某水电站右坝肩卸荷岩体绕坝渗流分析研究

赵正鹏，江 霄，王 假

（四川省广元水文水资源勘测局，四川 广元 628017）

0 引言

岩土体渗流问题作为水力学、岩土力学计算中不可或缺的组成部分，也是水利水电工程十分关心的工程问题[1]。但是渗流计算的可靠性和渗控措施的合理性仍受控于水文地质条件和岩土体渗透特性。由于岩体中裂隙网络分布与土体多孔介质结构有较大差异，裂隙岩体的渗透特性往往表现出各向异性。若按传统方式将裂隙岩体视为各向同性的多孔介质结构，不仅可能产生较大误差，甚至会导致坝体等水工结构偏于不安全[2～3]。因此，结合岩体自身结构特点，多角度、全方位的了解其渗流特点显得极为重要。

西藏地区某水电站虽然主体工程规模不大，但是工程地质问题复杂。坝址河床除分布“深、厚、宽、广”的覆盖层外，右坝肩所在的凸形山梁岩体卸荷强烈，钻孔揭示坝基坝肩岩体透水率普遍在中等透水范围，局部甚至达到强透水；平硐揭示除边坡浅表部岩体存在较强卸荷外，深部还出现深卸荷问题[4～5]。这些问题直接关系到边坡稳定、坝基坝肩渗漏、相应的工程处理措施以及工程建成后的安全运行等诸多方面[6]。本文采用有限元方法，分析27种工况下的某水电站右坝肩卸荷岩体绕坝渗流情况。

1 概况

1.1 工程概况

某电站位于西藏林芝地区八一镇多布村尼洋河干流上，是尼洋河巴河口以下河?段水电规划的第3个梯级，距拉萨公路里程约375 km，距林芝市政府所在地八一镇公路里程约25 km，距米易机场公路里程约75 km，川藏公路从库坝区左岸通过，对外交通十分便利。

该电站以发电为主，设计正常蓄水位3076.00 m、死水位3074.00 m，正常蓄水位以下库容为0.65×108m3，最大坝高27 m，装机容量120 MW。主要建筑物由拦河大坝(坝型为砂砾石复合坝)、泄水闸和左岸引水发电系统组成。枢纽属三等中型工程，主要建筑物为3级，临时建筑物为5级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为500年一遇。为了减少投资和缩短工期，直接利用河床覆盖层建坝，拦河大坝采取砂砾石土工膜复合坝方案。

1.2 地质条件

该电站所在的尼洋河流域位于南念青唐古拉山脉中段，为典型高山地形，相对高差一般在2000 m～2500 m。坝址微地貌表现为“峡谷”地形特征，河流流向约NE70°，主流偏右岸，平水期河水位为3055 m～3056 m，水深约3 m～4 m，谷宽158 m～187 m，河道平均坡降0.44%，河谷具典型冰蚀“U”型宽谷特征，最大谷宽约1.5 km。

坝址区主要发育河谷3级阶地，坝址“峡谷”进出口为漫滩及Ⅰ、Ⅱ级堆积阶地。漫滩和江心滩顶面高出河水面0.8 m～2.6 m，Ⅰ级阶地前缘高程3059 m～3061 m，高出水面6 m～8 m。Ⅱ级阶地前缘高程3068 m～3071 m，高出水面14 m～17 m。Ⅲ级阶地主要分布在左岸多布村一带，前缘高程为3104 m～3082 m，高出水面28 m～45 m，而右坝肩部位主要分布在3100 m高程水渠附近。Ⅲ级阶地地面起伏较大，呈垄岗状地貌，相对高差27 m～29 m，最大34 m，其间宽缓小冲沟较发育。坝线下游地势较平坦，表部高程3081 m～3069 m（如图1）。坝址基岩为二长花岗岩，致密坚硬，抗风化能力强，岩体呈块状～次块状结构，完整性较好，坝基坝肩岩体浅表部以弱风化为主，河床和岸坡弱风化岩体厚度大致在25m以内。河床覆盖层物质主体为砂卵砾石，为强透水层。灰白色，似斑状结构，块状构造。除坡顶和山脊表部有薄层残积土和全风化外，右坝肩岩体基本不存在全风化。

图1 坝址地形地貌特征(下游拍摄)右坝肩基岩为燕山晚期～喜马拉雅期二长花岗岩(γ5-63)，

图2 PD04现场照片(a)硐深64 m高倾角顺河向裂隙张开状态；(b)坡外侧端部基/覆交界面

根据地表测绘、平硐勘探、钻孔揭示及物探波速资料，以坝走向剖面PD04平硐为代表，现场照片见图2。可将右岸卸荷岩体水平分带为：0～30 m(PD04为27 m)为强卸荷(大致对应强风化)，该段岩体裂隙开度普遍大于1 cm，裂隙内普遍充填次生黄砂、岩屑、角砾物质，局部有架空且有明显透风特征，硐壁潮湿，降雨后硐壁有滴水；30 m～45 m(PD04为27 m～42 m)为弱卸荷(大致对应弱风化)，岩体裂隙开度一般仅约几毫米，裂隙内充填次生黄砂、岩粉物质，硐壁潮湿；45 m～175 m(PD04为42 m～174 m)深卸荷(大致对应微风化)，175m以后为正常新鲜岩体。

2 模型建立

右坝肩以及下伏于河床覆盖层之下的基岩渗透分区，主要依据平硐裂隙统计和钻孔压水及示踪剂法渗透测试成果，分为强透水、中等透水和弱透水，各渗透分区大致对应岸坡正常卸荷带、深卸荷带和新鲜岩体[7]。三维渗流计算时裂隙岩体的渗透特性和渗透张量按各向异性渗透介质考虑。坝基河床覆盖层各介质分区依据钻孔资料，且覆盖层按各向同性渗透介质考虑[8]。由于右岸山体坝顶3080 m以上高程位于库水位3078 m以上，对绕坝肩渗流没有任何影响，因此，渗流计算模型不包括右岸3080 m以上部分。而右岸近坝附近的岸坡覆盖层为强透水层，从工程安全角度考虑，库水透过岸坡覆盖层作用在基/覆交界面上的水头均按库水位设置。

图3 三维渗流计算模型网格图

三维渗流计算模型中，X轴与坝轴线平行，指向右岸为正；Y轴垂直向上为正；Z轴垂直坝轴线，且指向上游为正。上下游范围从坝坡坡脚分别向下游和上游取200 m；垂直向下取至2650 m高程；顺坝轴线方向从PD4硐口向坡内延伸约307 m，而从PD4硐口向左岸延伸约330 m。计算模型包含单元总数27782个、节点总数28901个，划分网格示意图见图3。

该电站坝体坝基防渗采用混凝土防渗墙接土工布，坝肩采用防渗帷幕，且悬挂式防渗墙墙底还设帷幕灌浆。结合设计文件并参考有关工程资料，混凝土防渗墙宽度取80 cm、深度60 m，计算分析时混凝土防渗墙的渗透系数取1×10-7cm/s=8.64×10-5m/d。防渗帷幕宽度取2.5 m，其中基岩中防渗帷幕按1 Lu控制，即渗透系数约1×10-5cm/s=8.64×10-3m/d。

3 敏感性分析

对位于防渗墙底部的覆盖层中防渗帷幕，根据工程经验，其防渗效果要达到1 Lu较为困难，因此，渗流计算中对覆盖层中防渗帷幕按1 Lu～10 Lu控制进行敏感性分析。另外，对防渗帷幕水平深度和垂直深度也进行多方案的敏感性分析，防渗帷幕水平深度和垂直深度关系见图4；对无任何防渗措施下的渗流进行对比分析；对裂隙岩体按各向同性和各向异性的渗流进行对比分析。

图4 防渗帷幕和防渗墙空间示意图

3.1 防渗帷幕水平深度敏感性分析

在敏感性计算时，防渗墙墙底的帷幕灌浆深度为60 m且不变，而坝肩防渗帷幕水平深度变化范围在52.52 m～199.25 m，分别对应平硐PD4强透水和中等透水的底界。根据三维渗流计算统计获得不同部位的渗流量，见表1。

表1 防渗帷幕水平深度渗流敏感性计算成果 单位：m3

计算结果表明，即使设计为悬挂式防渗墙，但是相比无任何防渗措施下的渗流量来讲，由于防渗墙、防渗帷幕和土工布的阻渗作用，有防渗措施下的总渗流量显著减小，且无防渗措施下绝大部分渗流量主要穿过坝体。当水平帷幕深度穿过岸坡正常卸荷区后，即使增大水平帷幕深度，对降低绕坝肩渗流量的效果并不显著。显然，水平帷幕防渗深度设在岸坡正常卸荷底界是合适的(方案7大致对应平硐PD4硐深54 m附近)，方案7的总渗流量大致为无任何防渗措施下的总渗流的5.45%，防渗效果非常显著。

由于坝肩水平防渗深度的变化，对应防渗帷幕轴线剖面的中等透水区(大致相当于PD4揭示的岸坡深卸荷带)和新鲜岩体弱透水区范围也相应变化，因此，透过防渗帷幕、中等透水区和微新岩体弱透水区的渗流量也随透过面积的大小呈规律性变化。但是，透过防渗墙和墙低防渗帷幕之下的河床覆盖层的渗流量变化很小。

由于坝基坝肩强透水区全部被防渗系统 (包括坝基防渗墙、墙底垂直防渗帷幕和坝肩水平防渗帷幕)所封堵，库水渗漏实质上已不存在透过强透水区岩体，而被透过防渗系统断面所替代，方案0～7的强透水区渗漏量均为0.0。方案8计算假定为无任何防渗措施，根据Darcy定律，库水是沿渗流路径最短的通道向下游渗漏。由于右岸强、弱卸荷岩体和地表覆盖层为强透水介质，大部分渗流均沿覆盖层和卸荷岩体透过，因此，右岸侧覆盖层和卸荷岩体绕坝渗漏损失量约为6万m3/d。

3.2 覆盖层防渗帷幕渗透性敏感性分析

该电站坝高仅27 m，坝前坝后水头差仅25 m，设计采取防渗墙预留孔方式对墙底覆盖层和透水基岩进行帷幕灌浆来增大渗流路径，从而减缓悬挂式防渗系统的渗流量。对于基岩来讲，防渗帷幕效果控制在1 Lu相对来说较易实现。但是对于深厚覆盖层来讲，防渗帷幕效果要控制在1 Lu却较为困难。为此，对河床覆盖层中防渗帷幕效果进行敏感性分析，且河床覆盖层中防渗帷幕的渗透性在1 Lu～10 Lu范围内。根据三维渗流计算统计获得不同部位的渗流量见表2。

表2 覆盖层中防渗帷幕效果渗流敏感性计算成果 单位：m3

计算结果表明，覆盖层中帷幕效果随透水性的增加、渗流量也增加，并导致总渗流量也相应增加。但是即使覆盖层中帷幕效果为10 Lu时(即表2中方案7 Lu10)，总渗流量也仅大致为无任何防渗措施下的总渗流的6.50%，防渗效果仍较为显著，且施工中控制覆盖层中防渗帷幕的效果达到10 Lu以内也是较为容易。随覆盖层中帷幕效果随透水性的变化，库水渗流路径对应的渗流梯度也相应变化，从而使得各部位(包括微新、弱卸荷、防渗墙墙底帷幕之下的河床覆盖层、防渗墙以及防渗帷幕等)的渗流量也相应呈规律性变化。

方案0～7，由于坝基坝肩强透水区全部被防渗系统(包括坝基防渗墙、墙底垂直防渗帷幕和坝肩水平防渗帷幕)所封堵，库水渗漏实质上已不存在透过强透水区岩体，而被透过防渗系统断面所替代，因此，方案0～7的强透水区渗漏量均为0.0。方案8为无任何防渗措施，坝体和坝基河床覆盖层为强透水介质，大部分渗流均沿坝体和坝基河床覆盖层透过，因此，方案8中透过坝基坝肩岩体的渗流量较方案0～7有所减小。

3.3 防渗帷幕垂直深度敏感性分析

上文已初步论证防渗墙底覆盖层中防渗帷幕透水性较大时，总渗流量也不大，说明防渗墙和右坝肩防渗帷幕的效果显著。在此分析墙底防渗帷幕的深度对渗流的敏感程度，以论证是否可以取消防渗墙墙底的垂直防渗帷幕。同样根据三维渗流计算统计获得不同部位的渗流量见表3。

表3 防渗墙底防渗帷幕深度渗流敏感性计算成果 单位：m3

计算结果表明，防渗墙底帷幕深度减小后，总渗流量的趋势是逐渐增大。但是，当取消墙底防渗帷幕(仍保留右岸坝肩基岩防渗帷幕)，总渗流量大致也仅为无任何防渗措施下的总渗流的7.42%，防渗效果并未明显减弱。这说明坝基防渗墙显著地削减了坝基渗流量，而防渗墙墙底的灌浆帷幕对减少坝基渗流量并不显著。对60 m深的防渗墙墙底河床覆盖层再进行深达60 m的帷幕灌浆，不但施工工期会延长、工程投资会增大，而且防渗效果也难以保障。鉴于未来蓄水之后，近坝水库死水位以下将逐渐沉积湖相纹泥层，其渗透性较河床中的砂卵砾石层、砂层等将明显要低，会逐渐起到天然铺盖效果，从而进一步降低坝基和绕坝肩渗流。因此，若比较分析表3中方案7-7的总渗流量未超过尼洋河平均径流量的3%(该值是规范中控制指标)，则坝基防渗墙下不采取帷幕灌浆是可行的。

另外，随防渗墙墙底帷幕深度的变化，库水渗流路径对应的渗流梯度也相应变化，从而使得各部位(包括微新、岸坡深卸荷中等透水区、防渗墙墙底帷幕之下的河床覆盖层、防渗墙以及防渗帷幕等)的渗流量也呈规律性变化。

图5 方案7 Lu5三维渗流水位等势图

图6 方案7 Lu5三维渗流梯度

方案7 Lu5三维渗流水位等势图见图5，三维渗流梯度见图6。各方案的水位等势特征符合该电站坝基坝肩渗流规律。渗流梯度较大的部位均在防渗墙、帷幕周围和渗透性差异较大的覆盖层各层交界面部位。坝肩岩体渗流梯度没有超过允许渗流梯度；坝基覆盖层在防渗墙和防渗帷幕附近局部有超过允许渗流梯度的情况，但因位于较深部位的围压效应，故不会发生渗透破坏；而防渗墙和防渗帷幕渗流梯度虽然较大，但是防渗墙和防渗帷幕因允许渗流梯度较高，因此，防渗墙和防渗帷幕不会发生渗透击穿破坏。

图7 方案7 Lu5坝基防渗墙渗流梯度

图8 方案7 Lu5坝基坝肩防渗帷幕渗流梯度

图9 方案7-7坝基防渗墙渗流梯度

图10 方案7-7坝肩防渗帷幕渗流梯度

方案7 Lu5坝基坝肩防渗墙、防渗帷幕渗流梯度分别见图7、图8；方案7-7坝肩防渗墙、防渗帷幕渗流梯度分别见图9、图10。由图可知，方案7-7与方案7 Lu5差异较大的部位主要在防渗墙。由于方案7 Lu5墙底防渗帷幕深度大，阻渗效果更显著，因此，防渗墙和防渗帷幕附近的坝基覆盖层和坝肩卸荷岩体的渗流路径更长，渗流梯度相对小些。但是总体来讲，除右坝肩部位的靠防渗墙和防渗帷幕附近渗流梯度较大外，其它部位均较小。因此，两种方案坝基覆盖层和坝肩岩体、防渗墙和防渗帷幕发生渗透的区域较小，水库蓄水后坝基坝肩防渗体系对应发生渗透变形破坏的程度较小。但是需注意，这些局部靠近地表附近区域存在发生浅层渗透破坏迹象。

3.4 坝肩岩体各向同性和各向异性渗流对比分析

为了说明各向同性和各向异性渗流的差异，论证多布电站右坝肩裂隙岩体按各向异性渗流问题处理的合理性，对前面的方案7和方案7-7中的基岩进行各向同性渗流计算。为便于比较各向同性和各向异性渗流的差异，将计算成果列于同一表中，见表4。

表4 坝肩岩体各向同性和各向异性渗流计算成果对比 单位：m3

计算结果表明，就各向同性和各向异性渗流对比方案来讲，如方案7和7TX，虽然总渗流量差异并不显著，但是各渗透区尤其是基岩(对应的微新岩体微透水区、岸坡深卸荷弱透水区和岸坡正常卸荷强透水区基岩)中的渗流量差异还是较为显著的。结合坝址基岩中裂隙发育特征和平硐揭露的卸荷裂隙充填河湖相物质的规律可知，用裂隙岩体各向异性渗流模型更能反映右坝肩岩体垂直向和顺水量向渗透性强、垂河向渗透性弱的特征。因此，对右坝肩岩体按各向异性渗流问题能更好地反映未来蓄水后绕坝肩渗流特征。

4 结论

该水电站右坝肩卸荷岩体绕坝渗流是本项目的关键问题，一定程度决定了本工程的顺利开展与否。通过本文分析，得出以下结论：

（1）尽管右坝肩岩体完整性较好，但是岩体卸荷较强，尤其是NE向和NW向高倾角裂隙普遍存在卸荷拉张特征，是控制水库蓄水后绕坝肩渗流的主要通道。

（2）通过渗流计算，右岸卸荷岩体绕坝渗漏损失量约为6万m3/d。右坝肩水平防渗深度大致布置在距PD4硐口约52 m为相对不透水层区段 (大致对应弱卸荷岩体以外10 m左右的微新岩体区)，将有效阻止库水绕坝肩渗流。数值计算成果与地质上分析推荐、定性界定的水平防渗帷幕深度几乎一致。

（3）基于渗流敏感性计算成果，右坝肩卸荷岩体水平帷幕灌浆深度可大致控制在距PD4硐口约50 m～60 m的深度。垂直防渗帷幕深度应在剖面弱卸荷带以下10 m左右。