白鹤滩水电站坝址区地质条件较为复杂，且两岸山体发育的多条层间层内错动带与地下洞室群围岩相交，错动带作为一种软弱结构面，一旦发生透水将对水电站的安全造成很大的威胁.层间错动带是顺着层状岩体中若干彼此平行的软弱层在构造运动剪切作用留下的一组厚薄不一、间距不等的永久变形条带［1］，具有结构疏松、分布随机、延展性强、粒间连接弱的特点［2-4］.白鹤滩水电站枢纽区层间错动带是发育于各岩流层顶部凝灰岩层中的缓倾角、贯穿性的错动构造［5］，且其在白鹤滩水电站玄武岩中分布非常广泛.段淑倩等［6］根据结构控制因素将含层间错动带岩体的破坏模式分为3种：塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方和剪切滑移型破坏，其在地下水流场分布以及岩体质量优劣方面起着较大控制作用［7］.

我感觉挺好奇的，这个保安看上去年龄和在校大学生差不了多少，他是怎么来到北大当保安的？再说，保安的本职工作就是值勤，维持好正常的教学和生活秩序，怎么有人允许他在值班时间看书呢？

近年来许多学者采用数值模拟方法，对水电站复杂渗流场进行了深入研究.渗流自由面的精确求解是复杂渗流场模拟的关键，速宝玉等［8］提出了基于固定网格的结点虚流量法，在求解精度和收敛性方面优势明显，能满足复杂渗流场的求解要求［9］.崔皓东等［10］首创“弃孔算法”，通过改进排水孔划分模式，使排水孔与整体网格之间结点连续，实现了对排水孔渗流行为的精细模拟.朱国胜等［11］采用能精细求解渗流自由面及密集排水孔幕的三维有限元技术对渗流场进行计算分析，精确评价了乌东德水电站坝基及厂房区的渗控效果.李洪斌等［12］采用有限元精细求解技术，对伊江上游某水电站的渗控效果做出了准确的评价.刘善利等［13］对拉西瓦水电站坝基渗流场进行了深入分析，并对比不同防渗帷幕下的渗漏量及最大水力坡降.王晓等［14］通过建立水电站地下厂房洞室群的三维渗流场有限元分析模型，得出防渗帷幕能够显著降低水头、改善水力坡降的分布.但是目前的研究偏向于将水电站整个坝基及岩体作为一个整体，而很少考虑错动带作为主要控水结构面，对地下水渗流场分布特征的影响.

因此，本文以白鹤滩水电站层间错动带C3为研究对象，结合坝区水文地质结构特征和防渗帷幕布设，采用有限元法［15］建立了右岸地下厂房区地下水承压二维流有限元渗流模型，重点分析在正常蓄水时的地下水渗流场分布规律，同时进行其对防渗帷幕和错动带渗透性的敏感性计算，并比选不同帷幕布设下的渗控效果，从而选出最优的帷幕布设方案，为白鹤滩水电站的渗流控制设计和帷幕布设提供科学依据.

从图2看出，地枫皮上表皮细胞形状多为4边或5边形，垂周壁类型也多为直线型，上表皮由1层细胞组成，排列整齐紧密，横切面观近长方形，无细胞间隙，无气孔器，这与过强的光照为了降低蒸腾作用有关。3个分布区地枫皮下表皮细胞均为4边形或多边形，排列紧密，分布着大量的气孔器。

  

图1 白鹤滩水电站位置图Fig.1 The position of Baihetan hydropower station

1 研究区概况

为了分析不同帷幕布设对地下水渗流场分布特征的影响，选定帷幕布设方案如下.方案1：帷幕a段，即现有的帷幕布设；方案2：帷幕a，c和d段；方案3：帷幕a，e和f段；方案4：帷幕a，c，d，e，和f段，即全封闭式帷幕布设.在水电站建成后，若坝区勘探孔未封闭，地下水会流向勘探孔而影响地下水水头分布，因此每种方案均同时考虑了勘探孔未封闭的情况.

为了分析帷幕和错动带渗透性对地下水渗流场分布特征的影响，本模拟在勘探孔封闭且布设全封闭式帷幕时，进行帷幕和错动带渗透性的敏感性分析.由图6（a）和图6（b）可以看出，随着帷幕渗透性降低，排水廊道排水量由146.29 cm3/s减小到76.183 cm3/s，而水力坡度由8.9°减小到8.2°，表明帷幕渗透性减小能取得很好的渗控效果，但是防渗帷幕渗透性的降低也意味着成本会大幅度增加.因此，考虑到白鹤滩水电站地下厂房围岩复杂的地质条件和坝址区出现的渗漏情况，综合考虑各方面因素，取帷幕渗透系数为1.0×10-5cm/s，并且要保证工程质量，确保帷幕的完整性.

  

图2 坝址区水文地质结构示意图Fig.2 The hydrogeological structure of dam site

2 层间错动带充填物类型及其渗透系数取值

以渗流连续性方程和达西定律为基础，结合研究区的水文地质结构特征建立了与水文地质概念模型相符合的承压二维非稳定流数学模型［19-20］：

2013年10月21日至22日，全球石膏行业最具影响力的年度盛会“2013年第十三届全球石膏大会”在加拿大多伦多召开。经全球范围票选，北新建材被授予“全球石膏行业杰出贡献奖”。

 

表1 错动带内的充填物类型与结构特征Tab.1 Type and structure of the fill in staggered zone

  

围岩及充填物分类夹泥渗透系数K/（cm·s-1）1.39×10-4岩屑夹泥2.08×10-4碎粒6.29×10-4岩块透水特性本身透水性弱，但沿泥质夹层方向透水性较强透水性较弱，低于夹泥，但强于碎粒顺节理方向透水性较强，垂直节理方向透水性较弱透水性弱，但在强风化处较碎粒差，但强于围岩分布位置主要分布在错动带和断层构造的泥质夹泥中，厚度分布不均匀主要发育在错动带中上部受构造挤压较强的位置在错动带和断层构造带分布广泛且厚度大在各错动带和断层构造带分布广泛5.41×10-5

3 渗流模型的建立

3.1 水文地质概念模型

本次模拟选取两个勘探孔，ZK47位于大坝下游勘Ⅰ上，距离大坝298.74 m；ZK9111位于大坝上游勘IX1上，距离大坝48.44 m，如图3（b）所示.每种方案的参数取值为：C3层间错动带渗透系数为7.07×10-5cm/s，帷幕渗透系数为1.0×10-5cm/s，上游蓄水位825 m，下游蓄水位590 m，厂房区帷幕底线高程为550 m，坝区帷幕底线高程为440 m，帷幕垂直穿过C3层间错动带.根据C3层间错动带不同部位出露情况及统计结果，现场调查C3结构面充填物类型以岩块岩屑型为主，取其临界水力坡度为6.6～9.0［21］.

  

图3 封孔（a）与未封孔（b）情况下模拟区范围Fig.3 The scope of simulation area when sealing（a）or unsealing（b）hole

  

图4 二维剖分网格图Fig.4 Two-dimensional subdivision grid

3.2 数学模型

白鹤滩玄武岩层间错动带宽度变化大，且错动带中充填物分布不均一，导致同一个错动带在不同位置处渗透性差异较大.同时，由于构造运动或应力集中的影响，错动带两侧围岩会产生微卸荷，甚至强卸荷，造成围岩的渗透性大于基岩，因此在进行层间错动带渗流数值模拟时，其渗透系数的取值与围岩的构造有重要的联系.但是随着尺度的增加，错动带在延展方向上的渗透系数趋于定值，根据不同充填物的渗透系数，见表1，经过统计调和平均可得C3层间错动带的渗透系数取值为7.07×10-5cm/s.

 

式中：H为地下水水头（m）；T为含水层导水系数（m2/d）；S为储水系数；H0(x),y为含水层初始水头（m）；为边界B1处水位（m）；q为含水层二类边界，即B2边界上单位面积过水断面流量（cm2/s）；Ω为渗流区域；B1为已知水头边界，即第一类边界；B2为流量已知边界，即第二类边界；n为渗流区边界的单位外法线方向.

该地区为黄土覆盖的干旱丘陵状地貌，海拔600～800 m，相对高差不超过200 m。基底由侏罗系、白垩系和第三系组成，顶部覆盖着厚厚的疏松的砂砾石和黄土，形成垅岗状丘陵。平坦区多被利用。斜坡南侧为冲积-洪积倾斜平原，位于山前以北至312国道以南，冲洪积扇发育，地形坡降为1%～3%，多为戈壁荒地，其次为耕地，一般海拔450～600 m。公园南侧陡坎为地貌图边界线。

4 层间错动带渗流模拟分析

4.1 不同帷幕布设下的渗控效果分析

白鹤滩水电站位于金沙江下游河段，是其四个梯级水电站中的第二级，如图1所示，正常蓄水位为825 m，总库容206.27亿m3，总装机容量16 000 MW，是世界在建的第二大水电站.水电站坝址区岩性主要为二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2β），具有多个喷发旋回，自下而上可以划分为11个岩流层，总厚度1356～1527 m.坝区内无区域性的控制结构面，主要构造类型为构造裂隙、断层、层间错动带和层内错动带.层间错动带作为一种性状软弱、多层产出的薄层带状岩土体系统［16］，贯穿整个工程区域，在高水位高压情况下，是坝区内的区域性主要控水界面.坝区围岩总共发育11条层间错动带，如图2所示，单个厚度为5～60 cm，其中层间错动带C3，C4，C5与主厂房洞斜交，且出露于其顶部或中上部［17］.白鹤滩水电站的地下洞室群规模巨大，具有“高边墙，大跨度，高地应力，复杂地质条件”的特点，受坝区内多条错动带的影响，使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题［18］.

水文地质概念模型是建立数学模型的基础，综合研究区地层结构、水文地质条件，将C3层间错动带概化为一个承压含水层，基于FEFLOW建立地下水承压二维流有限元渗流模型，模型边界设置为：以C3结构面南边出露位置为南边界，为定水头边界；以坝体中心向下游约1080 m的C3东侧岸坡出露位置为北边界，为定水头边界；封孔条件下，以金沙江东侧的C3层间错动带地表出露位置为西侧边界，为定水头边界；未封孔条件下以左岸坝肩位置为西边界，为定水头边界；平行于西侧边界，垂直距离约1350 m处为东侧边界，设定为隔水边界.其中南边界和西边界大坝上游部分水头为825 m，其余边界定水头值为590 m.模型上下层均为玄武岩体，其渗透性远小于层间错动带的渗透性，因此定义为隔水边界.如图3所示，在勘探孔封闭情况下的研究区面积为1.76 km2，而勘探孔未封闭条件下研究区面积为2.58 km2，防渗帷幕a段为现有帷幕布设，帷幕c～f段为全封闭式帷幕布设，也是C3结构面在右岸坝肩地表的出露边界.在勘探孔封闭时，模型平面上共剖分43 088个结点，最小三角形的边长约4 m，模型总共82 056个单元；勘探孔未封闭时模型平面上共剖分52 772个结点，最小三角形的边长约3 m，模型总共101 121个单元，二维剖分网格如图4所示.

由图7（a）和图7（b）可以看出，随着错动带渗透性增大，厂房上游最大水力坡度减小，而排水廊道排水量明显增大，对渗控效果影响明显.由于在模拟中假设C3结构面为均质等厚的，而实际上层间错动带在不同的部位处由于充填物的类型不同，其渗透系数差别较大.因此，模拟结果为保守值，为保证水电站水工建筑物的稳定性，取安全系数为5，最大水力坡度应为模拟结果与安全系数的乘积.

  

图5 不同方案的等水头线Fig.5 Water head isolines of different scheme

从图5（d）帷幕与地下厂房区附近的等水位线可看出，地下水渗流方向同样趋于厂房和主变洞附近，防渗帷幕a段上游右侧水位明显下降，而帷幕近横向部分两侧水位变化不大.表2表明，厂房和主变洞均无渗漏现象发生，厂房上游最大水力坡度仅为8.75，小于临界水力坡度值，排水廊道的排水量仅为134.251 cm3/s.并且等水位线在帷幕a段发生较明显转折，表明全封闭式帷幕起到了很好的防渗作用，由于帷幕体的强抗渗透变形能力，有效降低了厂房围岩发生渗透变形破坏的可能性.因此勘探孔封闭时方案4的帷幕布设为最优方案，能够有效控制地下水，满足白鹤滩水电站防渗系统的设计要求.

 

表2 各方案排水量及最大水力坡度Tab.2 The displacement and maximum hydraulic gradient of each scheme

  

方案编号方案1方案2方案3方案4勘探孔封闭 勘探孔未封闭厂房水位/m 555 555 555 555厂房上游水位/m 568 570 570 565厂房下游水位/m 557 556 557 556排水量/（cm3·s-1）131.827 124.378 141.949 134.251水力坡度/（°）9.25 8.9 8.9 8.75厂房上游水位/m 568 565 568 568厂房下游水位/m 556 556 556 556排水量/（cm3·s-1）150.436 148.339 147.348 146.918水力坡度/（°）9.4 9.2 9.1 8.95后建筑物渗漏量/（cm3·s-1）16.771 16.468 16.468 16.468

4.2 帷幕和错动带渗透性的敏感性分析

高中信息技术课主要是以讲授基础信息技术知识为主，但是有些教师因选择不适合的教学方式而造成课堂教学质量很难得到提高。在新时期下，高中信息技术课既要关注课堂教学质量的提高，又要重视教学方式的创新。尽管大多数高中信息技术课教师都重视课堂教学质量的提高，但是不知采取哪种教学方式。基于此，本文主要介绍了提升高中信息技术课堂教学质量的有效方法，以供大家参考。

  

图6 帷幕渗透系数与排水量及最大水力坡度关系图Fig.6 The relation diagram of curtain permeability coefficient and displacement and maximum hydraulic gradient

  

图7 帷幕渗透系数与排水量及最大水力坡度关系图Fig.7 The relation diagram of staggered zone permeability coefficient and displacement and maximum hydraulic gradient

从图5可看出，水头等值线形态、走向和疏密程度都正确反映了帷幕和排水廊道布置的特点，其渗控效果得到了正确的反映.对比图5（a）与图5（b）可知，帷幕长度加长使研究区整个渗流场的水头分布规律更为合理，厂房区排水量及上游最大水力坡度均明显下降.对比图5（b）与图5（d），表明当坝区勘探孔未封闭时，勘探孔周围水位变化较大，坝后建筑物上游和左侧壁会发生渗漏，但不影响其稳定性.图5（b）可看出，模拟区地下水渗流方向趋向于地下建筑区附近，帷幕右侧水位降低明显，与图5（d）相比，帷幕下游水头变化更大.图5中的等水头线在厂房区上游较密集，容易发生渗透变形破坏，但是上游最大水力坡度为8.95，满足设计的要求.由于受到未封勘探孔ZK47的影响，坝后建筑物附近地下水流向勘探孔，坝后建筑物上游水位728 m，下游水位619 m，经计算建筑物渗漏量为16.468 cm3/s，但是并不影响其稳定性.

5 结论

针对白鹤滩水电站右岸厂房区渗流场建立了承压二维流有限元渗流模型，通过对不同的帷幕布设方案进行模拟，概要说明了渗流场的分布特征及比选出最佳的渗控帷幕布设方案，并进行了帷幕和错动带渗透性的敏感性分析，得到了以下结论.

1）降低防渗帷幕的渗透性，能大大减小厂房区的渗流量及降低厂房上游的最大水力坡度，综合考虑成本等各种因素，取帷幕渗透系数为1.0×10-5cm/s，能够满足设计要求，但同时要保证帷幕的施工质量.

2）错动带的渗透性对渗控效果影响明显，增大错动带的渗透系数，能大大增加厂房区渗流量，降低帷幕上游右侧的水位，减小最大水力坡度.

3）水电站坝区勘察孔未封闭时，在勘察孔周围水位变化较大，地下厂房区的排水量增加1.3倍，且坝后建筑区上游和左侧壁有微小渗漏，但不影响稳定性.

4）结合水电站出水孔洞设计，在坝肩采用全封闭式帷幕布设且封闭勘探孔，能够有效降低厂房区的水头，满足工程设计要求，为白鹤滩水电站防渗排水系统设计提供重要的科学依据.

参考文献：

［1］徐鼎平，冯夏庭，崔玉军，等.含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨［J］.岩土力学，2012，33（1）：129-136.

［2］冯夏庭，王泳嘉.泥化夹层错动带残余强度的人工神经网络［J］.中国有色金属学报，1995，5（3）：17-21.

［3］贾志远.层间剪切带工程地质专家系统［J］.水文地质工程地质，1994，21（3）：29-34.

［4］王世梅.层间剪切带工程地质专家系统知识模型的建立［J］.工程地质学报，1996，4（2）：44-50.

［5］金长宇，张春生，冯夏庭.错综带对超大型地下洞室群围岩稳定影响研究［J］.岩土力学，2010，31（4）：1283-1288.

［6］段淑倩，冯夏庭，江权，等.高地应力下白鹤滩地下洞室群含错动带岩体破坏模式及机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2017，36（4）：852-864.

［7］蒋小伟，万力，宋刚，等.玄武岩体及其层间错动带的渗透性特征［J］.工程勘察，2008（10）：25-29.

［8］速宝玉，朱岳明.不变网格确定渗流自由面的结点虚流量法［J］.河海大学学报，1991，19（5）：113-117.

［9］崔皓东，朱岳明，张家发，等.深埋洞室群渗流场分析及渗控效果初步评价［J］.长江科学院院报，2009，26（10）：71-75.

［10］崔皓东，朱岳明，吴世勇.有自由面渗流分析中密集排水孔幕的数值模拟［J］.岩土工程学报，2008，30（3）：440-444.

［11］朱国胜，崔浩东，张家发，等.乌东德水电站坝基及右岸地下厂房区渗控措施研究［J］.岩土工程学报，2012，34（9）：1722-1727.

［12］李洪斌，崔皓东，张家发，等.缅甸伊江上游某水电站坝基渗控效果研究［J］.长江科学院院报，2014，31（6）：48-52.

［13］刘善利，赵坚，沈振中.拉西瓦水电站坝基软弱断层的渗流及防渗［J］.水利水电科技进展，2007，27（4）：55-59.

［14］王晓，柴军瑞，温立峰，等.地下厂房洞室群渗流场及渗控措施效果数值分析［J］.水资源与水工程学报，2014，25（2）：123-127.

［15］HANS-JÖRG G D.FEFLOW：finite element modeling of flow，mass and heat transport in porous and fractured media［M］.Heidelberg，Germany：Springer，2014.

［16］赵阳，周辉，冯夏庭，等.高压力下原状层间错动带三轴不排水剪切特性及其影响因素分析［J］.岩土力学，2013，34（2）：365-371.

［17］徐鼎平，冯夏庭，崔玉军，等.白鹤滩水电站层间错动带的剪切特性［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（增1）：2692-2703.

［18］向天兵，冯夏庭，江权，等.大型洞室群围岩破坏模式的动态识别与调控［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（5）：871-883.

［19］SAMANI N，KOMPANI-AZRE M，BARRY D A.MODFLOW equipped with a new method for the accurate simulation of axisymmetric flow［J］.Advances in Water Resources，2004，21（1）：31-45.

［20］CHE C X，KUANG X X，JIAO J J.Methods to derive the differential equation of the free surface boundary［J］.Ground water，2010，48（3）：329-332.

［21］中华人民共和国住房和城乡建设部.水力发电工程地质勘查规范：GB 50287—2016［S］.北京：中国计划出版社，2016.