摘要：黄登水电站为200米级高碾压混凝土重力坝，如何减少坝基渗漏量，降低坝基的扬压力，增强坝基的抗滑稳定性，是大坝设计的关键技术问题之一。本文采用三维有限单元法，对坝基渗流场进行分析计算，模拟渗控措施，研究了坝基的主要渗流特性和渗控措施的作用。分析结果验证了渗控设计方案的重要性，并依此进行了黄登水电站坝基防渗帷幕、排水设计方案的设计，监测结果表明该设计方案能满足大坝渗控需求。
关键词：碾压混凝土重力坝；坝基；渗控设计；三维渗流场；渗流特性
1、工程概况
黄登水电站位于云南省兰坪县境内的澜沧江上游河段，装机容量1900MW，为一等大（1）型水电站。枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统组成，拦河坝为碾压混凝土重力坝，电站正常蓄水位为1619.00m，共分为20个坝段，最大坝高203m，坝顶长度464m。
枢纽区基岩主要为变质玄武岩、变质火山角砾岩、变质火山细砾岩夹变质凝灰岩，总体上均属贫水岩层，基岩体透水性主要取决于节理裂隙等结构面的发育程度、性状及其连通状况。枢纽区弱风化岩体渗透性以中等透水～弱透水为主，微风化～新鲜岩体渗透性以弱透水～微透水为主。坝线两岸微透水岩体顶界埋深均大于地下水位埋深。为减少坝基渗漏，降低坝基扬压力，增强坝基的抗滑稳定性，须在坝基内进行帷幕灌浆防渗处理，并在坝基设排水孔。坝体和坝基渗水通过坝基纵横向廊道内的排水沟汇集至大坝集水井后集中抽排至下游。
2、坝基渗流特性分析
2.1计算模型
为研究坝体坝基总体渗流场及渗透稳定性，对初拟渗控方案进行评价和优化，进行坝基渗流场分析和渗控措施分析研究。采用有限元法模拟渗流场，把裂隙岩体等渗透介质按等效连续各向异性介质来进行处理,对整个区域进行有限元离散，有限元方程为：
.png)
式中： 即为一般的总体传导矩阵和等效节点流量；
为水头；
为由初流量引起的等效节点流量。
对于渗控措施中排水孔的模拟，在分析计算采用一种解析法和有限元相结合的近似方法，将排水孔的作用效应，以排水孔的空间位置、走向及其边界性质的有关几何参量加以描述。从而使得对排水孔作用的模拟既有相当高的精度，又具有适应各种变化的高度灵活性。为此，首先研究单个排水孔作用的准解析表达式，然后应用干扰井群的叠加原理，推广到一个单元体内含多个排水孔的情况。将得到的排水孔准解析式与有限元进行耦合分析，应用于渗流控制有限元分析中。
研究区域坝基深度取至高程1000m处，上游位于坝轴线上游780m，下游位于坝轴线下游约1000m处，左岸超出尾水调压室以左370m，右岸超出2#导流洞约420m。主要模拟了左右岸小于1Lu的微新岩体、1Lu～10Lu、10Lu～100Lu、100Lu以上岩体及河道冲积层。研究区域的河道水位1472.5m，上下游边界为不透水边界，左、右岸切取边界水位根据已知钻孔地下水位埋深外延拟合而得。
在反演的天然三维渗流场上建坝，并模拟相关渗控措施。上下游边界为不透水边界。上游库水位以正常蓄水位1619m为已知水头边界，下游水位为1479.3m(正常尾水位)为已知水头边界，上下游水位以上地表视为可能渗出边界。材料分区模拟主要包括四个地层渗透分带、防渗帷幕及重力坝混凝土分区；模拟的主要渗控措施包括：上游主、副帷幕，下游帷幕，基础廊道及排水孔幕，检查廊道及坝体竖向排水管幕。
2.2渗控成果分析
2.2.1渗流场分析
切取多个剖面对初拟渗控方案整个区域的渗流控制效果进行反映，分析结果表明坝体内部竖向排水管及检查廊道的渗控效果非常明显，显著降低了坝体内的水位，整个坝体的绝大部分能够处于较干燥状态。
左岸挡水坝段上游副帷幕统计平均渗透坡降约为9.8～11.3，上游主帷幕统计平均渗透坡降约为2.7～10.2，下游帷幕的统计平均渗透坡降约为0.4～2.1，固结灌浆的统计平均渗透坡降约为1.3～3.0。
溢流坝段上游主、副帷幕的渗透坡降均明显大于左岸挡水坝段，上游主帷幕统计平均渗透坡降约为11.8～18.8，副帷幕的平均渗透坡降约为16.0～20.5。下游帷幕的统计平均渗透坡降约为2.3～4.3。水垫塘底板的平均渗透坡降约为2.6～3.8。
右岸挡水坝段上游主、副帷幕的渗透坡降略低于溢流坝段的上游主、副帷幕的渗透坡降，但是高于左岸挡水坝段的主、副帷幕的渗透坡降。右岸挡水坝段上游主帷幕的统计平均渗透坡降为5.5～17.6，副帷幕的统计平均渗透坡降为13.5～18.9，固结灌浆的统计平均渗透坡降为0.7～1.3。水垫塘坡脚处渗透坡降局部达到8.8。
2.2.2坝基扬压力分布
坝基防渗帷幕与排水孔幕的渗控效果十分显著，其中，上游主帷幕、副帷幕及上游排水孔幕的渗控效果尤为明显，显著地消减了坝基扬压力。左岸坝段建基面为前低后高形，由于坝基下游抬高较高，坝基下游扬压力甚至为0，右岸挡水坝段扬压力均在15m以内，溢流坝段下游水深约40m，坝基下游扬压力也较大，一般在40m以内，上、下游帷幕之间坝基扬压力在15m以内。主排水孔处坝基扬压力折减系数左岸岸坡坝段为0～0.05，河床坝段为0.11～0.13，右岸岸坡坝段为0.19～0.27。
2.2.3坝基主防渗帷幕深度对渗流场的影响
为分析主帷幕深度对渗流场的影响，进行了上游主帷幕加深25m方案的渗流场分析，分析表明主帷幕加深25m会使得坝体内水位略有降低，溢流坝段最大降幅为10m。上游帷幕深度的变化对坝基扬压力的分布影响较小，对防渗帷幕的渗透坡降影响也较小，原设计方案主帷幕的平均渗透坡降为11.802，帷幕加深后为11.047。主帷幕加深后渗流总量约2390m3/d，其中抽排流量约1909m3/d、自排流量约481m3/d比原方案略小。
2.2.4两岸帷幕长度对渗流场影响分析
由于两岸1Lu较深，为分析两岸帷幕延伸长度对渗流场的影响，进行了将两岸防渗帷幕长度延长至封闭1Lu分界线方案分析。分析结果表明，左岸帷幕的长度变化对渗流场分布影响非常小，延长段附近剖面地下水位略有降低，降幅仅3.2m，对渗流场几乎没有影响，渗流量较原方案约小49m3/d。虽然右岸帷幕长度延长后对渗流场的影响较左岸延长方案较大，但影响也是十分有限的，延长段附近地下水位降低14.1m，坝体内渗流场几乎没有影响，渗流量较原方案约小159m3/d。
2.2.5排水孔幕间距对渗流场的影响
为分析排水孔幕间距的合理性，进行了排水孔孔距对渗流场的影响分析，原方案排水孔间距为3m，排水孔间距优化为4.5m和6m后，坝内水位抬高5m～18m，坝基扬压力增大，但基本在20m～30m范围内。
2.2.6排水孔幕失效分析
对比分析了排水孔幕失效30%和50%对渗流场的影响。计算成果表明，排水幕失效会对渗流场分布产生重要影响，尤其是对上下排水幕之间区域的坝体内水位产生较大影响，主排水幕处水位变化详见表1。
表1排水幕失效：各方案典型坝段主排水幕附近坝内水位高程
.png)
.png)
排水孔幕失效后，坝基扬压力明显增大，以溢流坝段5剖面为例，设计方案上游主帷幕处扬压力折减系数为0.11，排水孔幕失效30%后，扬压力折减系数为0.165，而上下排水幕之间区域扬压力设计方案均为0，扬压力很小，排水孔幕失效30%后，这一区域的扬压力在5.0m～18.0m。计算成果表明排水幕失效后坝基的排渗流量明显减少，排水幕失效30%和50%时，渗漏量分别减少33%和51%。因此，需严格控制排水孔的施工时序和质量，并布置一定的监测，电站运行期间，如遇排渗流量有较明显的减少时，需进行排水孔扫孔，以确保排水系统的有效发挥，达到对坝体坝基的渗流控制目标。
3、坝基渗控系统设计
3.1坝基防渗帷幕
大坝坝基防渗系统包括上游帷幕、下游帷幕。根据《混凝土重力坝设计规范》的有关规定，上游主帷幕的底线按深入1Lu线以下5m及0.3倍正常水位水深进行双控制，帷幕中心线方向平行坝轴线，位于大坝轴线上游侧，沿基础廊道布置，根据地形地质条件，左岸帷幕轴线过转折坝段后向下游偏转至横河向方向，由于1Lu线埋深较大，分别在左岸布置3条灌浆洞，右岸布置2条灌浆洞，帷幕主要在基础廊道和灌浆平洞内完成。坝高大于70m的坝段即4#～19#坝段上游设双排帷幕，副帷幕孔深为主帷幕孔深的0.6倍，孔距2m，排距1.5m，与第一排防渗帷幕错开布置，其余坝段上游设单排帷幕。河床坝段帷幕底高程1352m，最大孔深70m；主帷幕两岸坝头部位按延伸到正常蓄水位与地下水位相交附近处控制；两岸灌浆洞高差74m左右，左岸最底层灌浆洞高程1479m，灌浆孔最深约100m，右岸岸坡坝段灌浆孔最深约90m。灌浆洞内衔接帷幕设置两排，孔深10m。
由于下游水位较高，校核洪水位1496.47m，因此在建基面低于1500m高程以下的坝段即7#～16#坝段下游设单排帷幕，下游副帷幕主要在下游帷幕廊道内施工完成，廊道布置结合坝基开挖体型并充分考虑与上游廊道的合理连接。下游帷幕的底线按下游校核水深的0.5倍控制及帷幕孔深不小于25m进行双控制，孔距2m。下游帷幕通过6#及16#横缝处横向廊道与主帷幕连接封闭，16#横缝处建基面高程1515m，帷幕孔适当加深。
3.2坝基排水
大坝基础采用抽排方案；水垫塘采用护坡不护底形式，边坡衬砌混凝土采用明排水方案，即4台机发电水位以上的水垫塘边坡布置明排水孔，以下为实体混凝土。
.png)
图1基础廊道布置平面图
.png)
图2上游帷幕中心线展示简图
大坝共布置4排纵向排水廊道，包括上游帷幕廊道中的主排水幕、第一、第二纵向排水廊道中的副排水幕及下游帷幕廊道内的副排水孔幕，集水井设置在第一、第二纵向排水廊道之间。主排水幕布置在主帷幕后，在坝基帷幕灌浆廊道内靠下游侧倾向下游15°打设，孔深为主帷幕的0.5倍，孔距3m；第二排、第三排排水幕布置在大坝基础纵向排水廊道内，排距约40m~48m，孔距3m，孔深12m，垂直打设；第四排为大坝下游侧排水，布置在坝趾附近，与下游副帷幕共用一条廊道倾向上游15°打设，孔距3m，孔深12m。
由于坝基开挖比较复杂，横向排水廊道的布置也相对复杂(即每约50m布置一条横向排水廊道，但是仅有河中的一条横向排水廊道能够上下游贯通，其余只能做到相邻纵向廊道的连通)，坝基纵向排水廊道间共设有约7条横向排水廊道，将纵向排水廊道连通。横向廊道内排水孔间距4.5m，深12m，垂直打设。
排水孔孔径均为150mm。坝基渗水经各排水廊道集中汇至大坝渗漏集水井，经抽排系统排至下游。大坝集水井布置在第一、第二纵向排水廊道之间，11#坝段中间，尺寸12m×6m×7m(长×宽×深)。
基础廊道布置平面见图1，上游帷幕中心线展示见图2。
4、渗流监测
4.1坝基
在2#、4#、6#、8#、11#、12#、14#、17#、19#坝段坝基共埋设有32支渗压计（已损坏2支，测值失真1支）进行坝基渗压力监测，典型测点渗透压力时间～曲线见图：
.png)
图4.1-1坝基渗压计渗透压力特征值曲线
黄登水电站坝基1422m，截止2018年10月31日坝前水位1618.05m，高差196.05m；下游水位1476.29m。监测成果表明：
坝踵帷幕前及坝趾帷幕后渗压计测值较全水头略有衰减；坝踵帷幕后渗压计P-02测值11#、12#坝段衰减至0.12倍水头，14#坝段衰减至0.29倍水头；上述分布符合坝基扬压力分布一般规律且满足设计对扬压力的折减系数河床坝段主排水孔幕处扬压力的折减系数α＝0.2～0.3，岸坡坝段α＝0.3～0.4。
为监测坝基扬压力变化情况，在大坝布置39个测压管，选取典型测点，其扬压力变化如下图。
.png)
图4.1-2典型坝段测压管水压力～坝前水位～时间曲线
监测结果表明：
（1）A04-UP-01、A08-UP-01测点扬压力随蓄水至正常蓄水位以来趋于平稳或略有下降，当前折减系数均为0.43，略高于设计允许范围0.3～0.4。
（2）其他测点扬压力折减系数均在设计范围内且扬压力随蓄水至正常蓄水位以来趋于平稳。
4.2坝体
在8#坝段1500m、1550m高程；11#坝段1500m、1552.1m高程；14#坝段1500m、1540m高程距上游坝面1m、5m、11m及11#坝段1450m高程距上游坝面1m、7m、19m分别布置1支渗压计监测混凝土施工缝上的层间渗水压力。
.png)
图6.2-6典型测点渗透压力～时间曲线
.png)
图6.2-7坝体渗压计渗透压力特征值分布曲线
成果表明：11#坝段1450m高程距上游面1m位置埋设的A11-P-06测点大坝蓄水后产生一定水压力，当前测值为51.8m，2018年6月下旬以来测值趋于平稳，同高程埋设的距上游面5m（A11-P-07）及11m（A11-P-08）当前处于无水压状态；其他测点均处于无水压状态。
4.3渗流量
截止2018年10月31日，黄登水电站大坝渗漏总量为8.57升/秒。各测点监测数据如下表：
表4.3-1黄登水电站大坝渗漏量观测成果
.png)
.png)
5、结论
对于黄登水电站坝基渗流的控制，通过三维渗流场有限元计算，建立相关渗控措施，结合监测成果分析，基本结论如下：
（1）坝体内部竖向排水管及检查廊道的渗控效果非常明显，显著降低了坝体内的水位。
（2）坝基防渗帷幕与排水孔幕的渗控效果十分显著，坝踵帷幕前及坝趾帷幕后渗压计测值较全水头略有衰减；坝踵帷幕后渗压计P-02测值11#、12#坝段衰减至0.12倍水头，14#坝段衰减至0.29倍水头。
（3）坝基扬压力分布正常，扬压力的折减的数值基本小于大坝稳定分析对扬压力的折减系数的取值，保证了大坝抗滑稳定安全。
（4）当前黄登大坝总渗漏量为8.57升/秒，为相对较小值，不到可研数值计算渗漏量29.0L/s的1/3。大坝集水井布置于11#坝段中间，集水井上方布置3台型号为16DMCN*4长轴深井泵，3台泵额定抽水能力39600m3/d，即可保证大坝运行安全。
综上所述，所建立三维模型的计算结果基本可靠，本工程坝基渗控措施方案基本合适，总体渗漏量不大，坝基扬压力折减系数均满足规范要求，且有一定的裕度，能满足大坝渗控要求。
参考文献
[1]戈莉琼等.黄登水电站可行性研究报告(审定稿)[R].中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2013
[2]詹美礼等.黄登水电站混凝土重力坝三维渗流场分析及渗控措施研究[R].河海大学，2010
作者简介
李艳伟（19xx-）男，研究生，高级工程师，主要从事水工设计工作。
论文作者:李艳伟1,李相志2,陈衍2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/11
标签：坝基论文; 帷幕论文; 廊道论文; 下游论文; 压力论文; 大坝论文; 水位论文; 《基层建设》2019年第29期论文;