龙羊峡水电站坝基断层F120+A2渗流性态分析及预测研究

张 毅,李 季

(黄河上游水电开发有限责任公司，西宁 810008)

龙羊峡水电站坝基断层F120+A2渗流性态分析及预测研究

张 毅,李 季

(黄河上游水电开发有限责任公司，西宁 810008)

针对龙羊峡水电站拱坝右岸坝基超深强透水贯穿性F120+A2断层渗流问题，利用数值分析方法，研究F120+A2断层渗流特性变化规律及渗流演变过程，同时分析库水位达正常蓄水位或高水位作用时间较长时，F120+A2断层对大坝安全运行的影响。通过研究，对龙羊峡水电站坝基F120+A2断层渗流状况进行评价，预测水库在校核洪水位下，F120+A2断层渗流量不会大幅增加，暂不需对拱坝右岸坝基帷幕进行补充灌浆。

拱坝；断层；渗流性态；分析预测

0 前 言

龙羊峡水电站是黄河上游龙青段梯级开发的“龙头”电站。其水库具有多年调节性能，以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用效益。枢纽由主坝、两岸重力墩、引水建筑物和水电站厂房等组成。挡水前缘总长度1 226 m，其中主坝396 m，最大坝高178 m，最大底宽80 m，建基标高2 432.0 m，坝顶高程2 610 m。水库校核洪水位2 607 m，正常蓄水位2 600 m，设计汛期限制水位2 594 m，死水位2 560 m，极限死水位2 530 m。水库总库容276.3亿m3，正常蓄水位以下库容247亿m3，有效库容193.5亿m3。电站装机1 280 MW，保证出力589.8 MW，年发电量59.42亿kWh，系西北电网的主力电站。

龙羊峡水电站拱坝右岸坝基超深强透水贯穿性断层F120+A2延伸至基础底部深达数公里，贯穿坝体的上下游，透水性较强，对大坝的安全运行构成一定影响。研究在库水位达设计正常蓄水位或高水位作用时间较长时F120+ A2断层部位岩体渗流特性，利用大坝原型监测资料和理论分析方法，评价此部位对大坝的安全影响程度，为龙羊峡电站在确保安全的前提下充分发挥工程效益提供科学依据和技术支持，同时为类似工程的工作性态分析提供有效方法和技术支撑。

1 坝区工程地质与F120+A2断层

龙羊峡坝址距峡谷进口1.5 km，坝址峡谷窄深，崖顶高程2 580～2 590 m(正常蓄水位2 600 m)，为黄河第8级阶地基地侵蚀面，一方面以70～100向峡谷进口倾斜，一方面缓慢向两岸升高，坝轴线下游300 m处有深切的南、北大水沟与黄河相交。坝址工程地质条件十分复杂，坝基岩性为花岗闪长岩，岩性坚硬，经多次地质构造运动，坝肩断裂发育，被多条断裂切割，特别是大坝下游约300 m的F7(宽约80～100 m)横切河谷，形成南北大山水沟，使两岸山体特别是左岸比较单薄。断裂构造发育，主要断裂有8条，其中A2、F120斜切河床及两岸上、下游，形成主要渗漏通道。

龙羊峡水电站拱坝右岸坝基的F120断层在距坝肩不远的深部贯穿上下游，宽度2～6 m，性状较差，其走向与大坝推力方向近于正交，在2 560 m高程距坝头最短距离为55 m，多有小的分支，充填的糜棱岩和角砾岩不甚连续，但有较连续的全强风化蚀变岩带，断层泥平均厚度1.2 cm。A2石英岩脉宽达5～10 m，脉体内NE向的直立裂隙和近水平裂隙发育，透水性很强。F120+A2断层大多有数cm至数十cm的含角砾与碎屑的夹泥，夹泥本身密实不透水，但在断层影响带内的碎裂岩体能构成网络状渗水通道，透水性相对较强。F120+A2断层具有超深性、贯穿性、强透水性三大特点。

针对坝址区特殊的工程地质条件，坝基防渗排水工程设计采用：主坝基础防渗帷幕深80 m，各伸入两岸岩体150～200 m，防渗帷幕由2排最高压力(6.0 MPa)水泥灌浆帷幕组成。除河床及两岸紧靠灌浆帷幕设有与其范围大体相当的排水幕外，其主坝排水幕后，河床共设有4道排水幕。针对两岸强烈的三向绕坝渗流，两岸顺河向还设有3道纵向排水幕(左岸1道，右岸2道)。对贯通坝基和两岸上下游的主要NE向断裂构造，如A2、F120等，采取了丙凝等防渗灌浆，以降低其渗透性。上述坝基防渗排水工程设计经龙羊峡电站多年运行及高水位检验未见异常，表明龙羊峡工程坝基防渗排水设计符合工程实际。

2 F120+A2断层渗流监测布置

龙羊峡水电站坝基F120+A2断层部位渗流监测项目包括扬压力、渗漏量、地下水。扬压力布设在2 463 m高程、2 497 m高程部位的灌浆廊道、横向排水廊道以及F120传力槽混凝土置换洞部位和2 530 m高程部位的灌浆廊道、纵向排水廊道；渗漏量测点分别布设在2 463、2 497和2 530 m高程的横向排水廊道上下游排水沟部位。在2 463、2 497和2 530 m高程部位共布置6个渗漏量监测点，在断层置换洞幕前幕后共布置18个扬压孔，在溢洪道左侧部位布置3个地下水孔，用来监测F120+A2断层部位渗流状态。测点统计见表1。

表1 F120+A2断层部位渗流监测点统计表

备注:① 渗漏量监测采用容积法,mL/s；② 扬压力人工监测采用电测水位计和压力表计，自动化采用渗压计,m；③ 地下水采用响锤法,m。

3 F120+A2断层渗流变化规律

F120+A2断层2 463、2 497和2 530 m高程部位监测资料表明：

(1) 龙羊峡水电站自1986年蓄水以来，库水位从未达到设计正常蓄水位2 600 m高程，2005年黄河上游来水较大，自4月26日开始，库水位由2 558.70 m逐渐升高，至11月19日水库水位达蓄水以来最高水位2 597.62 m，水位上升期间F120+A2断层部位渗漏量明显增大，达历史最大值，各部位渗漏量较之前增大约300 mL/s。

(2) F120+A2断层2 463、2 497和2 530 m高程渗漏量随库水位升高，渗漏量增大，但可以看出渗漏量与坝前库水位呈一定的非线性关系。

(3) 从现场巡视检查情况看，2005年库水位升高期间，2 463、2 497和2 530 m高程的F120断层置换洞和传力槽部位无明显的渗漏和渗漏量增大现象，说明此部位处理和灌浆帷幕防渗效果良好。但在2 463、2 497和2 530 m高程F120+A2断层部位横向排水廊道断层岩体表面渗水随库水的升高，明显增大，水位达历史最高水位时此部位有刺水现象，渗水明显较低水位时段要大。但是，此部位地下水位、扬压力较稳定，除个别测点外，其它测点与库水位无明显的相关性，说明该部位岩体透水性较强。

综上所述，在库水位未达设计正常蓄水位，且高水位作用时间较短的情况下，F120+A2断层渗漏量较低水位明显增大。为了进一步分析龙羊峡库水位达设计正常蓄水位或高水位作用时间较长时,拱坝右岸坝基F120+A2断层部位岩体渗流特性，有必要对F120+A2断层工作性态进行综合分析研究和评价。

4 F120+A2断层渗流性态分析研究方法与成果

4.1 研究方法

(1) 拱坝超深强透水贯穿性断层岩体的蠕变分析模型及其数值模拟方法。

(2) 拱坝超深强透水贯穿性断层岩体渗流特性及分析方法。

(3) 拱坝超深强透水贯穿性断层岩体渗流场演变规律。

(4) 拱坝超深强透水贯穿性断层岩体转异诊断。

(5) 超深断层岩体引起大坝结构转异的诊断方法及其渗流安全监控模型。

4.2 主要研究成果

利用数值模拟方法，结合实测资料，研究了F120+A2断层渗流特性变化规律及演变过程，预测了龙羊峡水库校核洪水位工况下F120+A2断层渗流量，主要研究成果：

(1) 进行了龙羊峡水电站拱坝F120+A2断层二维有限元渗流计算分析，研究了超深强透水贯穿性断层F120+A2的渗流特性，分析了断层的超深性、强透水性及贯穿性对渗流影响的规律，并确定了断层的计算范围，在此基础上，建立了龙羊峡三维渗流有限元模型，研究了排水和帷幕等对整个渗流场的影响：① 2 443 m高程河床部分岩体以及24 63 m高程右岸岩体水头值均随着有限元模型深度的增加逐渐增加，但增加量逐渐减小，渐趋于稳定，计算确定了超深断层对渗流场计算结果的影响范围为9倍帷幕深度;② 当渗透系数降低时，扬压力孔水位随之略微上升；随着渗透系数的增大，F120+A2断层成为渗漏主要通道，当渗透系数增大到一定程度时，右侧山体各测点孔水位变化趋于稳定;③ 2 443 m高程河床部分测点随着上游覆盖层长度的增加，孔水位略微下降，变化范围较小；2 463 m高程右岸岩体各测点水头值均随着上游覆盖层长度的增加而减小;④ 排水孔作用明显，2 443 m高程河床部位以及2 463 m高程靠近坝体部分的岩体上的水头下降均为15 m左右；而离断层较近的测点水位下降更为明显，排水孔失效对其影响较大;⑤ 帷幕灌浆对降低水头有显著作用，帷幕灌浆失效时各测点孔水位均比帷幕灌浆未失效时高。对于帷幕灌浆失效的情况，由于排水孔的作用，位于右岸山体中靠近断层测点水头值明显较小，但与帷幕灌浆未失效时相比，仍然要高5 m左右的水头，帷幕灌浆与排水孔共同作用时效果更好。

(2) 利用改进的遗传—模拟退火混合算法对坝基断层F120+A2渗透系数进行了反演分析，建立了坝基断层渗流演变时序模型，反演分析了坝基断层结构面形态的渗透系数，同时，与常规渗透系数反演方法进行了对比，两者结果比较接近。

(3) 龙羊峡超深断层F120+A2渗流场转异评判表明：当排水孔相对渗透系数逐渐增加的过程中(相应于排水孔工作状态逐渐变好)，测压管水头逐步减小，其减小速率值逐渐变小，当相对渗透系数增大到某一阈值km并继续增大时，测压管水头值减小并不明显，这说明当1

(4) 以考虑滞后效应的坝基断层渗流混合模型为基础，计算研究区域内测压管及排水孔流量性态的模糊隶属度；并以测压管水位为例，采用模糊可拓理论，建立了物元评价模型，评价结果表明，龙羊峡水电站坝基断层F120+A2渗流性态属于基本正常。

(5) 根据龙羊峡三维有限元模型渗流数值模拟计算结果，结合F120+A2断层渗漏量实测资料，对龙羊峡超深断层F120+A2渗漏量进行分析和预测，得到如下主要结论：① 随着上游库水位上升，通过F120+A2断层2 463、2 497、2 530 m高程的渗漏量逐渐增大，其中2 497 m高程渗漏量最大、2 463 m高程次之、2 530 m高程最小，计算结果与实测成果变化规律一致，总体反映了F120+A2断层渗漏量随库水位上升而增大的变化规律;② 校核水位2 607 m工况下(尾水位2 464.3 m)，通过断层2 463、2 497和2 530 m高程的渗漏量分别为567.42、643.76和372.13 mL/s，通过断层F120+A2总渗漏量为1 583.31 mL/s。此外，不同尾水位工况下，通过F120+A2断层的渗流量差值为23.3 mL/s，尾水位变化对F120+A2断层渗流量影响较小;③ 针对龙羊峡水电站2005年库水位上升引起断层渗流量增加的相关性，建立了高水位下的特殊监控预测模型，预测得到通过断层2 463和2 497 m高程的渗漏量分别为579.7和639.1 mL/s。校核洪水位下的龙羊峡断层渗漏量数值分析成果与实测资料预测成果反映的规律基本一致，而且量值比较接近。龙羊峡水库校核洪水位2 607 m下应用数值计算结果与统计模型预测断层渗漏量结果对比见表2。

表2 龙羊峡水库校核洪水位2 607 m下不同模型对断层F120+A2渗漏量预测结果对比表

5 结 语

龙羊峡水电站坝基断层F120+A2渗流性态分析及预测研究成果表明，在2005年龙羊峡水库高水位期间，拱坝右岸坝基F120+A2断层渗漏量增大符合正常规律，渗流性态未发生转异，并且未对大坝变形性态造成明显影响，同时预测校核洪水位下渗流量也未大幅增加。此外，由反映断层F120+A2变化的右重2号、13号坝段倒垂切向位移监测资料表明：切向位移虽然随库水位变化而变化，但总体测值及变幅较小，目前变化规律总体正常。因此，拱坝右岸坝基可暂不需对帷幕进行补充灌浆。在今后的运行管理中，尤其是水库高水位运行期间，需要加强该断层的监测分析，必要时增设坝基的排水设施减小渗透压力，确保大坝运行安全。

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Study on Property Analysis and Forecast of Seepage from Fault F120+A2 in Foundation of Longyangxia Hydropower Station

ZHANG Yi, LI Ji

(Huanghe Hydropower Development Co., Ltd, Xining 810008，China)

Aiming at the seepage from Fault F120+A2 which is deeply located, with strong permeability and penetrability, in foundation on right bank of Longyangxia Hydropower Station and by application of the value analysis method, property variation law and development of seepage from Fault F120+A2 are studied. Simultaneously, impacts of Fault F120+A2 to the safety operation of the dam are analyzed when the water level in the reservoir reaches the normal storage level or the higher water level keeps a long time. Through the study, the seepage from Fault F120+A2 is assessed. It estimates that the seepage from F120+A2 will not largely increase when the reservoir is at the check flood level. Therefore, additional grouting to the grouting curtain on right bank is not required.

arch dam; fault; seepage property; analysis and forecast

1006—2610(2015)02—0075—04

2015-02-27

张毅(1966- )，男，新疆哈密市人，高级工程师，从事大坝安全管理.

TV223.6;TV698.12

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.019