水库大坝防渗效果评估方法研究

水库大坝防渗效果评估方法研究

李学波

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摘要：水库大坝的防渗效果直接关系到工程的安全稳定与经济效益。在面临复杂地质条件和特殊结构的挑战时，如某大坝，科学的防渗效果评估方法显得尤为重要。本文将探讨某水电站大坝的防渗设计与渗流仿真计算，以及如何通过这些方法来评估其防渗效果。

关键词：水库大坝；防渗效果；评估方法；研究

一、引言

水库大坝作为水利工程的核心组成部分，其安全稳定直接关系到水资源的合理利用、电力供应的可靠性以及周边生态环境的保护。防渗技术在大坝工程中发挥着至关重要的作用，它通过控制和减少水分通过坝体及其基础，确保水体保持在预定范围，防止库水渗漏造成水资源浪费，保障大坝结构的长期稳定，同时减少水力荷载对坝体的影响，降低渗流诱发的地震风险，保证周边地区人民生命财产安全。因此，防渗效果的评估与优化是大坝工程设计、建造和运行管理中的关键环节。

某水电站，作为世界第二大水电站，其主体工程——300米级特高拱坝，集高坝挑战、地质复杂、渗控难题于一体，其防渗效果的评估尤显重要。大坝位于四川省与云南省交界处的高山峡谷地带，设计蓄水位高达825米，总库容达到206.27亿立方米。水电站的开发目标主要是发电，装机容量高达16000兆瓦，年平均发电量达624.43亿千瓦时，其规模之大、功能之重，对防渗技术的要求超越了绝大多数常规水电站。在如此极端条件下的大坝，其防渗帷幕、排水孔幕、排水廊道等复杂渗控结构的设计与实施，不仅对某水电站的安全运行至关重要，同时也为全球高坝建设提供了宝贵的工程实践经验和理论参考。

通过详细研究，旨在揭示防渗系统在特高拱坝中的具体应用和效果，为未来类似工程提供技术参考，推动大坝防渗技术的进一步发展。防渗效果评估的精确性不仅对某水电站的长期运行有直接影响，同时也是对大坝安全监控体系的完善和优化，对保障国家能源战略具有深远意义。

二、某大坝渗控工程与仿真计算

某大坝地处高山峡谷地貌，其地质条件复杂，尤其是玄武岩发育的柱状节理和多条断层，以及层间错动带的存在，对防渗设计提出了高要求。大坝渗控工程采用了以防为主、以排为辅的策略，包括防渗帷幕、排水孔幕和排水廊道等结构。防渗帷幕在大坝和二道坝处设置，以减少库水的渗入，帷幕灌浆深度和排数随着坝高变化，保证了防渗效果。排水孔幕和排水廊道则在大坝下游和基底设置，形成多道纵横向的立体排水系统，通过抽排至下游，确保渗流有效排出。

在这样的渗控结构设计基础上，进行渗流仿真计算是评估防渗效果的关键步骤。仿真计算采用固定网格法，这是因为这种方法在处理复杂渗控结构时，比变网格法更具优势，尤其是在计算效率和模型简化上。固定网格法又进一步分为直觉化方法和变分不等式方法。直觉化方法如剩余流量法、初流量法、节点虚流量法和调整渗透系数法等，虽然在一定程度上解决了渗流问题，但往往在非渗流域对渗流域节点水头的影响上存在困难。相比之下，变分不等式方法因其数学基础严谨，能够将自由面问题转化为全域问题，从而更全面地模拟渗流场。

渗控仿真计算针对某大坝的特殊地质条件，如非均质性和各向异性渗透性，制定出针对性的计算策略。例如，针对排水孔幕，研究者提出了“以管代孔”、“以缝代井列”、“复合单元法”以及空气单元法和排水子结构法等，以解决小尺寸孔洞和排水孔数量调整的难题。陈益峰等人提出的SVA方法，结合子结构、变分不等式和自适应罚函数，成功地解决了含复杂渗控结构的稳定渗流问题，为某大坝的仿真计算提供了有效手段。

通过三维渗流场整体有限元模型，研究人员精细模拟了坝体、基础、垫座、水垫塘和二道坝等关键部位的防渗排水结构，采用高效的网格划分策略，形成大规模的六面体和四面体单元网络。在仿真计算中，模型充分考虑了介质的渗透性、渗流规律以及坝区的水文地质条件，确保计算结果的准确性与可靠性。

仿真计算结果显示，某大坝在正常运行工况下，防渗帷幕成功阻止了上游库水向下游渗透，防渗效果显著。扬压力在防渗帷幕和排水孔幕下游显著减小，表明渗控结构能有效减轻水压力。坝基渗漏量通过排水孔幕得到了有效控制，总渗漏量在可接受范围内，确保了大坝的安全稳定。

某大坝的渗控工程设计充分考虑了地质特征和渗流特性，采用的仿真计算方法能够精确模拟复杂结构的影响，为大坝的防渗效果评估提供了科学依据。这些研究成果不仅对某水电站的安全运行提供了保障，也为全球高坝建设提供了重要的技术和实践经验，对推动大坝防渗技术的创新和发展具有深远影响。

三、渗控效果评估与分析

在某大坝的防渗工程中，渗控效果的评估至关重要，它直接关系到水电站的运营安全与效率。通过三维渗流场整体有限元模型，研究人员对防渗帷幕、排水孔幕、排水廊道等复杂结构进行了深入的仿真计算。模拟区域内包括了大坝坝体、扩大基础、左岸垫座、水垫塘及二道坝等水工建筑物，模型精细刻画了这些构筑物的防渗排水结构，确保了计算结果的精确性。

仿真计算结果显示，某大坝在正常运行条件下，防渗帷幕在坝体上游区域形成了一道有效的水力屏障，使得总水头等值线在防渗帷幕处密集，而在防渗帷幕下游侧则变稀疏，整体呈现出从上游经防渗帷幕向下游渗漏的趋势。在建基面的上游侧，水头值较高，经过防渗帷幕和排水孔幕后，水头值迅速降低，这充分证明了防渗帷幕在阻止上游库水向下游渗透方面的作用显著。

在坝基区域，渗控效果同样令人满意。根据计算结果，坝基总渗漏量为3 111 m³/d，主要集中在左岸坝基。渗控结构如排水孔幕和防渗帷幕的设置，使得扬压力在这些结构下游侧明显减小，扬压力折减系数小于0.3，有效地降低了扬压力对坝体的不利影响。此外，坝肩的渗漏量也得到了有效控制，进一步保障了大坝结构的稳定性。

抗力体、水垫塘以及二道坝的渗控表现同样出色。左右岸抗力体、水垫塘以及二道坝的总渗漏量为5 104 m³/d，其中二道坝处的渗漏量相对较小。值得注意的是，两岸抗力体中的最底层排水廊道存在少量渗漏，这可能是未来维护与优化的重点区域。总体来看，排水孔幕的设置及排水廊道的纵横向立体设计，形成了高效的排水系统，确保了渗流的有效排出，从而维持了大坝内部的稳定水压。

综合以上分析，某大坝的防渗帷幕和排水孔幕设计在正常运行工况下表现出色，有效地控制了渗漏量，验证了设计方案的合理性。然而，渗控效果的持续性仍需要长期的监测和维护，以确保大坝在极端工况下的安全稳定。这些评估结果不仅为某水电站的运营提供了有力的数据支持，也为未来类似高坝项目的渗控设计提供了宝贵的经验和理论依据，推动了全球大坝防渗技术的进步。

结束语

综上所述，某大坝的防渗排水方案在正常运行工况下表现出良好的防渗效果，渗漏量控制在合理范围内。通过三维渗流场模拟和渗控结构的精细化模拟，为类似工程提供了宝贵的经验和参考。未来，随着渗流分析技术的进一步发展，更精确的仿真模型和更高效的计算方法将有助于提升大坝防渗效果评估的精度，确保大型水利工程的安全稳定运行。

参考文献

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