DG水电站F3断层渗流控制数值模拟研究

张泽坤，朱瑞晨，吴世勇，王潇弘

(1. 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021；2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100;3.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

我国西部地区水力资源丰富，近年来，西部水利事业快速发展，坝工建设也发展迅猛。西部地区海拔较高，山川密布，许多水利水电工程多建设于深山峡谷中，地质条件复杂，常遇到诸如断层等不良地质条件。断层等不良地质条件经常会引发渗透问题。由于防渗帷幕质量可靠、价格低廉等优点，常被用在水利工程中进行渗流控制，保证渗透稳定[1]。在防渗体系正常发挥渗流控制作用的基础上，对坝址区渗流控制处理措施的布设方案进行优化，可节省工程投资，提高水库的运营效益。

目前，诸多学者对渗控处理措施的优化进行了大量的研究，获得了丰硕的成果，有效指导了相关工程[2- 6]。江浩源等[7]对哇沿水库隐伏断层的渗流特性、防渗措施及防渗墙的渗流控制效果进行了研究，确定了最合适的防渗墙深度，并且指出防渗墙深入两种材料交界面处时，底部坡降值较大，容易发生局部冲蚀。杨海林[8]以泸定水电站坝址区为研究对象，对其设计方案下的坝址区渗流场进行分析计算，在此基础上改变坝基帷幕的排数、帷幕的深度以及平面布设长度等三方面来分析对比不同方案下的渗控效果，以经济合理为主要依据确定了优化方案。吴伟民[9]针对周宁水电站地下厂房系统建立有限元计算模型，分析其渗流场特征，然后对T形排水廊道、排水帷幕孔距以及孔深，共计十种渗排方案下的渗流场特征进行对比分析，最终提供最优方案。

本研究采用ABAQUS有限元分析软件，以DG水电站F3断层为研究对象，计算得到不同帷幕长度作用下的断层渗流场，通过对各工况的对比分析，得到最合适的防渗帷幕长度，研究结果可为类似工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

DG水电站设计正常蓄水位为3 447 m，相应库容0.552 8亿m3，挡水坝为混凝土重力坝，最大坝高118 m。电站采用右岸坝后式地面厂房，装机容量660 MW，多年平均发电量为32.045亿kW·h。

库区属高原区，两岸山顶面海拔高约5 400～6 000 m，库区谷底高程为3 360～3 445 m，相对高差1 800～2 500 m。河谷水面宽以60～160 m为主，河道坡降约为9.5‰，谷坡陡峻，河流深切呈“V”形，属典型的高山深切峡谷地貌。库区位于某构造岩石地层区，主要出露地层为燕山晚期～喜山早期侵入岩，新生界第四系。坝址构造发育，主要构造形迹有断层、节理等。共发育Ⅱ级结构面6条，Ⅲ级结构面25条，Ⅳ级结构面21条，主要以NNW、NNE向为主，多为陡倾角结构面，带内一般由碎块岩、碎裂岩、岩屑及少量泥膜组成。其中，F3断层发育在坝址区右岸山坡下部，走向与河道近平行，N30°～50°E ，SE∠25°～35°。地表可见宽度0.5～3.5 m，为泥夹岩屑型，带内充填碎块岩、碎裂岩，岩体破碎，呈强风化状，上下盘面充填1～3 cm岩屑夹泥，泥呈灰白色，如图1所示。

图1 F3断层现场

2 三维有限元渗流数值模型

2.1 三维有限元数值模型

数值模型计算域的截断边界应该选取在对所关心区域的渗流场影响较小的位置。本文通过初步的试算，将上游处的截断边界取在距坝轴线400 m处，下游处的截断边界也取在距坝轴线400 m处。由于坝址区出露地层岩性大部分为喜山期黑云母花岗闪长岩，因此按风化程度自上而下将地层分为弱风化上段、弱风化下段、微风化段、近似不透水层。

三维有限元渗流计算模型如图2所示，模型下表面为高程3 200 m的水平面，其中F3断层厚度3 m，断层深度150 m，与竖直向夹角为55°，三维有限元渗流模型共剖分793 987个8节点4面体单元。

图2 三维有限元网格

2.2 边界条件与渗透系数

库区地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系松散堆积物孔隙水。第四系松散堆积物孔隙水，赋存于河床两岸崩坡积层及冲洪积层中，以降水补给为主，向沟谷排泄。基岩裂隙水分布在断层带及岩体裂隙中。由于降水补给与冰雪消融水补给对水库蓄水后的渗流场影响很小，因而基岩截断面的位置可只考虑库水入渗的影响，其他边界可取为不透水边界。模型上游边界条件取为正常蓄水位3 447 m的定水头边界，下游边界取为3 370 m的定水头边界，模型四周及底面均取为不透水边界。

渗透系数K值对渗流场的分析至关重要。根据现场钻孔勘察及数值模型验证结果，确定各材料分区的渗透系数，见表1。

表1 渗透系数 10-7 m/s

3 三维有限元渗流模型验证

整体模型建立后，需要对模型进行验证以确保模拟所得的结果是可靠有效的。在现场压水试验的基础上，按照现场钻孔布置，建立了钻孔压水模拟模型，通过现场压水试验渗入量与钻孔压水模型渗入量的对比，对整体模型进行验证。

3.1 钻孔压水数值模型

三维模型建立后，对DG水电站渗流场进行拟合分析以校正各地层的渗透系数。在模型相应位置模拟钻孔布置，孔直径与现场试验相同均为32 mm。由于压水试验的影响范围有限，因此在不影响模拟精度的前提下，取整体模型的一部分对钻孔压水试验进行模拟，又因为该部分模型尺寸相比整体模型而言较小，因此在该局部模型中忽略地层的曲折，钻孔压水数值模型及各钻孔布置如图3所示。其中，F3-1、F3-2、F3-33个钻孔孔深分别为25.80、26.30、21.95 m，F3-4、F3-5、F3-63个钻孔孔深分别为28.0、32.6、33.5 m，均揭露F3断层带。

图3 钻孔压水数值模型

3.2 钻孔压水模拟结果与分析

由于后续研究都是建立在稳定渗流的基础上，因此，在对模型进行验证时，选择现场压水试验结束后线性程度较高的F3-6孔。F3-6孔为压水试验孔，试验段孔深为25.90～33.45 m。现场采用快速法进行试验，每一压力级为0.5 MPa。钻孔压水数值模拟在25.90～33.45 m范围内按每级0.5 MPa施加压力，统计各节点的渗流量，与现场压水试验的结果进行比较来校核模型。

数值模拟与现场试验对比结果如图4所示。由图4可知，实际的压水试验P-Q曲线呈近似线性，在F3-6孔内进行压水时，试验压力3 MPa下的孔内透水量为39.28 L/min，数值模拟验证结果P-Q曲线呈线性变化，试验压力3 MPa下孔内透水量为45 L/min，与实际渗入量相比有差距，但是差距相对较小，能达到模拟要求。经过钻孔压水模拟，对整体模型进行了校核，最终确定各地层的渗透系数见表1。

图4 实际渗入量与模型渗入量对比

4 计算结果比较与分析

4.1 计算工况

恒定渗流是大坝渗流中最简单最基本的一个状态，这种状态最能直接反映大坝渗流的基本规律。因此在研究中，选择恒定渗流分析作为了解DG水电站渗流机理和特性的基础和重要途径。

为了研究防渗帷幕长度对DG水电站恒定渗流的影响情况，设定了不同的工况，研究防渗帷幕长度对断层渗流场的影响。数值模拟工况见表2，其中工况1为未施加防渗帷幕的工况，工况3为设计帷幕工况，防渗帷幕深入断层下1 m，在工况2的帷幕长度下，现场施工遇到困难，施工方案由原来的挖槽整体浇混凝土转变为钻孔注浆，各工况上游水位均为3 447 m下游水位均为3 370 m。

表2 计算工况 m

4.2 设计帷幕工况断层渗流场

设计帷幕工况下，沿F3断层中轴线的总水头线如图5所示，沿断层走向流速变化如图6所示，F3断层处的渗流速度随着距坝后出逸点距离的增大而逐渐减小，在30 m范围之内，流速下降比较快，在30 m范围之后，流速缓慢减小并逐渐趋于收敛，流速拐点发生在30 m左右，说明施加防渗帷幕后F3断层沿走向在30 m范围内影响较大。

图5 总水头线

图6 随断层走向流速变化

4.3 帷幕长度对渗控效果的影响

帷幕长度直接影响渗流路径的长短，对F3断层处水力梯度、渗流量和渗流速度均产生一定的影响。图7为各工况渗流速度对比，由图7可知，各工况随着距坝后出逸点距离的增大，渗流速度变化曲线形状相似，它们的渗流速度变化过程都可以分为快速下降、缓慢下降、逐渐收敛3个阶段。各个工况大都在30 m左右处由快速下降阶段转变为缓慢下降阶段，之后渗流速度逐渐趋于收敛。各个工况流速相差不大，在整体变化趋势上显现出比较好的一致性。施加防渗帷幕后的各工况，流速出现拐点发生在30 m处，与无防渗工况1的50 m相比提前了20 m。同时，添加防渗帷幕后的各工况，渗流速度更快的收敛，说明施坝后断层的影响范围减小。

图7 渗流速度随断层走向变化规律对比

表3为防渗帷幕长度对渗流控制效果的影响结果汇总，图8与图9分别为防渗帷幕长度与渗流量和最大水力梯度的关系。结合表3与图8可知，随着防渗帷幕长度的加长，渗流量变化趋势是非线性变化的，当防渗墙长度小于9.3 m时，出现一段下降比较快的阶段，之后呈近似线性减小。同样的，结合表3与图9可知，最大水力梯度变化趋势也呈非线性，当防渗墙长度小于9.3 m时，开始下降比较快，之后呈线性减小。从曲线变化规律上来看，9.3 m长的防渗帷幕是最合适的防渗帷幕长度，因为出现比较快的下降阶段，但是在该帷幕长度下，水力梯度为0.842，水力梯度偏大，当防渗帷幕长度增加到25 m时，水力梯度降到0.675。此时，防渗帷幕加长可以更好的降低水力梯度和渗流速度，但是随着防渗帷幕的加长，带来的是更高的施工难度和更多的经济投入，这些与水力梯度和渗流速度的减小比率相比，显然是不合理的。

表3 防渗帷幕长度结果汇总

图8 帷幕长度与渗流量关系

图9 帷幕长度与最大水力梯度关系

5 结 论

本文采用ABAQUS软件建立了考虑渗流场的有限元分析模型，对DG水电站防渗帷幕长度对断层渗流场的影响进行了研究，得到了以下主要结论：

(1)数值模拟所得压水过程的P-Q曲线呈线性增加，与实际现场压水试验的P-Q曲线相近，所以该数值模型可靠。

(2)F3断层处的渗流速度随着距坝后出逸点距离的增大而逐渐减小，在30 m范围之内，流速下降比较快，在30 m范围之后，流速缓慢减小并逐渐趋于收敛。

(3)随着防渗帷幕长度的增加，渗流量及最大水力梯度的变化趋势是非线性变化的，当防渗帷幕长度小于9.3 m时，出现一段下降比较快的阶段，之后呈近似线性减小，25 m的帷幕长度能获得比较好的经济和安全效益。