張　毅，李　季，靳少波，王雪梅，孔慶梅

（黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海西寧，810008）

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龍羊峽拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層滲流特性及其影響研究

張毅，李季，靳少波，王雪梅，孔慶梅

（黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海西寧，810008）

龍羊峽水電站右岸壩基超深強(qiáng)透水貫穿性F120斷層和A2巖脈（以下簡(jiǎn)稱F120+A2斷層）延伸至基礎(chǔ)底部深達(dá)數(shù)公里，貫穿壩體的上下游，透水性強(qiáng)。為了研究庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位或高水位作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，F(xiàn)120+ A2斷層部位巖體滲流特性，評(píng)價(jià)對(duì)大壩安全的影響程度，黃河公司結(jié)合龍羊峽重力拱壩工程，利用大壩原型監(jiān)測(cè)資料和理論分析方法，建立了拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層巖體的蠕變分析模型及其數(shù)值模擬方法，對(duì)拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層滲流性態(tài)進(jìn)行了全面深入的分析。結(jié)果表明，龍羊峽大壩右岸壩基F120+A2斷層滲流和變形性態(tài)變化尚屬正常，其變化對(duì)大壩的工作性態(tài)尚未有明顯的影響，就目前F120+A2斷層的工作狀態(tài)，尚不需要采取進(jìn)一步加固處理。

龍羊峽拱壩；斷層；滲流特性；研究

1　工程概況

龍羊峽水電站位于黃河干流青海省境內(nèi)，是黃河上游龍青段梯級(jí)開發(fā)的“龍頭”電站，其水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能。工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用效益。樞紐由混凝土重力拱壩、兩岸重力墩、兩岸重力副壩、泄水建筑物、引水建筑物和水電站廠房等組成。擋水前緣總長(zhǎng)度1 226 m，其中主壩396 m，最大壩高178 m，最大底寬80 m，建基面高程2 432.0 m，壩頂高程2 610 m。水庫(kù)校核洪水位2 607 m，正常蓄水位2 600 m，設(shè)計(jì)汛期限制水位2 594 m，死水位2 560 m，極限死水位2 530 m。水庫(kù)總庫(kù)容276.3億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容247億 m3，有效庫(kù)容193.5億m3。電站裝機(jī)容量1 280 MW，保證出力589.8 MW，年發(fā)電量59.42億kW·h，系西北電網(wǎng)的主力電站。龍羊峽水電站于1979年12月截流，1982年6月河床混凝土開始澆筑，1986年10 月15日下閘蓄水，1987年9月29日第一臺(tái)機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電，12月2日第二臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，1989 年6月4日第4臺(tái)機(jī)組發(fā)電。

2　壩區(qū)主要斷層分布與F120+A2斷層

2.1龍羊峽壩區(qū)主要斷層

龍羊峽水電站壩基巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，巖性堅(jiān)硬，經(jīng)多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，壩肩斷層發(fā)育，相互切割，特別是大壩下游約300 m的F7斷層（寬約80～100 m）橫切河谷，形成南北大山溝，使兩岸山脈特別是左岸比較單薄。壩區(qū)主要斷層分布見圖2。按產(chǎn)狀分為5組：NNW、NW、SN、NE和NWW，其中NNW向（主要有F7-1、F18、F71、F73、F32、F67、F58等）壓扭性斷層，NE向（主要有F120、F57和A2等）張扭斷層，這兩組構(gòu)成整個(gè)壩區(qū)的斷層骨架。斷層、大裂隙和成組的節(jié)理多屬于這兩組。北東向斷層大多充填較寬的石英巖脈并形成蝕變巖帶，其中較大的是位于右岸的F120、f6斷層和A2巖脈，它們與河流呈銳角相交，貫通上下游巖體，且透水性相對(duì)較強(qiáng)，形成主要滲漏通道。

圖1　龍羊峽壩區(qū)主要斷層分布圖Fig.1 Distribution of main faults of Longyangxia hydropower station

2.2F120+A2斷層特點(diǎn)

龍羊峽拱壩右岸壩基的F120斷層在距壩肩不遠(yuǎn)的深部貫穿上、下游，寬度2～6 m，性狀較差，其走向與大壩推力方向近于正交，在2 560 m高程距壩頭最短距離為55 m，多有小的分支，充填糜棱石和角礫巖不甚連續(xù)，但有較連續(xù)的全強(qiáng)風(fēng)化蝕變巖帶，斷層泥平均厚度1.2 cm。A2石英巖脈寬達(dá)5～10 m，脈體內(nèi)NE向的直立裂隙和近水平裂隙發(fā)育，透水性很強(qiáng)。F120+A2斷層大多有數(shù)厘米至數(shù)十厘米的含有角礫與碎屑的夾泥，夾泥本身密實(shí)不透水，但斷層影響帶內(nèi)的碎裂巖體能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀滲水通道，透水性相對(duì)較強(qiáng)。

2.2.1F120+A2斷層的超深性

F120+A2斷層延伸至基礎(chǔ)底部深達(dá)數(shù)公里，斷層的滲透系數(shù)變化較大。影響巖石滲透系數(shù)的主要因素是裂隙密度、張開程度以及裂隙的風(fēng)化和泥質(zhì)物充填程度。隨著斷層深度的加大，F(xiàn)120+A2斷層的裂隙張開程度和泥質(zhì)物充填程度有所變化，而裂隙張開程度和泥質(zhì)物充填程度的差異性會(huì)導(dǎo)致斷層的滲透系數(shù)產(chǎn)生變化，因此需要研究F120+A2斷層的超深性導(dǎo)致斷層的滲透系數(shù)的變化規(guī)律，建立相應(yīng)的分析計(jì)算模型。

2.2.2F120+A2斷層的貫穿性

F120+A2斷層與河流成銳角相交，并且貫穿上下游巖體，對(duì)拱壩整體性影響較大。因此，需通過建立斷層巖體的有厚度有限元模型，研究斷層的滲流特征，據(jù)此分析F120+A2貫穿性斷層的滲流變化性態(tài)。

2.2.3F120+A2斷層的強(qiáng)透水性

F120+A2斷層透水性相對(duì)較強(qiáng)，斷層中的各部分大多有數(shù)厘米至數(shù)十厘米的含有角礫與碎屑的夾泥，夾泥本身密實(shí)不透水，但在斷層影響帶內(nèi)的碎裂巖體構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)狀滲水通道，必須研究其透水特性。

3　F120+A2斷層監(jiān)測(cè)成果分析

F120+A2斷層在2 463 m、2 497 m和2 530 m高程部位的監(jiān)測(cè)資料表明：

（1）自1986年蓄水以來，庫(kù)水位從未達(dá)到正常蓄水位2 600 m，2005年黃河上游來水較大，自4月26日開始，庫(kù)水位由2 558.70 m逐漸升高，至11月19日庫(kù)水位達(dá)蓄水以來最高水位2 597.62 m。水位上升期間，F(xiàn)120+A2斷層部位滲漏量明顯增大，達(dá)歷史最大值，各部位滲漏量較之前增大約300 mL/s。

（2）F120+A2斷層在2 463 m、2 497 m和2 530 m高程，滲漏量隨庫(kù)水位升高而增大，但可以看出滲漏量與庫(kù)水位呈一定的非線性關(guān)系。

（3）從現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查情況看，2005年庫(kù)水位升高期間，2 463 m、2 497 m和2 530 m高程的F120斷層置換洞和傳力槽部位無明顯的滲漏和滲漏量增大現(xiàn)象，說明此部位處理和帷幕灌漿防滲效果良好。但在2 463 m、2 497 m和2 530 m高程F120+A2斷層部位橫向排水廊道斷層巖體表面，滲水隨庫(kù)水的升高明顯增大，水位達(dá)歷史最高水位時(shí)此部位有刺水現(xiàn)象，滲水明顯較低水位時(shí)段要大。但是，此部位地下水位、揚(yáng)壓力較穩(wěn)定，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位無明顯的相關(guān)性，說明該部位巖體透水性較強(qiáng)。

為了進(jìn)一步分析龍羊峽庫(kù)水位達(dá)正常蓄水位或高水位作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)拱壩右岸壩基F120+A2斷層部位巖體滲流特性，需對(duì)F120+A2斷層工作性態(tài)進(jìn)行綜合分析研究和評(píng)價(jià)。

4　研究方法與成果

4.1研究方法

（1）拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層巖體的蠕變分析模型及其數(shù)值模擬方法。

（2）拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層巖體滲流特性及分析方法。

（3）拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層巖體滲流場(chǎng)演變規(guī)律。

（4）拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層巖體轉(zhuǎn)異診斷。

（5）超深斷層巖體引起大壩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)異的診斷方法及其滲流安全監(jiān)控模型。

4.2主要研究成果

本項(xiàng)目針對(duì)龍羊峽大壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層F120+A2與工程安全密切相關(guān)的滲流問題開展研究，主要研究成果如下：

（1）研究了超深強(qiáng)透水貫穿性斷層法向壓縮和剪切蠕變特性，建立了有厚度斷層法向壓縮蠕變模型和切向剪切蠕變模型；針對(duì)蠕變損傷會(huì)導(dǎo)致剛度劣化和強(qiáng)度弱化的特點(diǎn)，建立了斷層的損傷函數(shù)和考慮損傷演化的屈服函數(shù)，構(gòu)建了斷層損傷蠕變模型。結(jié)合對(duì)有厚度斷層的蠕變特性的研究，建立了夾層單元應(yīng)變?cè)隽颗c位移增量的關(guān)系，導(dǎo)出了宏觀各向同性?shī)A層的彈性柔度矩陣，在常規(guī)夾層單元研究的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)龍羊峽有厚度斷層蠕變模擬的有限單元法。

（2）研究了超深斷層滲流基本特性，建立了超深斷層面單寬流量和總流量表達(dá)式及超深斷層帶滲透系數(shù)隨深度變化的表達(dá)式，并提出了超深斷層滲流最大計(jì)算深度的確定方法；通過對(duì)超深斷層面幾何形態(tài)的分形模擬和分析，建立了分形影響的超深斷層面滲流特性有限元數(shù)值模擬方法。在超深斷層滲流基本特性和分形影響的超深斷層面滲流特性研究的基礎(chǔ)上，提出了蠕變對(duì)超深斷層面滲流特性影響的滲透系數(shù)表達(dá)式，同時(shí)建立了蠕變作用下超深斷層帶、壩基等效連續(xù)介質(zhì)巖體滲透系數(shù)表達(dá)式，并據(jù)此構(gòu)建了蠕變作用下龍羊峽超深斷層面、超深斷層帶滲流計(jì)算分析模型和蠕變與滲流耦合模型。

（3）從多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性變化的角度，分析了超深斷層滲流演變影響因素及作用效應(yīng)，研究了斷層頂部覆蓋層長(zhǎng)度、壩基防滲排水結(jié)構(gòu)、超深斷層面、超深斷層帶及壩基等效連續(xù)介質(zhì)巖體引起壩基滲流演變的規(guī)律?；诔顢鄬訚B流監(jiān)測(cè)資料，研究了超深斷層滲流演變規(guī)律的分析方法，重點(diǎn)探討了位勢(shì)分析法、相關(guān)分析法、類比分析法及基于監(jiān)控模型分析法的特點(diǎn)和分析過程。建立了超深斷層滲透系數(shù)反演的目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)廣義灰色關(guān)聯(lián)度與優(yōu)勢(shì)分析，確定了目標(biāo)函數(shù)權(quán)系數(shù)，據(jù)此提出了改進(jìn)的遺傳-模擬退火混合算法對(duì)壩基滲透系數(shù)進(jìn)行反演分析，構(gòu)建了超深斷層滲流演變時(shí)序模型。在深入研究壩基巖體斷層滲透系數(shù)反演分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同測(cè)點(diǎn)敏感性分析，建立了滲透系數(shù)反演分析的多測(cè)點(diǎn)加權(quán)目標(biāo)函數(shù)，提出了斷層結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)計(jì)算方法。

（4）定義了壩基巖體由孔隙率表示的損傷變量，并根據(jù)滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系式，提出了超深強(qiáng)透水貫穿性斷層壩基巖體（包括帷幕）損傷影響的滲透系數(shù)演化方程，同時(shí)研究了超深斷層壩基排水失效機(jī)理和失效模擬方法。利用滲流有限元分析方法，模擬了壩基防滲排水失效以及超深強(qiáng)透水貫穿性斷層導(dǎo)水能力改變的過程，分析了壩基防滲帷幕、斷層逐步損傷及排水孔逐步失效過程中壩基滲流要素的變化規(guī)律，提出了防滲帷幕、超深強(qiáng)透水貫穿性斷層轉(zhuǎn)異的損傷判據(jù)和排水孔轉(zhuǎn)異判據(jù)。利用超深強(qiáng)透水貫穿性斷層壩基巖體滲流量時(shí)效分量數(shù)據(jù)序列，應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論和突變理論，建立了基于灰色尖點(diǎn)突變模型的超深強(qiáng)透水貫穿性斷層壩基滲流場(chǎng)轉(zhuǎn)異診斷方法。針對(duì)壩基斷層滲流測(cè)壓管水位和排水孔流量監(jiān)測(cè)資料，建立了壩基斷層滲流性態(tài)分析的模糊可拓評(píng)價(jià)模型，利用投影尋蹤方法擬定了指標(biāo)的權(quán)重。

（5）基于Hurst指數(shù)和相空間重構(gòu)法，提出了兩種計(jì)算大壩分形維數(shù)診斷大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的方法；基于偏最小二乘法和遺傳模擬退火算法，建立了大壩監(jiān)控優(yōu)化模型；基于模糊推理和D-S證據(jù)推理，提出了大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)轉(zhuǎn)異診斷的數(shù)據(jù)融合方法。利用測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)資料，研究了確定超深斷層測(cè)壓管水位滯后上游庫(kù)水位時(shí)間、不穩(wěn)定滲流對(duì)應(yīng)的等效庫(kù)水位的方法，并通過超深斷層壩基三維滲流有限元計(jì)算，提出了考慮庫(kù)水位滯后效應(yīng)的測(cè)壓管水位水壓分量確定方法。通過ADALINE網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)濾波器中的抽頭延遲線構(gòu)造塊，模擬了降雨的滯后效應(yīng)，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了考慮降雨滯后效應(yīng)測(cè)壓管水位降雨分量的確定方法，綜合考慮庫(kù)水位滯后效應(yīng)、溫度及時(shí)效的作用，建立了考慮庫(kù)水位和降雨滯后效應(yīng)的超深斷層壩基測(cè)壓管水位監(jiān)控模型。

綜上所述，通過研究，提出了拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層滲流特性分析方法，建立了超深強(qiáng)透水貫穿性斷層的蠕變分析模型，分析了斷層滲流場(chǎng)中防滲帷幕以及排水孔的轉(zhuǎn)異特征，并構(gòu)建了超深強(qiáng)透水貫穿性斷層巖體引起大壩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)異的診斷方法體系，據(jù)此分析了龍羊峽拱壩右岸壩基F120+A2超深強(qiáng)透水貫穿性斷層的工作性態(tài)。研究成果不僅為在確保龍羊峽大壩工程安全的前提下充分發(fā)揮工程效益提供了科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為類似工程的工作性態(tài)分析提供了有效方法和技術(shù)支撐。

5　結(jié)語

龍羊峽拱壩超深強(qiáng)透水貫穿性斷層滲流特性研究不僅具有重要的理論價(jià)值，而且具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

（1）可及時(shí)發(fā)現(xiàn)龍羊峽大壩運(yùn)行過程中的安全隱患，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，為管理層提供科學(xué)決策支持，使工程在保證安全運(yùn)行的前提下充分發(fā)揮其效益，減少突發(fā)事件的發(fā)生。

（2）有助于掌握滲流場(chǎng)的滲流演變過程，進(jìn)而分析和研究滲流時(shí)間效應(yīng)及滲流破壞機(jī)理，據(jù)此提出防滲排水措施的建議，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值，并可豐富滲流力學(xué)的研究方法。

（3）對(duì)于運(yùn)行多年的龍羊峽大壩，可以借此開展隱患病害檢測(cè)和健康診斷研究，從而為進(jìn)一步深入研究其老化機(jī)理、壽命評(píng)估的理論和方法、預(yù)警系統(tǒng)的研制等打下基礎(chǔ)。

（4）從滲流理論角度看，滲流控制是工程安全不可缺少的組成部分，對(duì)其演變規(guī)律及轉(zhuǎn)異特征的深入研究和反饋分析，無疑會(huì)推動(dòng)該學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

（5）針對(duì)滲流場(chǎng)的研究方法和理論可以延伸到結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的應(yīng)用研究中，進(jìn)一步完善水工建筑物的安全監(jiān)控體系，推動(dòng)水利水電工程安全監(jiān)控朝著縱深方向發(fā)展。

［1］李季.龍羊峽大壩高水位運(yùn)行期變位規(guī)律分析［J］.大壩與安全，2008（1）：38-40.

［2］范振東，崔偉杰，郭芝韻，張毅.基于改進(jìn)的PSO-SVM法的大壩安全非線性預(yù)警模型研究［J］.水電能源科學(xué)，2014 （11）：73-75.

［3］張毅，李季，胡鎖鋼，鄧義.黃河李家峽大壩原型觀測(cè)試驗(yàn)研究［J］.大壩與安全，2014（6）：60-64.

The ultra-deep strong pervious penetrating fault F120 and dyke A2（hereinafter referred to as the F120+A2 fault）at dam foundation of Longyangxia hydropower station extend to the foundation bottom for several kilometers，penetrating upstream to downstream of the dam.In order to study the seepage characteristics of the rock mass at the F120+A2 fault during long-time operation with normal water level or high water level and evaluate its influence on dam safety，by use of prototype monitoring data and theoretical analysis method，creep analysis model and numerical simulation method are established.The result showed that the seepage and deformation at the F120+A2 fault is normal and it has not exerted any abnormal influence on dam performance.For the current working state of F120+A2 fault，no rehabilitation is needed.

Longyangxia arch dam；fault；seepage characteristics；research

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0023-04

2014-12-26；

2015-01-16

張毅（1966-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇髩伟踩芾怼?/p>

作者郵箱：zhyygx@163.com

Title：Characteristics study of seepage through ultra-deep strong pervious penetrating fault and its influence of Longyangxia arch dam//by ZHANG Yi，LI Ji，JIN Shao-bo，WANG Xue-mei and KONG Qingmei//Yellow River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.