基于ADINA的里底水利枢纽施工期三维渗控措施分析

杜万军， 李 青

(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

里底水利枢纽施工期采取了上下游围堰与明渠导流的方式，为确保枢纽区施工场地安全以及防排措施[1-2]的有效性，通常需要对整个枢纽区渗流场[3]分布情况和渗流量[4]分析计算。尤其对于大型水利工程而言，其综合渗控系统[5-6]通常非常复杂，各措施之间联系紧密。文中采用三维有限元法[7]，建立该枢纽施工期三维渗流模型[8-9]，模拟不同工况下枢纽区渗流场的分布情况以及不同防排措施对渗流场的相互影响和作用，明确了复杂防排系统在整个枢纽施工阶段对渗流场的控制作用[10-11]，并通过计算渗流水量来布置集水井数量。对所设防排措施的合理性进行评价，保证枢纽区安全施工。

1 工程概况及研究方法

1.1 工程概况

里底水电站地处云南省澜沧江上游干流，水库正常蓄水位为1 818 m，死水位为1 814 m，校核洪水位为1 818.9 m，总库容为0.745亿m3，电站装机容量420 MW。坝址地层基岩分布主要以二迭系上统下段(P2a)：墨绿色、深灰色斜长石绢云母石英千枚岩夹变质砂岩、微晶片岩为主。枢纽施工期上下游设置围堰，上游围堰堰顶高程1 800 m，下游围堰堰顶高程1 778 m。施工期，上游水位1 799 m，下游水位1 777 m。为了有效降低导流明渠底部扬压力，上游采用一道帷幕，下游采用封闭帷幕方案。灌浆廊道断面尺寸为2.5 m×3.0 m(宽×高)，帷幕灌浆孔间距3 m，帷幕深度在20 m左右。施工阶段需要通过渗流水量结果来布置集水井的数量。

1.2 研究方法

通常，综合渗控措施数值模拟难点在于其空间结构的复杂性和排水措施的简化。由于排水孔相对于整个枢纽区来说，可以忽略其尺寸效应，所以将其简化成带有节点的线条，再施加点荷载。排水孔上方廊道位置处于无压流状态，通过施加静水头来模拟实际廊道的排水情况，且上下游水位也采用静水头荷载，计算和实测结果比较吻合。

计算模型如图1所示，向下游取7.5倍坝高，坝基向下取2倍坝高，左右岸分别取7倍和6倍坝高。计算模型由上向下包含河床覆盖层、两岸岸坡覆盖层、左岸卸荷带、强风化层、弱风化层以及完整基岩五个地层、防渗帷幕(包括明渠底部和上游坝址处)以及渠道衬砌、上下游围堰、基坑等部分组成。在有限元软件ADINA中建立三维施工期真实模型，模型大小为950 m ×892 m × 448.4 m(长×宽×高)，共剖分为105 242个结点。基岩单元138 430个，弱风化层单元8 943个，强风化层单元91 258个，卸荷层单元1 890个，左右岸覆盖层单元16 811个，河谷覆盖层单元29 132个，均采用六面体单元网格划分。围堰单元1 968个，明渠体单元27 517个，帷幕单元7 719个，均采用四面体单元网格划分，共计245 455个单元，模型计算参数如表1所示。

明渠底部的排水廊道、排水孔和帷幕灌浆廊道位置示意如图2，排水孔间距3 m。

2 结果分析与讨论

2.1 典型断面渗流场分布

通过有限元软件进行三维渗流计算，得到不同工况下典型断面位置渗流场分布，结果如下。为研究基坑和明渠位置渗流场分布，分别选取两个典型位置断面水头等值线图进行分析，基坑处典型断面位置选在垂直于河流方向的基坑中部横断面位置，明渠处典型断面位置选在顺河向明渠中部纵断面位置。为研究不同渗控措施在正常运行和失效情况下对枢纽区渗流场的影响结果，计算工况分为四种。

工况一：所有洞室已衬砌，排水廊道、排水孔正常运行，其它洞室衬砌，帷幕正常运行。

工况二：排水廊道和排水孔失效，帷幕正常运行。

工况三：排水廊道和排水孔正常运行，明渠帷幕失效。

工况四：排水廊道、排水孔和帷幕全部失效。

根据四种工况下浸润线的分布结果：当排水孔、排水廊道和防渗帷幕均正常运行情况下，整个施工区域的浸润线基本上处于施工面以下；防渗帷幕、明渠底部排水廊道和排水孔均对浸润线降低作用显著，其中帷幕延长了水流的渗流路径，明渠底部排水廊道和排水孔对浸润线降低幅度更大、效果更明显。枢纽区整体水头降低效果明显，所以应该确保帷幕和排水系统均正常运行；在施工期间，上游围堰截水使上游水位雍高(堰顶高程1 800 m)，围堰附近渗流场变化明显；而大坝建成后，上游水位将上升至正常蓄水位1 818 m，对大坝附近渗流场影响会更大，所以目前所设计的防渗帷幕及排水措施是合理且必要的。

施工期四个子工况下的渗流量汇总如表2所示：明渠上游和基坑的渗水量随着排水、帷幕的失效呈现不断增大的趋势，综合渗控措施均正常运行时对明渠上、下游和基坑渗流水量控制效果较好；排水廊道和排水孔对收集到排水廊道的渗流水量排泄作用相当重要，对渗入下游水量的控制作用没有防渗帷幕显著，帷幕失效导致渗入基坑水量增加了近2倍，综合渗控措施均失效导致基坑渗水量增加3.9倍，很大程度上减小了进入基坑和导流明渠下游的渗水量。可根据渗流量计算结果，选择和布置集水井的规格和数量。

表1 模型计算参数[12]

图1 三维有限元计算模型 图2 综合渗控措施模型

图3 基坑断面水头等值线图(m) 图4 明渠断面水头等值线图(m)

图5 基坑断面水头等值线图(m) 图6 明渠断面水头等值线图(m)

图7 基坑断面水头等值线图(m) 图8 明渠断面水头等值线图(m)

图9 基坑断面水头等值线图(m) 图10 明渠断面水头等值线图(m)

表2 施工期不同工况流量汇总表

2.2 明渠底部扬压力计算分析

从明渠上游向下游取模型底部节点计算其底板扬压力分布情况，计算结果如图11所示。

从图11可以看出：防渗帷幕和排水系统布置越集中的区域，扬压力降低幅度越大，尤其是下游200～300 m位置明渠底部扬压力的下降非常显著，最大降幅在10～15 m水头左右；防渗帷幕与排水系统正常工作情况下，明渠底板扬压力最低，其中任何一种渗控措施失效，都会增大底板扬压力，最低增幅为9 m；对比四种不同计算工况，排水廊道和排水孔对扬压力降低效果要比防渗帷幕作用明显，说明该排水措施的有效性和可行性。为持续降低导流明渠底部扬压力，可在初步设计排水孔3 m间距的基础上，适当的减小至2 m间距并增加帷幕灌浆深度，进一步提高施工导流的安全稳定。

3 结 论

本文对枢纽施工期综合渗控措施进行了合理的三维有限元数值计算，分析不同工况下防渗帷幕和排水措施对枢纽区渗流的影响效果，结论如下：

(1)显然，排水孔和排水廊道加速了排泄渗流水量，对枢纽区浸润线降低作用明显，防渗帷幕延长了渗透水流路径，有效地减少了施工导流过程中从上游到下游的渗水量，尤其是渗入基坑的水量，综合渗控措施的联合使用对枢纽区浸润线和总水头降低以及渗水量的控制起到了至关重要的作用。

(2)整个枢纽区在明渠施工导流过程中，设计综合渗控措施能很大程度降低明渠底板扬压力，排水廊道和排水孔对明渠底部扬压力的影响效果比防渗帷幕较显著一些，其中任何一种渗控措施失效都会大幅度增加明渠底部扬压力。综合渗控措施均正常运行，才能确保施工导流明渠的安全稳定。

(3)根据不同工况计算结果建议如下：参考计算渗水量来确定集水井合理规格和数量，从而满足收集和排泄渗流水量要求，为施工导流提供依据。为提高渗控效果，可以适当缩小排水孔间距，同时按照施工要求适当增加帷幕灌浆深度，进一步满足枢纽区施工导流要求。