光照碾压混凝土坝坝基三维渗流场的有限元精细求解

光照碾压混凝土坝坝基三维渗流场的有限元分析

吴世勇，朱岳明

（河海大学水利水电工程学院，南京，210098）

摘要：本文利用固定网格结点虚流量法，通过对坝基岩体内复杂排水系统的精细模拟，详细分析了光照坝基以及两岸岩体内的渗流状态和渗控效果，对光照碾压混凝土坝基础的渗控措施作出评价。 关键词：光照水电站；坝基；渗流场；渗控措施；有限元分析 中国分类号：TV 139.1 文献标志码：A

1 工程概况

北盘江光照水电站位于贵州省关岭县与晴隆县交界的北盘江中游，是北盘江干流梯级的龙头水电站，电站以发电为主，其次为航运，兼顾灌溉、供水及其他综合效益。正常蓄水位745m时，相应库容

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31.35亿m，调节库容20.37亿m，为不完全多年调节水库。电站总装机容量1040MW，保证出力180.2MW，年发电量27.54亿kW.h。枢纽工程主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统、地面厂房和左岸预留远景通航建筑物等组成。

坝址区岸坡平直，地形完整，两岸地形较为对称，为典型的“V”型横向河谷，山体雄厚，河谷狭窄，岸坡上缓下陡，坡角约45°。坝区断层不发育，仅有F1和F2两条逆断层，其中F1规模稍大，并且穿过坝基，其影响范围约20~30m宽。坝区地下水靠大气降水分散式补给或洼地落水洞集中式补给，两岸透水岩组地下水位均高于或接近同期河水位，地下水以岩溶管道水、岩溶泉等形式排向北盘江。 光照水电站碾压混凝土重力坝最大坝高达200.50m，最大底宽159.05m，顶宽12m，坝顶长410m，大坝由左、右岸挡水坝段和河床溢流坝段组成。大坝建成并在水库蓄水后，在库水位以及各种渗控措施作用下，坝基岩体的渗流状态将发生了很大的变化，为了了解大坝基础的渗流状态和各种渗控措施的作用，笔者进行了光照水电站大坝基础岩体的三维渗流场有限元分析。

2 计算理论

根据广义达西定理，各向异性连续介质中的三维稳定渗流的控制方程和边界条件为

h(kij)Q0 （1） xixj其中 xi为坐标，i1,2,3；kij为达西渗透系数张量；h＝x3p/w，为总水头，x3为位置水头，

p/w为压力水头；Q为源汇项。

边界条件有

h|1h1, （2） kijhni|2=qn （3） xj作者简介：吴世勇，1982年出生，男，汉族，安徽省肥东县人，硕士研究生，主要研究高坝及地下结构的渗控计算与分析。

kijhni|3=0 及 hx3, （4） xjkijpmh （5） ni|40 及 hx3 ，xjkijh （6） ni|p0 及 hhpm 。mxj

其中 h1为已知水头函数；ni为边界外法线方向余弦，i1,2,3；1，2，3和4分别为第一类渗流边界、第二类渗流边界、渗流自由面和渗流逸出面；qn为法向流量，流出为正；pm为第m个溢出型排水孔；pm为第m个溢出型排水孔的内部边界；m为溢流型排水孔编号，m＝1，2，……，M，其中M为溢流型排水孔总数；

pm为第m个溢流型排水孔的所有单元临空面之和；hpm为第m个溢流

型排水孔的孔顶高程。各种类型排水孔见图1。详细的计算方法请参照文献[1][2][3][4]和[5]。

3 计算及成果分析

3．1 渗流计算建模及单元网格剖分

本次计算采用工程类比法选定了坝体材料的渗透系数；不同岩基的渗透系数则参照业主提供的压水试验结果选取；坝基断层F1与F2的影响带都取10m宽，渗透系数参照压水试验的结果（见表1）。

由于资料有限，所以三维整体渗流场计算域的上、下游侧面、两岸山体侧面所取的范围达不到坝高的2倍，至于计算域底面到河床坝段的建基面的距离有最大坝高的2.5倍左右。底面及上、下游两个侧面视为不透水面，由于坝体的渗透系数比岩基的小两个数量级左右，即岩基于坝体的渗透交换水量非常小，可以忽略不计，所以坝体建基面也视为不透水面。计算模型坐标系的X轴与坝纵轴线重合，指向左岸；Y轴与坝横轴0+0.000重合，指向上游；Z轴垂直于XOY平面，正向竖直向上，原点落在工程零高程面上。用空间八结点六面体单元并辅以少量的五面体单元对计算域进行剖分，图2为渗流计算模型与单元网格图，图3为坝基防渗帷幕的单元剖分图，图4为河床及两岸坝基排水孔网格剖分图，其中逸流型和溢流型排水孔分别有120和508个。计算网格共有结点和单元数分别是63584和51348个，解题规模相当的大。本次计算上、下游面取正常水位，分别是745.00m和583.50m；左、右岸地下水位分别取636.00m和753.40m。

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坝顶Crest of Dam灌浆及排水平洞 Grouting and Drainage Gallery逸流型排水孔 Escaping Drainage Holes溢流型排水孔 Overflowing Drainage Holes渗透系数 材料种类 （cm/s） F1和F2断层 地层 T1f 2-3 地层 T1yn1-1 地层 T1yn1-2 1-3 地层 T1yn 渗透系数 材料种类 （cm/s） 地层 T1yn2 地层 T1f 2-1 地层 T1yn3-1 地层 T1yn3-2 1.00×10 －31.78×10 3.32×10 －5－5－53.29×10 2.68×10 2.70×10 1.58×10 －5－5－5－5 基础廊道Foundations Gallery 1.38×10 3.40×10 －5－5 地层 T1f 1 0.28×10 图1 坝基内排水孔布置与类型 Fig.1 Arrangement and Types of Drainage Holes in Dam Foundations 表1 断层以及各种地层的渗透系数取值表 Table 1 Coefficients of Permeability of Faults and Different Batholiths

图2 渗流计算模型与单元网格剖分 图3 坝基防渗帷幕的单元剖分

Fig.2 Finite Elemental Model and Mesh of Fig.3 Finite Elemental Mesh of Impervious Curtain in

Seepage Simulation Dam Foundations

图4 河床与两岸坝基内排水孔边界面的剖分 Fig.4 Boundary Mesh of Drainage Holes in Dam Foundations

3．2 计算结果分析

坝建基面的扬压力设计参照文献[5][9]的研究成果选取如图5所示。

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防渗帷幕排水幕2a Hu排水幕防渗帷幕HdHdHua Hu1Hu1a 0.3a 20.2a(Hu-Hd)a 0.3Hu－上游水头Hd－下游水头Hu－上游水头Hd－下游水头

（a）河床坝段建基面 （b）两岸挡水坝段建基面

a. Fundamental Plane of Cauce b. Fundamental Plane of Water-support Abutments

图 5 不同断面上设计扬压力水头分布示意图（单位：m） Fig.5 Distribution of Design Up-lift Pressure on Different Sections (m)

本次计算共分为四个工况：工况1，所有设计渗控措施工作正常；工况2，在工况1基础上，上游主防渗帷幕在与断层F1影响带相交处发生失效；工况3，两岸坝基内的排水孔幕隔孔失效，同时，上游主帷幕在与断层F1相交处失效；工况4，坝基内的上游防渗主帷幕全部失效。图6~图9中的a图是右岸不同高程建基面上的扬压力水头分布（Distribution of Up-lift Pressure on Different Level Fundamental Planes），图b是在Z=570m剖面上渗流场等水头线分布（Distribution of Isolines of Hydraulic Head in Section Z=570m）。

计算结果表明，在设计渗控措施正常工作情况下（工况1），上下游山体中的渗透水流都得到了有效控制，贴近建基面出现了渗流疏干区，坝基大部分区域扬压力水头分布满足设计标准，表明现有防渗和排水措施能够满足工程渗控设计要求。据多年的研究成果，防渗帷幕的渗透系数一般只要比周围材料的大3～5倍，其作用基本上就可以满足工程上的防渗消能需求，由本工况计算结果图表明，坝基上游来水的渗透能大都消耗在防渗帷幕内（即上游来水的大部分渗透比降都消耗在主防渗帷幕内），所以在帷幕的上、下游部分的水头比降都很小，充分利用了防渗帷幕的强抗渗透变形的能力，从而防止了坝基的岩体的渗透变形，保证了设在帷幕后的排水孔幕的长期畅通，而排水孔幕具有强大的排水降压作用，避免了坝基由于过大的扬压力而造成的安全稳定隐患，所以在工程的施工设计中，尤其要注意防渗帷幕的施工质量，保证帷幕的完整性。因为只有帷幕充分发挥作用，才能避免帷幕后的排水孔周围出现渗透变形，从而确保了排水孔幕的长期畅通，实现对坝基扬压力的有效降低。

由工况2的计算结果表明，防渗帷幕在与断层F1相交处背后部分排水孔的排水量从工况1的7.56-43-33

×10m/s增大到了1.40×10m/s，将近翻了一番，验证了防渗帷幕的阻渗作用是非常明显的。此时右岸坝基的扬压力水头分布较工况1的更加安全；帷幕失效处背后的建基面扬压力由于排水孔幕的强大排水作用，其扬压力分布仍然低于设计标准，由此可以看出排水孔在排水顺畅的前提下，其排水降压的作用是非常强大的。由于，防渗帷幕渗透系数比断层影响带小将近两个数量级，所以在帷幕失效后，其背后流经排水孔流量的增加是由于排水孔的影响区域增大的原因，渗透比降反而有所减小，所以该区域排水孔受到渗透变形的威胁反而降低。但是，渗透流量越大，断层内流入排水孔的细小颗粒越多，排水孔被堵的危险就越大，一旦排水孔被堵，那么它的排水降压优势也就不复存在，所以防渗帷幕防渗堵排作用对排水孔幕的长期正常运行是至关重要的。

鉴于排水孔强大的排水降压作用，又考虑到坝基的不利地质现实，工况3在工况2基础上，拟定两岸坝基内排水孔幕隔孔失效，即排水孔间距扩大为设计值的两倍，检验目前的渗控设计是否还有优化的

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余地。计算结果表明，由于排水孔的减少，流经两岸排水孔的总流量为3.45×10m/s,基本上是工况2

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对应的6.47×10m/s的一半，由水头等值线分布图，可以看出，位于河床坝基封闭防渗区域内的变化微乎其微，只是在位于两岸部位的坝基内的水头等值线分布有所变化，尤其是位于左岸部分水头等值线分布以及坝建基面下的自由面的分布有所变化，不过，坝基建基面上的扬压力水头分布仍然符合设计标

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光照碾压混凝土坝坝基三维渗流场的有限元分析

准（除了受右岸地下水影响的右岸局部区域外，这与设计工况1差别不大）。由此可以看出，坝基两岸排水孔在隔孔失效情况下仍能满足工程安全的需要。

通过工况4的计算，发现在上游主防渗帷幕失效的情况下，在主帷幕所在区域的等水头线分布密度变稀，但是从主帷幕附近的局部区域的水头等值线的分布密度却增大了（除了帷幕与断层F1影响带相交的区域），这表明了位于帷幕背后排水孔附近的渗透比降在帷幕失效后要较失效前有所增大。即结合上面的一点可以看出，由于少去了防渗帷幕的防渗消能作用，坝基附近的地下水渗透更加顺畅，进而导致流经排水孔的流量增大；同时，坝基帷幕后排水孔幕的附近区域也将会由于渗透比降增大，可能造成该区域岩体的渗透变形，进而堵塞排水孔。所以，为了避免坝基岩体的渗透变形破坏，保证排水孔的排水通畅，防渗帷幕的设置是非常必要的。

3．3 结论

首先，针对断层带F1穿过左岸坝基防渗主帷幕的问题，由于主帷幕背后排水孔幕强大的排水降压的截渗作用，即使出现防渗帷幕在与断层带F1相交处失效，只要能保证排水孔幕的永久正常运行，那么在这种不利情况下仍然可以维持坝基的安全稳定要求。不过，尽管F1断层带岩溶发育不均匀，透水性不强，但是由于在断层带内存在部分泥质不稳定材料，为了避免因为过大的流量流经排水孔，造成断层带的细小颗粒流入并堵塞排水孔，建议在对上游防渗主帷幕以及该处的排水孔幕的施工设计中要给予充分的重视。

其次，由于右岸地下水位较高，通过计算发现，在现有的渗控设计下，尽管防渗主帷幕背后的排水孔幕影响范围很广，但是在坝基右岸侧仍有部分坝基在中下游侧扬压力偏大，故在结合坝体稳定安全的设计规范，考虑能否在这部分坝基内部设置少量的渗控设施，譬如，类似河床部分，增加少量的纵向排水设施。

第三，由于本次计算边界条件选取偏于安全，所以坝基两岸的渗控设计仍然是非常安全的。如果能够保证排水孔幕的永久畅通，那么坝基两岸部位的排水孔间距还是可以适当扩大的。但如果为了应付将来坝基内岩溶的进一步发展，原设计中的偏多的排水孔则可以用以作为将来的备用。

第四，在上下游正常水位情况下，计算了流经坝基不同部位排水孔幕的流量，为将来的坝内排水设计提供了依据。同时在计算河床坝基上的排水孔幕的流量时，发现位于两岸侧有相当一部分排水孔没有发生溢流，也就是没有发挥排水作用，为这部分的渗控设计优化提供了依据。

通过上面的计算分析表明，坝基采取的“前堵后排”的渗控设计理念是正确的。这是因为该设计理念实现了防渗帷幕与排水孔幕二者的优势互补，即通过利用防渗帷幕的强抗变形能力和低渗透系数，实现了对来水的消能防渗，保证了排水孔幕正常工作，进而也实现了排水孔幕的强排水降压作用。充分表明了二者 “相辅相成”、“互补共生”的关系。

坝中心线上游y=141651.00 4.99 14.11 11.19 21.63下上750 740 730 720 720 730 720 700 710 690 680 670 游599.55 2.600.00 8.74 7.97 13.59 35.26游570 600 580 620 590 640 610 660 630 740 720 700 680 670 650 750 730 710 690 断层F1影响带中心线660 670 640 650 680 690 570 620 580 590 570 600 610 620 630 570 660 650 640 y=0555.00 0.10 0.62 0.69 3.78 0.38 11.14 2.36 20.32 28.50 40.73 89.28断层F1经过区域

断层F2影响带中心线590 x=-305590 x=0下游y=-291x=308

图6.a （单位：m） 图6.b （单位：m）

Fig.6 Simulation Result of Case 1 (m)

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坝中心线上游y=141651.00 3.45 10.77 8.07 21.45下上750740730720720730700690680720710670640610570580620断层F1影响带中心线600640620590740720700680660630610650750730710690670600590610630660650640y=0游 2.990.00 13.55 10.80599.55 6.67 34.29游断层F1经过区域 0.10 0.68 3.69 10.84 20.22 28.50555.000.00 40.22 88.56

断层F2影响带中心线x=-305x=0下游y=-291x=308

图7.a （单位：m） 图7.b （单位：m）

Fig.7 Simulation Result of Case 2 (m)

坝中心线上游y=141651.00 14.16下 5.45 9.54 21.99上750740730720720730720710700690680670650690580570580620660650640y=0游 2.600.00 7.98 13.60599.55 8.75 35.71游断层F1影响带中心线555.00 0.10 0.23 0.69 3.79 0.380.00 11.15 20.33 28.50 40.7589.31断层F1经过区域620600590640680660630610700650720740710690670730750590630600590610620

断层F2影响带中心线x=-305590x=0下游y=-291x=308

图8.a （单位：m） 图8.b （单位：m）

Fig.8 Simulation Result of Case 3 (m)

坝中心线上游y=141670651.00 3.34 10.83 8.02 14.16下上750740730720710700720730700690680720710640660650610580570580630640y=0游0.00 4.39 12.99 15.01599.55 8.70 22.76游555.00 0.24 0.68 0.10 0.370.00 3.68 13.44 10.86 28.50 23.38 79.34断层F1经过区域断层F1影响带中心线600620590610660640650630680700740720690670710750730620600590610

断层F2影响带中心线x=-305x=0下游y=-291x=308

图9.a （单位：m） 图9.b （单位：m）

Fig.9 Simulation Result of Case 4 (m)

参考文献：

[1] 朱岳明. 改进排水子结构法求解地下厂房洞室群区的复杂渗流场[J].水利学报，1996.9：79-85 [2] 朱岳明. 拱坝坝基渗流场的有限单元法精细求解[J] .岩土工程学报，2003.03，25（3）：326-330

[3] 朱岳明. 龙滩碾压混凝土重力坝坝基及坝体渗流与排水对大坝安全性的影响的研究[R] .河海大学水工结构研究所，1995.3

[4] 朱岳明. Darcy 渗流量计算的等效结点流量法[J].河海大学学报，1997，25（4）：105-108 [5]朱岳明，张燎军等.龙滩高碾压混凝土重力坝的渗控设计研究[J].水利学报，1997.3：1-8

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光照碾压混凝土坝坝基三维渗流场的有限元分析

Three-dimensional Finite Element Analysis of Seepage Fields in Dam

Foundation of Guangzhao RCCD

Wu Shi-yong , Zhu Yue-ming

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Keywords: Guang-zhao Hydro-power Station, Dam foundation, Seepage fields, Seepage-control Measures, FEM Analysis Abstract: Based on the Fixed-mesh Nodal Virtual Seepage Flux Method, through accurate modeling of the complicated drainage system in dam foundation, the detailed analysis of the seepage state and the effect of anti-seepage measures in bed and abutment foundation of Guang-zhao RCCD is work out in this paper. Subsequently, corresponding evaluations and suggestions of the seepage-control measures in dam foundation are presented.

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