祖夢琦，付茂朋

（中國水利水電建設(shè)工程咨詢渤海有限公司，天津 300222）

BBN 水電站位于新疆和田地區(qū)喀拉喀什河上，為引水式電站，由攔河壩、泄水建筑物和發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程，攔河壩、泄洪沖沙建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)及廠房為3級建筑物；水庫正常蓄水位1 855.0 m，設(shè)計洪水位1 856.215 m，校核洪水位1 858.089 m，總庫容398.65萬m3，電站裝機容量150 MW[1]。

工程擋水建筑物采用混合壩型，攔河壩總長為450.2 m，從左岸至右岸依次由混凝土重力擋水壩段、溢流壩段、泄洪沖沙底孔段、混凝土重力擋水壩段、連接壩段和混凝土面板砂礫石壩組成，最大壩高為29.0 m，壩頂高程為1 859.00 m。

其中，攔河壩的混凝土面板砂礫石壩段長375 m，最大壩高為15 m，上游壩坡1∶1.5，下游壩坡1∶1.6，上游設(shè)0.3 m 厚混凝土面板，下游壩坡設(shè)0.3 m 厚的干砌石護坡。大壩防滲體由防滲鋪蓋、復(fù)合土工膜防滲、混凝土趾板、混凝土面板及接縫止水組成；防滲鋪蓋水平長70.00 m，采用復(fù)合土工膜水平鋪蓋防滲，左右兩岸土工膜跟巖石連接，下游與趾板水平連接，上游與砂礫石溝槽連接。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為混凝土面板、墊層區(qū)、砂礫料區(qū)、下游棄渣壓重區(qū)，其中墊層區(qū)水平寬度3 m，滲透系數(shù)控制在10-3～10-4cm/s；砂礫料區(qū)采用料場砂礫料，滲透系數(shù)平均為5.3×10-3cm/s；下游棄渣壓重區(qū)水平長40 m，頂高程為1 850.00 m，滲透系數(shù)平均為1×10-3cm/s。

為分析大壩在各水位條件下的滲流狀態(tài)，采用有限元法對大壩典型斷面進行滲流計算分析；并通過與滲流監(jiān)測資料分析成果進行對比分析和驗證，評價混凝土面板砂礫石壩的滲流安全性態(tài)。

1 砂礫石壩壩基地質(zhì)概況

混凝土面板砂礫石壩段設(shè)計建基面高程大多為1 844 m，壩樁號0+250 以右抬高至1 849～1 850 m，基本按設(shè)計要求進行開挖，雖略有抬高或降低，但總體變化不大。

壩基巖（土）體在壩樁號0+137.4 以左為云母石英片巖，以右為沖積砂卵礫石層。

強風(fēng)化狀巖體厚約1.5 m，結(jié)構(gòu)較為疏松，其下弱風(fēng)化巖體片理結(jié)合緊密，壩基未發(fā)現(xiàn)不利大壩抗滑穩(wěn)定的緩傾角結(jié)構(gòu)面；壩基巖體透水率≤5 Lu，界限埋深在基巖面以下25～30 m。

沖積砂卵礫石層厚12.0～37.5 m，無砂層、淤泥等不良土層分布，結(jié)構(gòu)較密實。沖積砂卵礫石層物理力學(xué)指標地質(zhì)建議值如下[2]：天然干密度為2.20 g/cm3；比重為2.73；抗剪強度凝聚力為0，內(nèi)摩擦角為38.5°；承載力為450 kPa；滲透系數(shù)為1.75×10-2cm/s；允許滲透比降為0.1。

2 壩基滲流控制措施

混凝土面板砂礫石壩壩基防滲處理型式采用復(fù)合土工膜水平鋪蓋防滲，鋪蓋長70 m；為了形成完整的水平防滲系統(tǒng)，左、右兩岸土工膜跟巖石連接；膜的下游與趾板水平連接，上游與砂礫石溝槽連接。

混凝土面板砂礫石壩趾板型式采用水平趾板，趾板寬4 m、厚0.5 m，混凝土標號為C25W8F200。混凝土面板砂礫石壩混凝土面板厚0.3 m，混凝土標號為C25W8F200。

壩殼基礎(chǔ)清除古河槽表層覆蓋2～5 m 人工堆積卵礫及石碴料，并挖除砂卵礫石層表層1.0 m，使趾板坐在密實的砂礫石層上。

3 混凝土面板壩滲流計算分析

BBN 水電站水庫大壩建成以來維持了正常蓄水位，為分析大壩在高水位下的滲流狀態(tài)，并與監(jiān)測資料分析成果進行對比分析和驗證，采用有限元法對正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位工況下的壩體進行滲流計算分析。

計算采用GEO-SLOPE 公司的GeoStudio巖土軟件中的滲流分析SEEP/W 模塊進行分析計算。GeoStudio 軟件由加拿大GEO-SLOPE 國際有限公司開發(fā)[3]，是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和環(huán)境巖土模擬計算的整體分析工具。該軟件功能齊全、操作簡便并具有交互式可視化界面，所有模塊可以整合在同一環(huán)境下運行，幾何模型可以在所有模塊中共享，統(tǒng)一格式的分析數(shù)據(jù)可以對同一問題進行不同要求的多種結(jié)果分析；無限制的網(wǎng)格劃分功能，模型區(qū)域改變時有限元網(wǎng)格自動更新，網(wǎng)格密度可隨意調(diào)節(jié)。

SEEP/W 模塊可在考慮完全飽和或非飽和土體在各種工況下的滲流問題，對水流過壩體和壩基的物理過程進行數(shù)學(xué)模擬。

3.1 計算斷面及初始計算參數(shù)選取

選取最大壩高的壩樁號0+185斷面作為計算典型斷面，最大壩高為15 m，根據(jù)壩基、壩體分區(qū)及材料性質(zhì)，計算模型由壩基砂礫料、壩殼砂礫料、混凝土面板和土工膜四部分組成，計算斷面示意如圖1所示。計算斷面的滲透系數(shù)等計算參數(shù)，詳見表1。

圖1 大壩樁號0+185斷面滲流計算簡圖

表1 大壩樁號0+185斷面計算參數(shù) cm/s

由于壩基相對不透水層很深，壩基計算深度取40 m，大于2倍最大壩高；上游壩坡腳外延長度50 m，下游外延長度40 m，均大于2倍最大壩高；滲流幾何模型的確定滿足相關(guān)規(guī)范[4]要求。

3.2 計算工況及計算結(jié)果

根據(jù)水庫運行管理情況，選取正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位3 個工況進行計算，具體參數(shù)詳見表2。

表2 大壩樁號0+185斷面計算工況 m

本工程壩型為混凝土面板砂礫石壩，混凝土面板和土工膜組成的防滲體可視為不透水材料，庫水位降落時對壩體滲流場影響較小，因此滲流計算水位組合未考慮庫水位降落工況，其余工況選取滿足相關(guān)規(guī)范[4]要求。

壩體滲流計算結(jié)果，如圖2—4所示。

圖2 正常蓄水位工況滲流計算成果

圖3 設(shè)計洪水位工況滲流計算成果

圖4 校核洪水位工況滲流計算成果

3.3 滲流安全分析

通過模型計算模擬大壩在庫水位1 855.00～1 858.089 m時的壩體及壩基滲流狀態(tài)，可以看出由于土工膜、混凝土趾板和混凝土面板組成的防滲體的滲透系數(shù)很小，具有很強的不透水性，浸潤線在經(jīng)過防滲體后迅速降落，說明大壩防滲體整體防滲效果較好。

計算斷面的關(guān)鍵部位在各工況下的滲透比降，詳見表3。根據(jù)計算結(jié)果，大壩樁號0+185 斷面在庫水位1 855.00～1 858.089 m 下，壩基和下游壩腳處平均水平坡降在0.100～0.124，砂卵礫石層的允許滲透比降為0.1，考慮到設(shè)計洪水位和校核洪水位為短時作用工況且壩坡下游設(shè)有頂寬為2.0 m 的排水棱體作為反濾設(shè)施，水流經(jīng)過反濾設(shè)施后會快速消散，故認為大壩壩坡和壩基的滲流安全是有保證的。

表3 大壩樁號0+185斷面滲透坡降分布情況

4 滲流監(jiān)測資料分析

混凝土面板壩壩體滲流監(jiān)測儀器主要設(shè)置在大壩樁號0+96.8、0+200、0+280、0+350、0+372 斷面，共計17支振弦式滲壓計[5]。本次選取與計算斷面相近的大壩樁號0+200 斷面作為參證斷面，對比分析滲流計算結(jié)果并評價壩體的滲流安全性。

大壩樁號0+200 斷面設(shè)有5 支滲壓計，斷面滲流監(jiān)測剖面如圖5所示。

圖5 大壩樁號0+200斷面滲流監(jiān)測剖面

根據(jù)安全監(jiān)測資料分析成果可知，P19 測點測值不穩(wěn)定，P20 測點失效，P22 測點測值高于上游P21測點，推測滲壓計測值錯誤，因此對P21、23測點測值進行擬合分析，其中P21、23測點最大測值均出現(xiàn)于2018年3月4日，分別為1 848.122、1 847.08 m，計算水平坡降為0.032 1，遠小于計算平均水力坡降和壩基允許滲透比降，說明壩體滲流穩(wěn)定處于安全狀態(tài)。

經(jīng)分析，認為滲流計算結(jié)果與監(jiān)測資料分析成果的差異為壩體防滲體滲流參數(shù)及壩基巖土滲流參數(shù)選擇與實際差異所致?？紤]滲流安全監(jiān)測資料系列較短且部分儀器失效，建議后續(xù)根據(jù)補設(shè)、校正觀測點和延長觀測年限，通過勘探修正計算參數(shù)后進一步復(fù)核滲流穩(wěn)定計算。

5 結(jié)論

本次分析利用成熟的有限元滲流計算軟件對BBN 水電站混凝土面板砂礫石壩進行二維滲流計算，結(jié)合計算斷面的滲流監(jiān)測資料分析成果進行對比分析，從理論計算與實際監(jiān)測成果2 個方面綜合評價大壩的滲流安全性態(tài)，經(jīng)分析得出以下結(jié)論。

（1）浸潤線經(jīng)過防滲體后迅速降落，大壩防滲體整體防滲效果較好。

（2）壩基計算平均水平坡降略大于壩基允許滲透比降，考慮計算工況和下游設(shè)有反濾設(shè)施，壩體滲流基本安全；滲流監(jiān)測實測壩體浸潤線與計算結(jié)果相近，壩基平均水平坡降遠小于計算值和壩基允許滲透比降，壩體實測滲流穩(wěn)定處于安全狀態(tài)。

（3）計算結(jié)果與實測成果相差較大，主要為巖土參數(shù)取值與實際差異所致，后續(xù)宜延長觀測年限、進行勘探修正計算參數(shù)后進一步復(fù)核滲流穩(wěn)定計算。

（4）以上分析可對類似混凝土面板砂礫石壩設(shè)計和安全評價中的滲流穩(wěn)定計算和復(fù)核分析提供一定的參考。