刘顺萍，任 堂，尉霄腾

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 项目基本情况

某枢纽为水量调节水库，兼有发电功能，枢纽由拦河坝、水垫塘、二道坝、发电引水隧洞、导流洞、鱼道和电站等组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高167.5m，坝顶长度280.94m，河床坝基开挖深度21m。河床坝基及两岸坝肩主要为石炭系中统DTJ河群中亚群第三层(C2dnb- 3)巨厚层、厚层灰岩，第四层(C2dnb- 4)中厚层夹薄层灰岩。岩层走向与河谷大角度相交，岩层倾角50～65°。裂隙为主要含水、透水孔隙，发育程度中等。从坝址区压水试验成果来看，岩体透水性弱—中等，坝址岩基渗透分区展示图如图1所示。

2 防渗设计方案

2.1 大坝防渗帷幕

(1)防渗按照高坝<1Lu标准，河床坝基部位防渗帷幕深度约为153m(相对于坝底高程)。

(2)左岸垂直和水平两个方向均不存在明显的相对隔水层，在垂直方向防渗帷幕深度约为205.5m(相对于坝顶高程)；左岸地下水位低平，水平防渗帷幕难以和地下水位衔接，设计向左岸坝肩水平防渗长度为160m。

(3)右岸垂直防渗深度以进入相对隔水层为宜，深度约为210.5m(相对于坝顶高程)；向右岸坝肩水平方向不存在相对隔水层，水平防渗帷幕难以和地下水位衔接，考虑到右岸山体相对单薄，且坝后边坡陡峭，构造较为发育，岩体渗透性也相对较强，因此右岸防渗帷幕适当加长，设计向右岸坝肩水平防渗长度为300m。

2.2 坝基排水孔幕

河床坝基部位排水孔幕垂直深度约为73m。左岸、右岸坝基排水孔幕向岸坡以里水平方向的长度与防渗帷幕相同。左岸排水孔幕垂直深度约为184.5m(相对于坝顶高程)，右岸排水孔幕垂直深度约为210.5m(相对于坝顶高程)。排水孔孔距3m，孔径取11cm。

2.3 下游抗力体排水洞

坝后抗力体基础排水采用左、右岸抗力体内各两横两纵排水洞与排水孔幕。横向排水洞方向基本上与坝肩帷幕灌浆廊道平行，共3层；纵向排水洞方向基本上与河流方向平行，共3层；同高程横向排水洞、纵向排水洞、帷幕灌浆洞及坝内廊道相互连接。

3 运行期三维渗流场分析

3.1 分析软件

本计算主要采用有限元分析方法，分析软件主要采用中国水科院结构材料所自主开发的SAPTIS有限元仿真软件。经过不断完善改进，目前SAPTIS已不仅仅是一个计算程序，而是一套大型的结构温度、变形、应力分析系统，包括前处理、后处理和计算分析三部分，已用于国内三峡、小湾、溪洛渡、拉西瓦、乌东德、龙滩、锦屏、光照、景洪、武都、向家坝等数十座大中型工程的仿真分析。

图1 地基渗透分区展示图

3.2 分析模型

对正常运行期拱坝—地基系统三维渗流场进行建模，分析基础地质条件及实测渗流资料(探洞等)，结合区域的渗流场特征、河谷形成演化史，对勘探资料充分分析论证，摸清导水构造分布规律，对拱坝坝址区水文地质进行分析，建立适于坝址区的坝基初始渗流场三维有限元渗流场分析模型，正常运行期的三维有限元模型在初始渗流场模型基础上修改帷幕单元和排水单元。因此，该模型全面考虑了坝体以及防渗帷幕、排水孔幕、抗力体上排水孔幕等渗控结构。将坝址区拱坝—地基模型进行整体三维有限元离散，共划分单元778536个，节点815008个。坐标系取为：X向为横河向，指向左岸；Y向为顺河向，指向上游；Z向为竖直方向。模型地基底面为固定约束，地基侧面以及上下游面加法向链杆约束。拱坝-地基系统整体网格如图2所示。

图2 拱坝-地基系统整体有限元网格模型

3.3 计算参数取值

运行期渗流场计算工况为：上游为正常蓄水位876m，下游水位取二道坝顶高程738m。

为尽量准确地获取各类岩体及断层的渗透系数，利用三维有限元渗流分析方法，对工程区初始渗流场进行整体反馈分析，计算模型考虑了坝址区水文地质参数、实际地形、断层以及不同渗透系数分区，确定坝址区初始渗流场分布特征及边界水位条件，反演得到各类岩体与断层的渗透参数。

另结合工程经验给出基础防渗帷幕、排水孔幕、抗力体排水孔幕以及坝体混凝土的渗透系数。防渗帷幕渗透系数取1Lu。有限元模拟时根据流量等效的原则，针对排水孔在渗透系数不同的岩体分区位置和孔距孔径等效选取。排水孔幕计算模拟：采用流量等效原则，针对本文的岩层渗透系数和排水孔孔距孔径等效选取。坝体混凝土抗渗等级一般取W8级，即渗透系数约1.8×10-6m/d。具体计算参数取值见表1。

3.4 运行期三维渗流场分析

为分析运行期近坝区域三维渗流场，提取不同高程截面的压力水头等值线云图，高程分别取为：860m、840m、820m、800m、780m、760m、750m、740m、730m、720m、713m。顺河向剖面选取以下位置：左岸坝肩处，左岸1/4拱圈处，拱冠梁处，右岸1/4拱圈处，右岸坝肩处。图3为713m高程处(其他高程规律一致)的压力水头等值线云图。图4为拱冠梁剖面处的压力水头等值线云图。图5为建基面713m高程(其他高程规律一致)拱冠梁底部压力水头沿顺河向分布图。表2为建基面上不同高程帷幕前后压力水头折减系数对比表。

表1 三维渗流计算参数取值

图3 高程713m截面压力水头等值线云图

图4 拱冠梁处压力水头等值线云图

图5 建基面713m高程拱冠梁底部压力水头沿顺河向分布

计算结果表明：

(1)采取目前设计的渗控方案，建基面各高程帷幕前后渗压折减系数的最大值为0.23，小于规范要求的0.25，坝基渗透压力得到了很好的控制。

(2)坝基集水井渗流量3048m3，其中，左岸1335m3、右岸1713m3。

(3)下游坝基抗力体高高程(762m高程以上)大部分为干燥区，说明防渗帷幕和排水孔幕联合作用起到了较好的防渗效果。

4 右岸坝基帷幕长度敏感性分析及优化研究

4.1 右岸帷幕长度取200m

计算方法及断面截取原则同上。

计算结果表明，右岸帷幕长度取200m近坝区的渗流场分布与右岸帷幕长度取300m近坝区的渗流场分布基本一致，右岸帷幕长度对建基面附近坝基渗压的影响较小。但是，右岸帷幕长度对岸坡远处绕坝渗流有所影响，右岸帷幕长度由300m缩短至200m后，绕坝渗流的渗径缩短，远处山体内帷幕后的地下水位线抬高。

4.2 右岸帷幕长度取400m

计算方法及断面截取原则同上。

计算结果表明，右岸帷幕长度取400m近坝区的渗流场分布与右岸帷幕长度取200、300m近坝区渗流场分布基本一致，帷幕深度对建基面附近坝基渗压的影响较小。但右岸帷幕长度对岸坡远处绕坝渗流有所影响，右岸帷幕长度增加后绕坝渗流的渗径增长，远处山体内帷幕后的地下水位线有所降低，但岸坡以里远处的地下水位线降低幅度很小。

4.3 不同帷幕长度的比选

为分析不同帷幕长度对坝基渗流场的影响，提取建基面713m、720m、730m高程处压力水头沿顺河向分布图，可以看出，帷幕向岸里延伸长度对坝基渗压影响很小。图6为不同帷幕长度下建基面713m高程拱冠梁处压力水头沿顺河向分布图(其他高程规律一致)。

图6 建基面713m高程拱冠梁处压力水头沿顺河向分布

为了分析不同帷幕长度对右坝肩渗流场的影响，在右坝肩处截取6个剖面进行分析，分别为距右拱端3m、50m、150m、250m、350m、450m处不同帷幕长度顺河向剖面的压力水头等值线云图。可以看出，帷幕长度对拱坝近坝区渗流场的分布影响很小，但帷幕长度对岸坡远处绕坝渗流有所影响，帷幕长度越长，绕坝渗径越长，绕坝渗流量越小，远处山体内帷幕后的地下水位线有所降低。图7分别为距右拱端150m处(其他部位规律一致)不同帷幕长度顺河向剖面的压力水头等值线云图。

另外，为了分析不同帷幕长度对岸坡抗力体渗流场的影响，在右岸下游抗力体处截取横河向剖面，分别给出了不同帷幕长度情况下右岸抗力体横河向剖面渗流场分布，如图8所示。可以看出，帷幕长度200m、300m、400m三种情况下右岸抗力体渗流场分布基本一致，抗力体水位线最高高程基本都为762m，762m以上抗力体基本为干燥状态。当帷幕长度减至100m、50m时，抗力体水位线有所抬升。

综上所述，建议右岸坝基帷幕长度优化后取200m。

图7 距右拱端150m处不同帷幕长度顺河向剖面的压力水头等值线云图

5 下游抗力体排水洞布置优化研究

在距拱坝左右坝肩不同深度截取沿上下游方向的典型剖面，分别计算下游抗力体布置一道排水洞和两道排水洞情况下坝基抗力体的渗流场，通过对比分析两种情况下坝基抗力体的渗压分布和地下水位，对下游抗力体排水洞的布置进行优化研究(见图9)。

图8 不同帷幕长度情况下右岸抗力体横河向剖面渗流场分布

图9 不同排水洞数量右岸抗力体横河向剖面渗流场分布

计算结果表明，设置排水洞的数量对库区整体渗流场的分布、坝基渗压影响较小，但对抗力体的渗流场分布有所影响，设置两道排水洞时，右岸抗力体的地下水位线最高高程为762m，当排水洞水量减少为一道时，抗力体的地下水位线有所抬高，水位线最高高程为772m。

因此，在能够满足坝肩稳定的前提下，可将两道排水洞减为一道排水洞。

6 坝基帷幕深度优化研究

根据第4节结论所述，右岸坝基帷幕长度宜取200m，在此前提下，取坝基向下延伸深度减少50m和坝基向下延伸深度不变时两张工况，对计算结果进行对比。图10为建基面713m高程压力水头沿顺河向分布对比图，表3为坝基向下延伸深度减少50m情况下建基面上不同高程帷幕前后压力水头折减系数表。可以看出，帷幕向坝基延伸深度减少50m对坝基渗压影响并不大。

图10 建基面713m高程拱冠梁底部压力水头沿顺河向分布对比图

建基面上的位置帷幕前压力水头/m帷幕后压力水头/m折减系数左岸800m高程73.0711.690.15左岸780m高程89.768.490.09左岸760m高程99.9516.450.14左岸750m高程109.6415.020.12左岸740m高程119.1115.770.12左岸730m高程139.645.30.04左岸720m高程149.9712.150.09左岸713m高程157.5654.890.22拱冠梁底部158.8356.530.23右岸800m高程65.818.160.11右岸780m高程62.9314.330.15右岸760m高程109.387.20.06右岸750m高程118.957.860.06右岸740m高程128.638.050.06右岸730m高程139.498.940.01右岸720m高程150.2227.770.07右岸713m高程157.2955.60.22

7 小结

文章基于拱坝—地基三维渗流场计算精细模型，模拟了大断层破碎带、强透水性岩脉和主裂隙结构面等地质构造和排水孔幕等渗控措施，进行了三维渗流场计算分析，对初始渗控设计方案进行了分析研究，重点分析了右岸坝基帷幕深度、下游抗力体排水洞数量对坝基渗流场的影响。结论如下：

(1)采取目前设计的渗控方案，建基面各高程帷幕前后渗压折减系数的最大值为0.23，小于规范要求的0.25，坝基渗透压力得到了很好的控制。坝基集水井渗流量3048m3，其中，左岸1335m3，右岸1713m3。下游坝基抗力体高高程(762m高程以上)大部分为干燥区，说明防渗帷幕和排水孔幕联合作用起到了较好的防渗效果。

(2)分别取右岸帷幕长度50、100、200、300、400m进行计算分析，分析结果表明，帷幕向岸里延伸长度对坝基渗压影响很小，但帷幕长度对岸坡远处绕坝渗流有所影响，帷幕长度越长，绕坝渗径越长，绕坝渗流量越小，远处山体内帷幕后的地下水位线有所降低。此外，右岸帷幕长度200、300、400m三种情况下右岸抗力体渗流场分布基本一致，右岸坝基帷幕长度最终取200m。

(3)设置排水洞的数量对库区整体渗流场的分布、坝基渗压影响较小，但对抗力体的渗流场分布有所影响，设置两道排水洞时，右岸抗力体的地下水位线最高高程为762m，当排水洞水量减少为一道时，抗力体的地下水位线有所抬高，水位线最高高程为772m。因此，参照左右岸坝肩抗滑稳定计算情况对抗力体排水洞进行了调整，优化为一横一纵排水孔幕。

(4)帷幕向坝基垂直延伸深度减少50m时，单从计算结果来看，对坝基渗压影响并不大及库区整体渗流场分布影响不大，后期亦可根据现场地质情况进一步优化。