，，，

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 武漢 430010；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010)

重力壩壩基通常采用防滲帷幕和密集排水孔幕作為滲流控制措施，其滲控效果是影響工程安全的關(guān)鍵因素之一，在壩基發(fā)育有斷層的條件下尤其如此。伊江上游某水電站壩基有較大規(guī)模的斷層存在，本文運(yùn)用三維有限元的滲流場(chǎng)精細(xì)模擬技術(shù)，建立壩基三維滲流場(chǎng)模型，重點(diǎn)研究防滲帷幕和壩基密集排水孔幕的滲控效果，分析斷層帶范圍內(nèi)防滲帷幕失效或排水孔間距增加條件下的滲控效果，評(píng)價(jià)壩基滲流控制方案的合理性及可靠性。

1 壩基滲流場(chǎng)有限元求解

在水利工程、巖土地下洞室群及高邊坡工程中常涉及滲流場(chǎng)自由面和密集排水孔的模擬問(wèn)題，其精細(xì)高效求解是復(fù)雜滲流場(chǎng)分析的關(guān)鍵所在。長(zhǎng)江科學(xué)院、國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心在以往研究成果的基礎(chǔ)上，聯(lián)合開(kāi)發(fā)的大型滲流分析軟件SFA1.0版(Seepage Filed Analysis, Version 1.0)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性的研究，其中基于節(jié)點(diǎn)虛流量法[1-3]的SSC-3D(Saturated Seepage Comprehensive analysis 3D)模塊，能高效求解滲流自由面，并可解決密集排水孔精細(xì)模擬問(wèn)題。本文滲流場(chǎng)的求解就是該模塊的應(yīng)用，相應(yīng)理論不再贅述。另外該大型軟件中的S3D和US3D能很好地解決三維非穩(wěn)定飽和非飽和問(wèn)題。軟件主要功能除了實(shí)現(xiàn)滲流計(jì)算外，還具有前后處理的可視化功能，同時(shí)也可方便快捷地調(diào)用常見(jiàn)商業(yè)軟件。

2 壩基滲流場(chǎng)滲控效果及分析

2.1 工程地質(zhì)及壩基滲控布置

緬甸伊江上游某水電站工程混凝土重力壩壩高206 m，從左至右依次為左岸非溢流壩段、河床溢流壩段、右岸非溢流壩段、廠房進(jìn)水口壩段和連接壩段，壩軸線總長(zhǎng)1 323 m，最大順流向長(zhǎng)185 m，正常蓄水位400 m，校核洪水位405.27 m，總庫(kù)容19.1億m3，電站總裝機(jī)3 400 MW。

圖1 左岸地質(zhì)及滲控剖面展示圖

大壩基巖主要由變質(zhì)巖組成，局部分布有后期巖漿巖侵入體，壩址區(qū)變質(zhì)巖以斑狀變晶花崗片麻巖、云英片巖、花崗片麻巖為主。左壩肩發(fā)育有斷層構(gòu)造巖，其中F41，F(xiàn)42斷層規(guī)模較大，順河向沿左岸近河床及河床左側(cè)呈NNE向展布，長(zhǎng)度大于15 km?；鶐r大部分部位裂隙發(fā)育密度較稀，一般以陡傾角裂隙為主(圖1)。壩基防滲及排水滲控布置見(jiàn)圖1、圖2。壩基滲控工程方案采用豎直灌漿帷幕及幕后排水幕方案；壩基主帷幕后為主排水幕，孔深為主帷幕第1排孔深的1/2～2/3，間距2.0 m，壩基四周封閉帷幕內(nèi)側(cè)為封閉排水孔幕，壩基內(nèi)網(wǎng)格狀布置的為輔助排水孔幕，封閉和輔助排水孔深為35 m，孔間距3 m；孔徑統(tǒng)一為0.11 m。壩基主帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)為灌后巖體透水率q≤1 Lu；封閉帷幕及兩端山體部分為灌后巖體透水率q≤3 Lu。左岸F41，F(xiàn)42斷層帶最大灌漿深度120.5 m。

圖2 壩基滲控工程平面布置圖

為滿(mǎn)足防滲要求，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，除了布置防滲帷幕和排水孔幕，還對(duì)壩基淺表層進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理。斷層帶(F41和F42斷層影響帶)滲透性按圖1所示呂榮線分區(qū)，滲透系數(shù)為1.4×10-5～1.4×10-4cm/s。各滲透分區(qū)內(nèi)按各向同性考慮，砂卵石1.0×10-1cm/s，黏土夾碎石1.2×10-4cm/s，表層花崗巖5.0×10-4cm/s，弱風(fēng)化帶5.0×10-5cm/s，防滲帷幕1.4×10-5cm/s，混凝土墊層1.0×10-9cm/s。

2.2 模型的建立及方案確定

計(jì)算模型的原點(diǎn)在平面上的投影點(diǎn)為平面布置圖2中第25、第26號(hào)壩段壩踵交界點(diǎn)，交界線順河向指向下游為y軸正向，x軸與y軸垂直，指向右岸為正向。z軸垂直于xoy平面，正向豎直向上，原點(diǎn)在工程零高程面上。計(jì)算域的平面范圍參照上面坐標(biāo)系，即-810 m≤x≤550 m，-250 m≤y≤450 m，模型深達(dá)高程-290 m的水平面，離壩建基面約510 m，約為最大壩高的2.5倍。

圖3 整體有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖4 壩基主、封閉及輔助排水孔網(wǎng)格

根據(jù)地質(zhì)資料和計(jì)算需要建立有限元離散模型。圖3、圖4為有限元計(jì)算網(wǎng)格。為便于網(wǎng)格剖分，將防滲帷幕四排帷幕厚度等效取值為3.5 m，雙排帷幕厚度取為2.5 m，單排帷幕取1.5 m，防滲帷幕的幾何形狀單獨(dú)用帷幕單元材料種類(lèi)劃分出來(lái)，賦予滲透各向同性的滲透系數(shù)；壩基排水孔按空間布置及其實(shí)際尺寸剖分成排水孔網(wǎng)格；不考慮固結(jié)灌漿作用。整體網(wǎng)格經(jīng)2次剖分后，單元總數(shù)為107 348，節(jié)點(diǎn)數(shù)為116 382。左岸將山體常年地下水位觀測(cè)線462 m按定水頭邊界處理，右岸山體以分水嶺為界按不透水邊界處理，正常蓄水位400 m，下游水位為正常尾水位247.81 m。

為分析不同方案條件下壩基滲控措施效果，共設(shè)3個(gè)方案。方案1系正常設(shè)計(jì)條件，為滲控效果對(duì)比的基本方案；方案2在基本方案基礎(chǔ)上假設(shè)斷層帶內(nèi)防滲帷幕失效；方案3則在方案1基礎(chǔ)上將壩基所有排水孔間距擴(kuò)大至2倍，相當(dāng)于排水孔幕發(fā)生隔孔失效。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 基本方案滲控效果分析

方案1中，壩基不同剖面水頭等值線分布見(jiàn)圖5，整個(gè)滲流場(chǎng)的水頭等值線分布規(guī)律合理，等值線形態(tài)、走向和密集程度都較正確地反映了相應(yīng)位置處的滲控措施特點(diǎn)、巖體滲流特性和邊界條件。由圖5(a)可看出，壩基主防滲帷幕和排水孔幕上游等直線分布密集，下游至輔助排水孔幕范圍內(nèi)水頭變化很小，滲流場(chǎng)處于防滲帷幕和排水幕的有效控制之下。

由圖5(b)可知靠近壩基排水孔附近水頭等值線分布密集，河床壩段壩基較大范圍內(nèi)(河床建基面高程220 m)水頭值在230 m以?xún)?nèi)，表明該區(qū)域在防滲帷幕和主、副排水孔作用下，壓力水頭得到明顯消減。

圖5 方案1壩基不同剖面水頭等值線

左岸山體側(cè)水位較高，地下水對(duì)左岸壩肩滲流場(chǎng)有明顯的補(bǔ)給作用(圖5(c))，但由于壩基封閉帷幕和輔助排水孔等滲控措施的聯(lián)合作用，使壩基范圍內(nèi)壓力水頭得到有效控制。

圖6 方案1斷層F41與主帷幕相交處(x=-166 m)建基面(z=240 m)揚(yáng)壓力水頭分布

根據(jù)各典型剖面壓力折減系數(shù)分析可知，在最大壩高壩段折減系數(shù)約為0.11，滿(mǎn)足規(guī)范要求[4]；在較為關(guān)鍵的斷層帶上，揚(yáng)壓力水頭分布可知(圖6)，經(jīng)過(guò)主排水作用后的揚(yáng)壓力水頭僅有5.2 m，揚(yáng)壓力折減系數(shù)約為0.05。

綜上分析，在復(fù)雜地質(zhì)條件和綜合滲控措施的壩基范圍內(nèi)，本方案壩基滲流場(chǎng)水頭分布基本上體現(xiàn)了壩基地層、滲控措施、斷層等對(duì)滲流場(chǎng)的影響，關(guān)鍵部位揚(yáng)壓力折減系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，表明滲控措施設(shè)計(jì)是合理有效的。

2.3.2 斷層帶上防滲帷幕失效方案分析

方案2假設(shè)防滲帷幕在與斷層相交處失效。

本方案各剖面水頭等值線分布規(guī)律和方案1基本類(lèi)似，限于篇幅不再全部列出。比較發(fā)現(xiàn)在左岸上游主防滲排水帶與斷層帶相交處的等水頭分布線密度(圖7)略疏于方案1相應(yīng)部位(圖5(c))，但下游等勢(shì)線分布略顯密集。這表明由于該處的防滲帷幕失效，該局部區(qū)域從強(qiáng)阻滲區(qū)轉(zhuǎn)而變成強(qiáng)滲透區(qū)，導(dǎo)致主帷幕下游的排水孔排水量大增，也影響到周?chē)植繚B流場(chǎng)的分布。

圖7 方案2 z=215.0 m高程水頭等值線

盡管本方案主防滲帷幕與斷層帶相交處失效，但壩基滲流場(chǎng)分布與方案1相比并沒(méi)有顯著變化，特別是斷層帶上的揚(yáng)壓力折減系數(shù)與方案1基本接近，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求值。

2.3.3 排水孔間距擴(kuò)大條件下滲控效果分析

方案2是在方案1基礎(chǔ)上，假定壩基排水幕中的排水孔隔孔失效，分析孔間距對(duì)滲控效果的影響。

結(jié)果顯示各典型剖面水頭等值線與方案1基本類(lèi)似，限于篇幅不再列出。由分析各典型剖面水頭等值線分布可知，排水孔間距變化對(duì)壩基封閉防滲區(qū)域內(nèi)的滲流場(chǎng)影響較小，但壩踵和壩趾部位揚(yáng)壓力略有增加。不過(guò)，壩基排水孔幕排水降壓能力依然強(qiáng)大，揚(yáng)壓力折減系數(shù)也滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

2.3.4 不同滲控措施條件下的滲流量分析

除了滲流場(chǎng)水頭分布，滲流量[5]也能反映不同滲控措施的滲控效果，本次主要分析左右岸壩基在不同方案條件下的滲流量，見(jiàn)表1。

方案1和方案3壩基滲流量差別甚微，但方案2左岸壩基滲流量基本是方案1的2倍，這表明左岸壩基防滲帷幕與斷層帶相交處失效，使得左岸滲流量大增，但對(duì)右岸基本無(wú)影響。壩基排水孔間距擴(kuò)大1倍，壩基滲流場(chǎng)基本無(wú)變化，也表明方案2壩基排水孔幕的排水降壓能力并未降低[6]。

表1 壩基不同方案滲流量

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 經(jīng)壩基三維滲流場(chǎng)分析可知，壩基滲流控制措施的效果顯著，基本滲控設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

(2) 主防滲帷幕在斷層帶相交處失效，壩基滲流量增加而滲流場(chǎng)水頭分布并無(wú)顯著變化；但由于斷層帶的滲透性較強(qiáng)，排水孔作為滲透水流出口，需要采取適當(dāng)?shù)姆礊V保護(hù)措施，以防止壩基巖體，尤其是斷層帶發(fā)生滲透破壞。葛洲壩壩基排水孔采用的泡沫過(guò)濾體，其效果經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期運(yùn)行的檢驗(yàn)，也便于檢測(cè)和更換，可為本工程所借鑒，但需針對(duì)斷層帶的物質(zhì)條件研究選用合適的反濾材料。

(3) 壩基排水孔間距擴(kuò)大為設(shè)計(jì)值的2倍，壩基滲流量及揚(yáng)壓力分布與基本方案基本一致，實(shí)際工程中，可對(duì)排水孔幕做適當(dāng)優(yōu)化或調(diào)整。

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