下游边界为坝轴线下游700 m(X=700 m)，底高程截至1 417 m，顶高程截至1 826.2 m，低于1 826.2 m的地形按实际高程考虑，高于1 826.2 m地形按削平处理。

采用自行编制的三维渗流有限元分析程序，建立了三维有限元渗流分析模型，模型较精确的模拟了地质条件和坝体结构，例如岩层分区、断层、岩溶蚀带等以及坝体材料分区、防渗墙、防渗帷幕和导流洞等。该渗流分析模型生成的有限元网格结点总数为62 269个，单元总数为60 177个，三维有限

元模型网格如图3所示。

图3 渗流分析计算范围内三维有限元模型网格

3.2 模型边界

本工程计算模型边界类型主要包括：①已知水头边界包括坝址区上、下游水位线以下的水库库岸和库底、坝体上游坡和下游坡、河道，以及给定地下水位的截取边界；②出渗边界为坝址区上下游水位线以上的左、右岸山坡面，以及坝体上、下游坡面和坝顶；③不透水边界包括不透水边界包括模型上、下游两侧和左右岸两侧截取边界除给定地下水位以外的部分边界，以及模型底面。

3.3 计算参数

根据工程地质和水文地质资料，坝址区岩体分为4类地层，包括中等透水层、弱透水层、相对不透水层、不透水层，同时考虑河床覆盖层、岩溶蚀带和F4断层等，各岩体和地质缺陷等介质的等效渗透系数如表1所示。根据工程设计方案和相关工程经验，坝体各料区分为面板、垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区等，防渗系统包括防渗帷幕和混凝土防渗墙等，坝体各料区和防渗系统渗透系数如表2所示。此外拟定白云岩溶蚀带的粗糙度为0.03 m，水的粘滞系数为1.1×10-6m2/s。

表1 岩体和地质缺陷地层渗透系数

地层岩层分类坝基渗透系数/m·s-1备注含漂石砂卵砾石层—6.0×10-4—含砾中粗砂层—4.0×10-4—中等透水10Lu

表2 面板坝坝体各料区和防渗系统渗透系数

坝料分区渗透系数/m·s-1面板1.0×10-10垫层1.0×10-5过渡层1.0×10-4主堆石1.0×10-4下游堆石1.0×10-3坝基防渗帷幕3.0×10-7混凝土防渗墙1.0×10-9泄洪洞洞身混凝土衬砌1.0×10-10

3.4 计算工况

针对工程存在的左岸白云岩溶蚀带和F4断层等地质缺陷，拟定7种不同方案(见表3)研究地质缺陷对工程渗流场性态的影响，并进一步分析地质缺陷的处理措施以及优化方案。

表3 正常运行期渗流场分析计算方案

方案研究内容方案说明1无工程措施方案溶蚀带和断层不采取防渗措施的设计方案2溶蚀带防渗措施1采用混凝土洞塞截渗,截渗深度75m3溶蚀带工程措施2采用混凝土洞塞截渗,截渗深度100m4溶蚀带工程措施3采用混凝土洞塞截渗,截渗深度125m5溶蚀带工程措施4采用混凝土洞塞截渗,截渗深度150m6F4断层渗透性影响分析1F4断层渗透性增加2倍7F4断层渗透性影响分析2F4断层渗透性增加5倍8F4断层渗透性影响分析3F4断层渗透性增加10倍

4 地质缺陷影响分析

4.1 白云岩溶蚀带渗流性态分析

左岸白云岩溶蚀带渗透性较强，白云岩溶蚀带对渗流场的影响较大，坝址区地下水位等值线分布如图4所示，沿白云岩溶蚀带上、下游方向断面渗流场位势分布如图5所示(图中黑粗部分为溶蚀带分布)。由图4、图5和计算结果可得，由于存在白云岩溶蚀带，形成了沿上下游方向的集中渗漏通道，对渗流场有较大的影响，其中因计算工况考虑防渗帷幕的阻渗作用，因此实质上已对白云岩溶蚀带进行部分防渗处理，并取得一定的防渗效果，但由于溶蚀带超出防渗系统范围，仍存在集中渗漏问题。因此，根据计算结果，建议采用混凝土洞塞形式对左岸白云岩溶蚀带进行进一步防渗处理。

左岸白云岩溶蚀带基本位于高程1 740 m附近，为渗控措施优化分析需要，拟定4种不同截渗深度方案，对比分析其对渗流特性的影响。白云岩溶蚀带不同截渗深度的渗流性态计算成果见表4，混凝土洞塞截渗深度为150 m的沿白云岩溶蚀带上、下游方向断面渗流场位势图如图5中虚线所示。

由表4可知，采用混凝土洞塞后，坝体浸润面变化幅度较小，尤其在采用75 m以上截渗深度的混凝土洞塞措施后，影响幅度更甚微。左岸白云岩溶蚀带靠近左岸坝肩，对左岸坝肩处防渗帷幕的渗透坡降有一定的影响，采用混凝土洞塞后，左坝肩防渗帷幕最大渗透坡降有一定幅度增加，并且随着混凝土洞塞深度的增加的防渗体系的阻渗效果进一步加强。左岸坝基的渗透流量受白云岩溶蚀带的影响明显，在仅采用防渗帷幕方案下，由于渗漏通道并未完全截断，左岸坝基渗透流量达2 096.9 m3/d，而采用75 m截渗深度的混凝土洞塞，渗透流量降为1 936.0 m3/d，渗透流量减少量达7.7%，但随着混凝土洞塞截渗深度的增加，渗漏量并未随截渗深度的增加呈线性减少的趋势，阻渗效果不明显。

表4 白云岩溶蚀带不同截渗深度的渗流性态计算成果

工况面板后浸润面最高点位置/m左坝肩防渗帷幕最大渗透坡降左坝肩渗透流量/m3·d-111681.376.552096.921681.256.591936.031681.246.621865.541681.236.641781.651681.236.651712.4

注：左坝肩渗透流量是指左岸坝肩处向左延伸直至模型边界，并通过沿坝轴线横断面的渗透流量。

图4 坝址区地下水位等值线分布(单位：m)

4.2 F4断层渗流性态分析

根据地质勘测资料分析得到左岸F4断层渗透系数约为1.0×10-6m/s，该断层位于左岸坝肩帷幕灌浆范围以外，需分析该地质缺陷是否需要单独进行防渗处理。正常运行工况下坝址区地下水位等值线分布如图4，F4断层上下游方向断面渗流场位势分布如图6所示(图中黑粗线为断层分布，虚线为位势分布)。由图4、图6和三维渗流计算结果可知，在该渗透参数下，F4断层对坝址区渗流场影响较小。但由于F4断层存在一定的不可预知因素，因此拟定三组不同渗透参数的断层参数，对比分析其对坝址区渗流特性的影响，对比分析计算成果如表5所示，F4断层渗透系数放大10倍后沿F4断层上下游方向断面渗流场位势分布如图6中实线所示。由表5可知，随着F4断层渗透系数的增加，坝体内浸润面不断抬高，渗透系数增加10倍后，水位高度增加1.69 m；同时因F4断层渗透性增强，使得防渗帷幕的阻渗效果降低，左坝肩防渗帷幕最大渗透坡降由6.55减小为4.71；并且左岸坝基处的渗透流量增幅较为明显，由2 906.7 m3/d增加为3 196.5 m3/d，增加幅度达9.97%。由此可见，F4断层渗透性的增加，使得左岸坝基处形成了较大的渗漏通道，影响水库的蓄水和发电能力，同时坝体内浸润面抬升，进而可能影响坝体的安全性。

图5 白云岩溶蚀带上下游方向断面渗流场位势分布(单位：m)

图6 F4断层上下游方向断面渗流场位势分布(单位：m)

表5 F4断层不同渗透参数的渗流场计算成果

注：左坝基渗透流量是指原河床左岸处至左岸坝肩处，通过沿坝轴线横断面的渗透流量。

5 结 论

(1)通过计算分析表明，本文所采用改进折算渗透系数法可较好的解决溶蚀带和大断层等地质缺陷构造的渗流模拟问题。

(2)左岸白云岩溶蚀带对左坝肩渗流性态影响较大，建议将整个白云岩溶蚀带采用混凝土洞塞截渗，截渗深度为75 m的截渗效果明显，可满足阻渗目的，且工程量较少，施工难度较小。

(3)F4断层可暂不进行处理，但由于断层存在不可预测性，因此建议对此断层进行必要的混凝土灌浆形式的防渗处理，以防止左坝基发生集中渗漏的危险。

(4)加强坝址区地质缺陷的前期地质勘测工作，根据不同的地质缺陷性质及所处位置，采取相应的防渗处理措施，本工程防渗处理范围和分析方法可为类似工程的溶蚀带模拟及为溶蚀带工程处理措施提供借鉴。

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(责任编辑王 琪)

Study on Seepage Characteristics and Anti-seepage Measures for CFRD with Geological Defects

XU Liqun1, HUANG Baiyun1, LU Yuting2, JIANG Yufeng3

(1. College of Water Conservancy and Hydropower, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;2. Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Co., Ltd., Nanjing 210014, Jiangsu, China;3. Nanjing Hohai Technology Co., Ltd., Nanjing 210098, Jiangsu, China)

A hydropower project in Xinjiang has complex geological conditions. A fault structure (F4) passes through the upstream and downstream with 0.5 m width in the left bank of dam foundation, and a developed dolomite karst zone with 5 m width also passes through the left abutment of dam. According to geological and topographical characteristics of dam foundation, a three-dimensional finite element model is established for analyzing the seepage characteristics of dam. In this model, the fault structure and developed dolomite karst zone are simulated, and the improved converting permeability coefficient method is applied to simulate the permeability of dolomite karst zone. The influences of these geological defects on dam seepage characteristics are analyzed. The anti-seepage effects of concrete plug with different depths in dolomite karst zone are studied. The sensitivity of penetration parameter of fault is also analyzed. The anti-seepage methods by using concrete plug in dolomite karst zone and concrete curtain grouting for fault are finally proposed．

karst zone; improved converting permeability coefficient method; CFRD; fault; concrete plug

2015- 05- 05

江苏省自然科学基金青年基金(BK2012410);国家自然科学基金项目(51179062)

徐力群(1983—)，男，浙江仙居人，讲师，硕士生导师，博士，主要研究方向水工结构工程渗流控制与优化计算与分析．

TV641.4

A

0559- 9342(2015)12- 0048- 06