刘军 刘国玉 李泽民 闵舒 邵力群

(设计一处)

[摘要]  抽水蓄能电站防渗问题处理的好坏是整个电站工程成败的关键，本文针对库区实际地质情况，通过三维有限元渗漏分析，对库区渗漏问题进行了详细的研究，提出了多种解决方案，并最终确定了采用钢筋混凝土板和喷混凝土组合的全封方案。

[关键词]  渗漏  三维有限元分析  水平防渗  方案比较

1  概述

回龙抽水蓄能电站位于南召县城东北约16km的岳庄村附近，是为解决供电调峰而专设的调峰电站。其上库正常蓄水位899.0m时，库容为118.42万m³，死水位876.4m时相应库容为13.9万m³。由于库容相对较小，径流量有限，为保证工程正常运行，必须采取有效的渗控措施，保持足够的水量。

2 上库渗漏分析

2.1 上库渗漏条件分析

     上库库区为第四系全新统洪积层（块石夹土）plQ4、第四系全新统坡积层（块石夹土）dlQ4、第四系全新统残积层（粘性土夹碎石、砂）elQ4以及燕山晚期花岗岩。

上库库区谷底宽约15m，库盆右岸和后缘山体比较雄厚，地表有多处泉水出露，地下水埋深较浅，岩体透水性较弱；两坝肩及库盆左岸山体相对单薄，高程较底，地下水位埋藏较深。库坝区岩性为中细粒花岗岩，局部为似斑状花岗岩，坝址部位基岩裸露，库周地表岩体有不同程度风化卸荷。在坝址区，主要分布有北东走向的L36、L37、L49、L50、L51节理以及北西走向的L48、L53等节理，倾角大都在70~85°之间，这是库区主要渗水结构面。上库特殊的地形特征、构造条件及地下水的分布规律，决定了上库库盆存在较严重的渗漏问题。

2.2 上库渗漏量计算分析

2.2.1 上库渗漏量估算

对上库库区天然状态下的渗漏分析，目前没有较成熟的公式计算，只能根据概化后的地质模型，估算渗流量。

（1）水文地质概化模型

为方便计算，概化上库水文地质条件为：

a、  花岗岩岩体裂隙网络内渗流运动，可近似采用多孔介质渗流模型来计算。

b、  认为不同渗透结构岩体相互平行。

c、  渗流主要为水平运动且服从达西定律。

d、  把透水率q<3Lu的岩体，作为相对隔水层。

e、  认为构造带是一渗透性很强的均质岩体，迭加于库区各渗漏断面上。

f、  根据水库的运行方式，选择水库正常蓄水位899m，死水位876.4m两种情况计算。

g、  水库渗流量是各渗漏地段之和。

（2）计算公式的选取

根据概化的水文地质模型，可用下列公式计算库区渗漏量。

       （a）用于计算库单宽渗漏量

（3）渗漏量的估算

根据上述公式计算，可估算出上库总渗流

量为15155m³/d。

2.2.2 上库渗漏量三维有限元分析

上述渗流量的计算只是一种估算，一般误差比较大，为了更精确地了解上库库盆具体渗漏情况，以便研究防渗措施。我们和清华大学联合对上库进行了三维有限元渗流计算。

(1) 计算方法

首先根据地形地质条件确定合适的计算范围与合理的边界条件，对选取的计算体进行网格剖分，建立数学模型，并对不同特性的地质结构体赋予不同的地质参数，进行模拟计算。

计算假设渗流场为稳定渗流场，符合Darcy定律，不考虑大气降水入渗补给。

(2) 计算模型的建立

     a.) 整个模型平面范围约700m×800m。模型左侧以L₁₄节理带为界，右侧边界至与L₁₄大致平行、距离约650m的山脊以外；主坝下游边界为与F₁₉平行的沟谷，上游边界为与副坝平行的山脊；计算模型底部高程为700m，上部直到地面，最高处高程为960m。见图1。

b.) 模型边界条件的选取直接影响渗漏量的计算结果，为便于比较，模型共选取了两种边界条件进行计算。

边界条件：条件Ⅰ：右侧边界为局部分水岭边界，在L₄₈节理带通过部位的左右两侧50m范围内取为定水头边界，其水头值按低于库水位20m取值。上游边界的左侧部分取为定水头边界，其各点水头取低洼处的地面高程；上游边界的右侧部分为隔水边界。下游边界为定水头边界，其各点水头值按与其平行的下游沟谷高程给出。条件Ⅱ：左侧边界、下游边界与上游边界为导水边界，这三个边界的交汇部位的地表恰是库区上下游的低洼地带，因此取这些低洼部位的边界节点为定水头，其水头值为该点地表高程，并取这些低洼地带的非边界上的地表节点为地下水溢出点。这些边界上的其它节点的水位不加任何限定，这样，从库区渗到边界的地下水通过节理带导向低洼部位溢出。这样选取边界在一定程度上可以消除人为给定边界水头所产生的随机性。

    边界条件的底部边界均处理为流面边界。库盆内各节点为已知水位边界（库水位）。

c.） 根据本区地质结构和水文地质条件， L₃₆、L₃₇、L₄₉、L₅₀、L₅₁、L₄₈、L₅₃、L₁₄、L₁₅等节理带将岩体在平面上分割为多个岩块，每个岩块又受风化作用在剖面上形成不同的渗透性分层结构。各断层在岩体中起主导作用，是岩体的控制性结构面。因此采用双重裂隙系统三维渗流模型，将上述节理带作为主干裂隙系统。模型划分的总节点数为36198个，总单元数为34503个。

模型从地表向下共分15个厚度层。为了详细模拟各防渗结构体与地质结构体的渗透特征，模型中对岩层、断层、帷幕、铺盖、坝体混凝土等划分为若干个区域。

(3) 分析条件及工况

渗漏分析情况建立在库区无任何防渗措施，仅在主、副坝坝基下采用2排孔灌浆帷幕，其余区域为天然状态。分析工况分别选取正常蓄水位899m和低水位876.4m进行渗漏量计算，并计算水位骤降时的地下水面线。

(4) 计算参数

进行三维渗流计算时，渗透系数的选取主要根据地质提供的渗透系数和已建工程经验类比确定。渗透系数取值列于表2-1。

   表2-1 岩体与断层渗透系数取值表

（5）计算结果

    根据上述边界条件、分析方法及分析参数，可计算出上库渗漏情况见表2-2。

表2-2  渗漏量计算成果表

    根据上表可以看出，上库库区无防渗漏措施情况下的渗流量为11186m³/d，已远远大于电站整体（包括上库、下库、引水发电系统）允许渗流量（1386 m³/d），不能满足电站正常的运用要求，因此上库库区必须采取防渗处理。

3. 上库防渗方案研究

目前国内所采用的防渗处理型式归纳起来主要有三种：垂直防渗、水平防渗及垂直和水平结合型式。垂直防渗一般是在库周围和易产生漏水的节理密集带两侧做帷幕灌浆或固结灌浆；水平防渗则是在库盆范围内用透水性比较小的材料（如混凝土、沥青混凝土、粘土及防渗土工膜等）将库盆全部包起来。水平防渗和垂直防渗结合型式则是将这两种型式结合在一起。

我们对上库共考虑了六种方案，其中垂直防渗方案1个，垂直和水平结合方案2个，水平防渗方案3个。

    水平方案在材料方面仅考虑了混凝土（包括喷混凝土）、土工膜等，对粘土材料考虑到该电站区域为花岗岩山石区，粘土料极端缺乏，就不再考虑此方案。对于沥青混凝土材料，根据国内外已建工程，该材料虽然防渗效果比较好，但由于本电站上库库区地形极不规则，采用沥青混凝土铺底，需要将库底进行大面积开挖和规整，这样需要增加大量的开挖量，同时沥青混凝土造价也比较高，根据天荒坪的经验，该投资远大于混凝土板的投资，故本次在选择防渗方案上一开始就没有考虑这种方案。

由于库底覆盖层为坡积物和全风化破碎岩体，厚度不大，无论采用那种方案，都应全部挖除。

3.1 库周垂直防渗方案(方案一)

在主、副坝及环库主要渗漏地段设两排孔灌浆帷幕，孔距2.0m，在通过节理密集带部位做加深处理，帷幕底端控制在弱透水层以下3～5.0m，最深处为65.0m。具体范围为：主坝右坝肩向外延伸40.0m；主坝及主坝左坝肩至副坝右坝肩；副坝及副坝左坝肩向外延伸60.0m；库区东部山体L₄₈节理密集带两侧各20.0m布置灌浆帷幕；其它部位均不做处理。

垂直防渗主要依靠增大渗径来减少渗漏量。

3.2 库周垂直防渗与库区局部混凝土板组合方案(方案二)

该方案为垂直防渗结合水平防渗，是在方案一的基础上，对库盆范围内的节理带进行钢筋混凝土面板带状防渗处理。首先挖除节理带内夹泥石和松散的破碎岩体，沿节理带埋置无砂混凝土排水管，然后在节理带及节理带两侧各12.0m范围内，浇筑C25钢筋混凝土面板，面板厚750px，每8m设一道伸缩缝，用紫铜片止水。

库盆周边虽然有防渗帷幕，但库水会沿节理密集带向深部渗漏，节理密集带加上一定宽度的面板可有效阻止渗漏。

3.3 库周垂直防渗与库区局部混凝土板及灌浆方案(方案三)

该方案也是垂直结合水平方案，是在方案二的基础上，在节理密集带两侧各增加三排固结灌浆孔，孔距2m，深8m。

3.4 库区混凝土板局部喷混凝土组合全封方案(方案四)

该方案为水平防渗，对节理密集带采用钢筋混凝土面板带状防渗处理，面板布置型式与方案二相同，同时在库盆L48节理密集带以内的坝前、左岸和右岸死水位以下库底也铺设钢筋混凝土面板，与节理带混凝土面板共同构成坝前库盆连续的防渗体，其他部位采用挂网喷混凝土。

该方案曾经考虑只将节理密集带采用混凝土面板，其他部位采用挂网喷混凝土，但由于坝前的L48断层为主要渗水带（特别是垭口部位），且流向指向坝址区，L48断层带本身仅仅采用混凝土面板是不够的，即使采用喷混凝土，但因其效果比混凝土效果要差，不能使L48断层带到坝前形成连续的防渗体带，故未采用。

为了降低库水位骤降时对钢筋混凝土面板和喷混凝土面层造成的扬压力，在面板和面层底部设置无砂混凝土排水管网状排水系统，排水管直径300mm，间距15m，排水管收集的渗水由主坝坝体内的混凝土管排到坝下游的集水池内。同时，为抵消扬压力对面板和面层的作用力，在整个库盆范围内采用系统砂浆锚杆，锚杆型号为Φ20，长2.5m，间排距根据库水位骤降时的扬压力确定。根据渗流计算结果，这种布置方式能够满足要求。

为了避免喷混凝土面层出现裂隙，面层内布置Φ8@200钢筋网，并对水位变动区以上部位混凝土的抗冻等级按F200设计。

作为备用措施，坝后设泵站将集水池收集的渗水抽回到上库。泵站暂定容量为45KW，扬程80m时抽水量100m³。该泵站具体是否需要设置以及设置规模，将通过后期实际漏水量确定。

3.5 库区混凝土板局部土工膜喷混凝土组合全封方案(方案五)

本方案是将死水位以下库底范围内采用铺设土工膜防渗，其他部位同方案四基本一样。由于坝前库底为陡坎状，为便于库底铺设土工膜，需将库盆L48节理密集带以内的坝前、左岸和右岸死水位以下库底先进行回填，回填高程按低于上库进/出水口控制为465.00高程，然后再做土工膜铺盖。

土工膜厚0.5mm，为两布一膜型式，土工膜上部采用混凝土预制块保护，下部铺设排水沙垫层。土工膜在和坝体、库区混凝土板连接处均设有橡胶板止水连接。

3.6 库区混凝土板全封方案(方案六)

该方案是将整个库盆全部采用钢筋混凝土面板防渗，厚度750px，面板布置型式、排水系统的设置等与方案四做法相同，但当采用混凝土板全封时，由于混凝土板基础要求地形规则，故此方案开挖工程量很大。

4. 上库防渗方案比较

4.1 渗漏量计算与比较

根据上述采取的各种防渗措施，对上述各种方案进行渗漏量计算，以检验各方案渗流量的效果。渗漏量计算按前述对库区未有任何防渗措施时的渗漏计算方法一样，对前三种竖直方案和竖直和水平结合方案，采取三维有限元渗流分析，对后三种全包方案采用达西定律估算。据此可计算出各防渗方案的综合日渗漏量。

    按达西公式计算，H取水头平均值，K取8.64×10^－6m/d。另外，库盆实际渗漏量与电站的运行方式有关，不同的时段库水位不同，渗漏量也不相同。根据规划，电站每天正常发电5h，间隔2h后，开始向上库抽水8h，库水位处于变化状态。据此可计算出三种防渗方案的综合日渗漏量。各方案计算结果列于表4-1。

表4-1    渗漏量计算成果表

对于方案一，渗流计算报告中绘制了库盆渗漏量随帷幕深度的变化曲线见图2。

图2  库盆渗漏量随帷幕深度变化曲线

据图分析，帷幕深度超过30m以后，对库盆渗漏量的影响已经极为有限，正常蓄水位时渗漏量的最终收敛值约在3000m³/d左右，方案二、三从渗漏量来看已经超出电站整体允许渗漏量（允许渗漏量为1386m³/d），因此，从渗漏量的角度来看这三种方案都是不可行的。

    方案四～六，计算出的渗漏量都很小，都能满足要求。因此下一步比较时将重点对这三种方案进行比较。

4.2 施工条件比较

    从施工角度看，方案四和方案六都属于常规性施工项目。两者相比，方案四在喷混凝土时底部较平缓部位密实度不易控制；方案六分缝较多，止水安装质量不易控制。方案五是在库底采用土工膜，施工土工膜需另行采用一套施工机械，施工干扰较大。

4.3 抗渗性与结构运行比较

    方案四在喷混凝土段比方案六钢筋混凝土面板的抗渗性和耐久性相对较差，方案五库底为土工膜，抗渗性能虽然能够满足要求，但土工膜易坏，使用耐久性不如混凝土面板。其次土工膜段基础是先进行回填，回填料采用碎石，回填最大深度为14m，因此该方案存在一个明显的问题是：由于大坝沉降量非常小，几乎没有，而回填碎石沉降量比较大，一般为回填厚度的1%～3%，即使严格按碾压要求控制，至少也有1%～1.5%，故坝前回填石渣后，运行期的最大沉降量可达15～550px左右，这样坝前铺盖和坝体接触缝的止水很容易被拉坏，一旦止水失效，不仅库盆漏水、对坝体稳定也不利，而且难以检修。因此从这一角度来说，方案五显然不满足设计要求。

4.4 经济比较

方案四、方案五和方案六工程量及投资估算(建安费)见表4-2。从结果比较看，方案四比方案六建安投资可节约915万元，方案五比方案六建安投资可节约971万元。方案四和方案五投资差不多。

4.5 结论

综上所述，根据各方面的比较（包括渗漏量的计算分析），除投资外方案四和方案六在技术上都较其他方案为优。方案五由于不均匀沉陷问题较大，本次也就不再考虑。对方案四和方案六来说，两方案渗漏量均能满足防渗要求；从防渗性能上比较，方案四抗渗能力、抗冻性、耐久性比方案六相对较差。但考虑到本电站工程规模较小，库盆防渗投资过大，将会增加整个电站的工程投资，所以综合考虑，选择方案四为推荐方案。

5  成果汇总分析

根据上述防渗处理措施的分析和方案选择。上库采用全封的水平防渗方案，防渗方案型式为沿库区整个节理密集带和库区内L48节理密集带至坝前库底均采用钢筋混凝土面板防渗，使库区节理密集带和坝前库盆构成连续的防渗体，库区其他部位均采用挂网喷混凝土。混凝土防渗板布置在节理带处，首先挖除节理带内夹泥石和松散的破碎岩体，然后在节理密集带及节理带两侧各12.0m范围内，浇筑C25钢筋混凝土面板，在坝前部分将库区开挖成比较规整的形状，然后再铺设混凝土面板，面板厚500px，每8m设一道伸缩缝，用紫铜片止水。面板下采用锚杆和岩基进行连接，以抵抗渗透压力对面板的顶托力。所有混凝土面板下面均设置375px厚无砂混凝土垫层和Φ300～500无砂混凝土排水管，将面板下的渗压水有序的排向坝体外面。对喷混凝土地段，采用挂网喷混凝土，喷混凝土厚度375px，与岩体也采用锚杆连接，底部排水做法和混凝土面板一样见图3。

根据前面对上库库盆渗漏计算结果，总渗漏量约为183m³/d，小于估算的允许渗漏量，满足电站运行要求。