【文摘】上库特殊的地形、地质条件导致上库渗漏问题严重。工程处理后渗漏量的大小成为方案选择的关键因素，根据上库的地质结构和不同的防渗措施建立三维有限元渗流模型，对几种比较方案进行了相对精确的渗漏量计算，为防渗方案的确定提供了可靠的依据。表３个。图１幅。

【主题词】抽水蓄能电站上水库三维渗流渗流分析双重裂隙系统防渗

１概述

回龙抽水蓄能电站位于河南省南召县城东北约１６ｋｍ的江淮分水岭附近，电站装机容量为１２０ＭＷ，由上库、下库及引水发电系统组成。上库总库容１１３万ｍ３，上库工程主要包括主坝、副坝等建筑物。主坝为碾压混凝土坝，最大坝高５４ｍ，坝顶长２０８ｍ，坝顶高程９００ｍ；副坝为常态混凝土重力坝。

由于上库、下库库容较小，枯水季节补给水量很少，水库可供调节的水量有限。为保证工程正常运行，必须采取有效的渗控措施。经估算，上库的允许渗漏量应控制在６００ｍ３／ｄ左右。因此上库在防渗处理后的渗漏量就成为方案选择的关键因素。为此，采用了目前国内领先的三维有限元渗流计算方法对比选方案的总渗漏量进行了比较精确的计算，为选定合理的工程措施提供了依据。本文对上库的地质条件、地质模型的建立和计算的结果进行了分析论述，希望对类似工程有所帮助。

２地质条件

２．１地形及构造特点

上库为一小型集水盆地，库盆近似扇形，南北长３００ｍ，东西宽２５０ｍ，库盆北西为一峡谷出口，东面为江淮分水岭，库盆外侧地形很陡，南侧和北侧均被支沟切割。环库盆山梁高程一般为８９８ｍ～９６０ｍ。

上库库区基岩岩性主要为燕山晚期细粒花岗岩，局部为似斑状花岗岩。

上库库区的构造特征主要表现为节理、节理密集带和断层。通过对库区节理的调查统计，发现库区共发育三组节理，其产状分别为：①２０°～３０°／ＮＷ∠７０°～８５°；②２９０°～３１０°／ＮＥ或ＳＷ∠７０°～８８°；③７０°～８０°／ＮＷ或ＳＥ∠７５°～８５°。这些节理无论在平面上还是在倾向方向延伸均较长，长度多在５ｍ～３０ｍ之间，局部表现为节理密集带。

上库构造的一个显著特点是沿沟谷均发育不同规模的构造破碎带，有的属节理密集带，有的为断层。在ＰＤ０１探硐开挖和引水发电洞的施工中，发现有的断层和节理带向下延伸数百米，并有不同程度的渗水或涌水现象，在工程特性上二者具有相似的特征（见表１）。

２．２水文地质特征

上库库区清理后，地下水的类型只有基岩裂隙水。基岩裂隙水受大气降水补给，主要赋存于表层风化卸荷岩体、节理密集带和断层中，形成壳状、带状、脉状含水层。含水层因受地形和构造条件的控制分布在不同的高程和地质单元内，基本不存在统一的地下水面。

从钻孔压水试验统计结果看，微风化及新鲜岩体的透水率明显小于弱风化岩体，而断层和节理带的透水率又远高于一般的裂隙岩体。所以，断层和节理带是地下水渗透的良好途径，对上库的渗漏起控制作用。

上库库盆三面临深切沟谷，库周山梁即为地表水及地下水的分水岭。通过对上库１４个勘探钻孔的地下水位统计，绝大多数钻孔的地下水位都低于水库正常蓄水位。上库蓄水后，地下水的补、排关系发生变化，大部分库段都存在渗漏的问题。

上库特殊的地形特征、构造条件和地下水分布特点决定了上库存在严重的渗漏问题，必须做好可靠的防渗措施。

３防渗方案

根据以上的分析，确定上库防渗的处理形式主要有２种：垂直防渗和水平防渗。垂直防渗是在库周围和构造带两侧做帷幕灌浆或固结灌浆；水平防渗是在库盆范围内做钢筋混凝土面板或挂网喷混凝土面层。上库共比较了以下５种防渗方案。

１）垂直防渗方案。在主、副坝及环库主要渗漏地段设两排孔灌浆帷幕，孔距２ｍ，在通过节理密集带或断层部位做加深处理，帷幕底界控制在弱透水层以下３ｍ～５ｍ，最深处为６５ｍ。具体范围为：主坝右坝肩向外延伸４０ｍ。主坝及主坝左坝肩至副坝右坝肩、副坝及副坝右坝肩向外延伸６０ｍ；库区东部Ｌ４８节理带及两侧各２０ｍ设置灌浆帷幕；其它部位均不做处理。

２）垂直防渗结合构造带带状封闭防渗方案。该方案是在方案１）的基础上，对库盆范围内的构造带进行钢筋混凝土面板带状防渗处理。沿断层或节理带埋置排水管，在构造带及两侧各１２ｍ范围内，浇筑Ｃ２５钢筋混凝土面板，面板厚３０ｃｍ，每８ｍ设一道伸缩缝，用紫铜片止水。

３）垂直防渗结合沿构造带灌浆方案。该方案是在方案２）的基础上，在构造带两侧各增加３排固结灌浆孔，孔距２ｍ，孔深８ｍ。

４）钢筋混凝土面板及挂网喷混凝土面层全封闭方案。该方案取消垂直防渗帷幕，对构造带的处理同方案２），库盆其它部位为挂网喷Ｃ２０混凝土面层，厚度１５ｃｍ。

５）钢筋混凝土面板全封闭方案。该方案是整个库盆全部采用钢筋混凝土面板防渗，厚度３０ｃｍ，面板布置形式、排水系统的设置与方案２）做法相同。

４三维有限元渗流计算

为了对各防渗方案的渗漏量有相对精确的比较，针对前３种方案，联合清华大学进行了三维有限元渗流计算，对于全包防渗的后２种方案则应用Ｄａｒｃｙ公式进行估算。有限元计算过程如下。

４．１计算模型

根据上库的地质结构和水文地质条件，在计算中采用双重裂隙系统渗流模型。所谓双重裂隙系统是由主干裂隙系统和其间的裂隙岩块构成的具有导水、储水双重作用的水文地质体。双重裂隙系统渗流模型是由主干裂隙网络渗流方程和各裂隙岩块渗流方程偶合而成。主干裂隙网络按其渗透结构形式分为带状断层类、面状裂隙类，由这些结构在空间上以体单元、面单元组合，构成了三维空间的主干裂隙网络。

面状裂缝类渗流为二维流，其稳定态渗流连续性方程为：

式中：ｘ＇、ｙ＇为沿裂隙面的渗透主方向；Ｈｆ为水头；Ｑｆ为源汇流量。

带状断层类渗流为三维流，其稳定态渗流连续性方程为：

式中：ｘ＇、ｙ＇、ｚ＇为断层单元的渗透主方向；Ｈｆ为水头；Ｑｓ为汇源流量。

裂隙岩块的渗流为三维流，其稳定态渗流连续性方程为：

式中：ｘ＇、ｙ＇、ｚ＇为裂隙岩块单元的渗透主方向；Ｈｓ为水头；Ｑｓ为汇源流量

对上述方程在计算区域上进行离散，把主干裂隙与裂隙岩块接触面上的水头相等作为条件，将两类系统的渗流方程的渗透矩阵进行叠加组合，形成双重裂隙系统渗流数值模型。

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；主坝下游边界为一沟谷，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。

在单元划分中，主要考虑了断层、岩层风化带、岩块结构、混凝土铺盖、防渗帷幕和坝体这些地质结构和防渗结构体。从地表向下共分１５个厚度层，划分的总节点数为３６１９８，总单元数为３４５０３。

４．２边界条件

模型边界条件的选取直接影响渗漏量计算的结果，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Ⅰ：左侧边界为Ｌ１４边界，其节点取为地下水自由溢出点，仅断层的上下游低洼处的节点取为定水头，其值为该处的地表高程。右侧边界为局部分水岭边界，在Ｌ４８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。

边界条件Ⅱ：右侧边界与条件Ⅰ相同。左边界、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。这样，从库区渗到边界的地下水通过构造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。条件Ⅰ和条件Ⅱ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）。构造带分布及模型范围（见图１）。

４．３计算工况及参数

计算工况分别选取正常蓄水位８９９ｍ和低水位８７６．４ｍ进行计算。渗透系数的选取主要是根据已建工程经验类比确定，几条节理带的渗透系数还根据探硐揭露的节理带出水情况进行反算，然后加以修正。渗透系数取值（见表２）。

４．４计算结果分析

对３种方案的２种边界条件、２种工况分别进行计算，可以得出相应的渗漏量。此外，库盆渗漏量与电站的运行方式有关，不同时段库水位不同，渗漏量也不同。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。据此可计算出３种防渗方案的综合日渗漏量。计算结果（见表３）。

通过与常规的渗流计算比较，发现边界条件Ⅱ与实际接近，所以仅对边界条件Ⅱ的成果进行比较。

对于方案１），正常蓄水位时渗漏量最终收敛值约在３０００ｍ３／ｄ，而且帷幕深度超过３０ｍ以后，对库盆渗漏量的影响已经非常有限，因此，从技术角度看该方案是不可行的。方案２）的综合渗漏量达１８８１．８ｍ３／ｄ，已经大于整个电站的允许渗漏量，技术上也不可行。方案３）的渗漏量最小，但考虑到下库和引水发电系统的渗漏量以后，仍然不满足要求，经估算投资已超过推荐方案４）约１０００万，因此，该方案也不予采用。方案４）和方案５）的渗漏量按Ｄａｒｃｙ公式估算：

Ｑ＝Ａ·Ｋ·Ｊ（４）

式中，Ｑ－渗流量（ｍ３／ｄ）

Ａ－渗流断面面积（ｍ２）

Ｋ－渗透系数（ｍ／ｄ）

Ｊ－渗流水力坡降，即水头与渗径长度的比值。

为安全计，不考虑岩体对渗流的阻水作用，水头取平均值，Ｋ取８．６４×１０－６ｍ／ｄ。方案４）的渗漏量为１８３ｍ３／ｄ，方案５）的渗漏量为１１９ｍ３／ｄ，这两种方案的渗漏量均能较好满足允许渗漏量的要求。这两种方案在技术上都是可行的，经投资估算，方案５）比方案４）投资增加约１０００万元。综合比较认为，方案４）是相对最优的选择。

５结论

１）由于上库特殊的地形地质条件，渗漏问题是十分严重的，能否有效地控制渗漏量是方案选择的关键因素。２）通过三维有限元渗流计算，采用常规的垂直防渗或垂直防渗加部分铺盖，在技术上无法满足工程需要，而采用库盆全面防渗可以满足工程需要。３）通过经济技术比较，混凝土板加喷锚全封闭方案和混凝土面板全封闭方案相比具有技术可行、投资明显降低的特点，相对于该工程的投资规模具有明显的优越性，因而作为推荐方案。

作者单位：黄河水利委员会设计院