焦晓帆

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局 陕西 咸阳 712000）

对于建于基岩上的混凝土坝，坝基的渗流控制是其中一个关键问题，坝基渗流控制不合理往往造成较大的水量渗漏甚至影响大坝安全[1]。混凝土坝体往往设置排水廊道和排水孔来排出多余的渗水，而对于坝基的防渗措施较为复杂。混凝土坝坝基中一般采用上游帷幕作为主要的防渗措施，在帷幕下游侧设置相应的排水孔幕，同时在坝基中再设置若干道排水廊道以及相应的排水孔幕，有的工程还在下游侧设置消力戽并在消力戽中设置小范围帷幕和排水孔幕[2]。在坝基中设置排水孔幕是为了排出渗水量，减小坝基扬压力，保证坝基安全稳定。目前，排水孔的间距一般取为2m～5m[3]，不同的排水孔间距将取得不同的排水减压效果，本文建立渗流计算整体有限元模型，在建立起混凝土坝坝基完整的防渗系统的基础上，分析不同排水孔间距对坝基渗流控制效果的影响，为坝基排水孔间距的设置提供一定的参考。

1 排水孔的模拟方法

在坝基廊道底部或顶部通常布置有密集的排水孔。排水孔孔径一般只有10cm左右，间距也只有2m～6m，但其空间分布却达数百米[4]。排水孔在渗流场中直接将地下水排至渗流域以外，对水头分布的影响极大，往往能对工程的渗流特性及渗控设计起到关键性的控制作用。排水孔的内部边界在渗流场中是可能逸出面，排水孔的渗流行为在算法上可分为两种情况来分析，一种是排水孔穿过渗流自由面，另一种是排水孔不与自由面相交。当穿过自由面时，排水孔内边界面渗流自由面以上的孔段为不透水边界，渗流自由面以下排水孔内水位以上的边界面为逸出面，位于孔内水位以下的边界面为已知水头边界。当排水孔不与自由面相交位于自由面以上时为不透水边界，位于自由面以下时为已知水头边界。本文采用真实模拟排水孔位置而忽略其尺寸效应的方法模拟排水孔的作用，将排水孔作为有限元网格位于一条线上给定水头的若干节点处理，通过多次迭代计算，确定最终需要施加给定水头的节点。这种方法使网格剖分和排水孔边界处理等过于复杂的问题得以解决，在处理数量巨大密集的排水孔时，是一种较简单和方便的方法。这种方法虽然忽略了孔径大小的影响，但在孔径与单元网格间距相对比较小时，可以取得精确的结果[5-6]。

2 渗流场有限元模型

2.1 工程概况

某水电站以发电为主，水库正常蓄水位1906.0m，相应库容2.65亿m3，电站装机容量1280MW。该工程为二等大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，大坝从左岸到右岸分别布置有左岸挡水坝段、左岸泄洪底孔、泄洪表孔、右岸泄洪底孔、右岸挡水坝段。坝顶高程1909.50m，建基面高程1772.00m，最大坝高137.5m。大坝坝顶长度245.00m，坝顶宽度10.0m，坝底最大宽度为99.0m。坝体断面上游面垂直，下游坡比为1：0.72。根据工程的特点，重点对坝基防渗工程措施，概述如下：采用上、下游双排防渗帷幕及排水幕，坝内设排水廊道，通过集水井和抽排措施降压。坝基设两道帷幕，上游一侧帷幕深度要求进入相对不透水层（q＜1Lu）5m。帷幕深度多在50m～115m之间，帷幕最大深度126.4m。防渗帷幕由2排灌浆孔组成，孔间距2m，排间距1.5m；下游侧单排帷幕深度约为30m。基础灌浆排水廊道，高于基岩面3m～5m，帷幕后设主排水幕，排水孔孔深20m～25m，向下游倾斜15°。坝下0+030.50m设第一排水幕，直孔，孔深20m；坝下0+060.50m设第二排水幕，直孔，孔深20m；坝下0+088.00m设下游基础灌浆排水廊道（仅河床泄水坝段），分别在左、右底孔两侧通过挡墙进入左右岸帷幕灌浆洞，形成下游防渗帷幕和排水幕，排水孔向上游倾斜15°，孔深20m。

2.2 有限元模型

根据工程特点建立三维渗流分析模型，分析坝基排水孔间距对坝基渗流场的影响。渗流计算模型向上游取3倍坝高，向下游取4.5倍坝高，坝基取2.3倍坝高。计算模型包含河床覆盖层、强风化层、弱风化层、强卸荷带、弱卸荷带、完整基岩。模型大小为1006 m×900m×694m(长×宽×高)，对排水孔部位进行重点剖分，共剖分48566个结点，左岸基岩单元36795个，右岸基岩单元55783个，卸荷层单元8945个，风化层单元9949个，覆盖层单元1250个。钻孔处为第一类（已知）水头边界，水头为断面上钻孔地下水位，模型最左右两边不处于地下分水岭的面，为第一类（已知）水头边界，水头为已知（预测）水位线高程，模型最左右两边处于地下分水岭的面及其他表面（包括实测浸润面）为第二类（已知流量）边界，通过这些面的渗流量为零。坝体取计算几何模型如图1所示。

图1 防渗系统几何模型

表1 材料计算参数

表2 各工况不同部位渗流量

图2 大坝最大剖面水头等值线（单位：m）

本文采用真实模拟排水孔位置而忽略其尺寸效应的方法模拟排水孔的作用，将排水孔作为有限元网格位于一条线上给定水头的若干节点处理，通过多次迭代计算确定最终需要施加给定水头的节点。通过多次试算，在浸润线以下的排水孔节点施加其相应的位置水头，模拟透水边界。

2.3 计算参数和工况

模型中大坝和帷幕的渗透系数分别取为1×10-10m/s和1×10-8m/s，其它部位的参数均根据实际工程资料反演获得，如表1所示。本文进行排水孔间距为2m、3m、4m三种工况的稳定渗流场计算。

3 结果分析

本文的渗流分析是在正常蓄水位下，防渗帷幕、排水系统正常工作时，考虑不同坝基和消力戽排水孔间距下的稳定渗流场。上游水位为1906m，下游水位为1814.86m。计算坝基排水孔间距为2m和4m工况下，大坝最大剖面水头等值线如图2所示。

工程防渗、排水系统正常运行时，对坝基排水孔、坝体下游消力戽排水孔不同间距情况下的稳定渗流场进行比较。由子工况1、2、3的结果可知，不同排水孔间距下，上游水位变化不明显。排水孔越密时，坝基因为加大排水孔密度，使得坝基排水能力增强，加大了大坝下游附近水头消减的作用，这对减小厂房区和坝址区的水头是有利的。由图2可以看出，坝基排水孔、坝体下游消力戽排水孔间距对渗流场的水头分布影响很小，坝体和地基中水头线的分布基本一致，主要在排水孔和排水廊道附近产生一定的差异，其它断面的水头等值线也呈现出相同的变化趋势，说明坝基和消力戽中的排水孔间距对坝体和坝基的水头等值线影响并不明显。

排水孔间距为2m和4m时，河床段帷幕渗透坡降为18.8和17.6左右，帷幕后河床段坝基扬压力沿河水流向由大到小变化，坝基扬压力无明显变化。可见，将坝基排水孔、坝体下游消力戽排水孔间距由3m调整为2m或4m，对坝址区整体渗流场及坝基扬压力影响不明显。排水孔间距对帷幕以及坝基接触部位水力坡降、对坝基扬压力分布影响也不明显，只在排水孔部位产生一定的影响，其中较小的排水孔间距会引起较大的水力坡降。

表2为三种排水孔间距下各部位排出水量的比较表。由表可知，排水孔间距较小时，各部位所排出渗流量相应较大，但是渗流量增加得并不明显，排水孔间距2m相对于4m时，坝基和消力戽渗流量只分别增加了5.7%和7.0%。说明排水孔间距对排水量的影响也不明显。

4 结论

本文在系统分析地质和水文地质的基础上，根据工程资料建立枢纽区三维模型，采用有限元方法分析排水孔间距对渗流场的影响。不同排水孔间距情况下，间距为2m时排水和消杀水头作用更为明显，河床段坝基扬压力大小也有一定减小，但在不同间距情况下，渗流场结果差异并不大。因此，将坝基排水孔、坝体下游消力戽排水孔间距由3m调整为2m或4m时，对坝址区整体渗流场、坝基扬压力以及渗流量的影并响不明显。在进行坝基内的排水孔间距设计时，可以适当取较大值。陕西水利

[1]黄影，赵坚，沈振中，等.两河口水电站地下厂房渗流控制布置方案研究 [J].南水北调与水利科技,2009,7(3)：35-37.

[2]朱国胜，崔皓东，张家发，等.乌东德水电站坝基及右岸地下厂房区渗控措施研究 [J].岩土工程学报,2012,34(9)：1722-1727.

[3]李新强，陈祖煜.糯扎渡水利枢纽左岸山体三维渗流有限元分析 [J].岩土力学,2005,26(4)：638-641.

[4]郑明燕，杨世浩.糯扎渡水电站地下厂房区渗流场分析 [J].武汉大学学报（工学版）,2009,42(1)：60-64.

[5]林伟斌.裂隙岩体排水孔和排水盲沟渗流模拟方法及其应用研究[D].南京：河海大学,2008.

[6]李康宏，邓祥辉，何萌，等.基于钻孔资料的某尾矿坝渗透系数反演分析有限元模型建立[J].岩石力学与工程学报,2004,23(增1)：4329-4332.