高土石坝渗流参数敏感性分析

卢 薇 ，王 娟 ，刘晓庆

（1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.上海勘测设计研究院，上海 200434；3.西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039）

1 工程概况

某水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康县、金川县境内大渡河上游东源（主源）足木足河,与西源（次源）绰斯甲河汇合口以下1～6 km河段，坝址上距马尔康县城约45 km，下距金川县城约43 km，经马尔康至成都的公路距离约400 km，有国道G317线、省道S211线通达。

该水电站是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库，是大渡河流域水电梯级开发的关键性工程之一。坝址处控制流域面积39330 km2，年径流量166亿m3，多年平均流量527 m3/s。坝址区河谷属高山深切曲流河谷，两岸山体雄厚，河谷深切，谷坡陡峻；出露地层岩性主要为∶燕山早期木足渡似斑状黑云钾长花岗岩和晚期可尔因二云二长花岗岩；河床覆盖层深厚（最厚约67.8 m）；坝址区无区域性断裂切割。电站水库正常蓄水位2500 m，对应库容约27.32亿m3，具有年调节能力，电站装机容量2000 MW，年发电量81.28亿kW·h，设计枯水年枯期平均出力48.6万kW。土质心墙堆石坝最大坝高约312 m，枢纽最大泄洪流量约8000 m3/s。

拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，砾石土心墙堆石坝，坝顶高程2508.00 m，坝顶长度约642 m。河床部位心墙底高程2202.00 m，最大坝高312 m（含6 m厚基座），坝顶宽度16.00 m。上游坝坡为1∶2.0，下游坝坡1∶1.90。心墙顶高程2508.00 m，宽4.00 m，与防浪墙进行可靠连接，并高于最高静水位（2504.51 m）；心墙上、下游坡初选均为1∶0.2，心墙底部与新鲜基岩相连，最大断面心墙底高程2202.00 m，顺河向宽度为128.00 m。

2 有限元模型的建立

计算模型所选剖面为大坝的最大横剖面，如图1所示，计算模型包括上下游堆石体、上下游过滤层、上下游反虑层、心墙、上下游覆盖层9个材料区，计算模型坐标分别为X轴顺河指向下游为正，Y轴沿坝高铅直向上为正，计算选取范围分别为：水平方向自距上游坝坡300 m处至距下游坝坡300 m处，铅直方向自坝顶至基岩面；边界条件：上下游坡面为水头边界，AB，CD为默认不透水边界，BC为基岩不透水边界；其剖分为8334个节点，9648个单元。

2.1 计算参数

水库特征水位：正常蓄水位为304 m，死水位为224 m，下游水位55.21 m，坝体材料参数见表1。

2.2 计算工况的选取

在正常蓄水位下，固定上下游水位，采用饱和与非饱和的方法，考虑材料渗透系数的各向异性来进行渗流分析，工况组合如下：

工况 1：Kx=Ky

工况 2：Kx=2Ky

工况 3：Kx=3Ky

工况 4：Kx=4Ky

工况 5：Kx=5Ky

表1 坝体材料参数表

3 渗流计算结果分析

以Kx=Ky（工况 1）的为代表，如图1、图 2表示了饱和与非饱和渗流计算浸润线、流速矢量图。

图1 （Kx=Ky）非饱和渗流计算的浸润线、流速矢量图

图2 （Kx=Ky）饱和渗流计算的浸润线、流速矢量图

由图1和图2的对比，在考虑非饱和区的稳定渗流场中，浸润线（零压线）附近的饱和区的渗流水，会穿过浸润线而进入非饱和区，而在只考虑饱和区的稳定渗流分析中，通常将浸润线当作渗流场最上部的一根流线，沿着此线没有流量的流入和流出。

在考虑饱和与非饱和两种计算方法的情况下，对所得的等压线分布图（图略）进行比较可见，由于心墙和上游坝壳的渗透系数相差较大，水头相当于直接作用在心墙上，心墙上游的等压线几乎呈水平线分布。在非饱和稳定渗流中，由于非饱和区的存在，心墙下游坝壳也存在水压，等压线分布于整个坝体，增加水平方向的渗透系数，更多的水流向下游坝壳，负压区逐渐减小,负等压线向下游推移。而饱和稳定渗流中，由于无水流入非饱和区，心墙下游坝壳部分无等压线分布，随着水平渗透系数的增加，整个坝体的等压线分布无明显变化。

此外，表2显示了不同计算工况时单宽渗流量、逸出点Y坐标、逸出坡降。

从表2可以看出，不考虑非饱和区影响，Kx=Ky时，单宽流量、心墙下游溢出点坐标、逸出点坡降分别为 3.1912 m3/d、56.214 m、1.428，随着水平渗透系数的增加，当Kx=5Ky时，渗流量为17.613 m3/d，增大较明显，心墙下游边坡逸出点略有增大，为57.179 m，浸润线有所抬升；逸出坡降略有减小，为1.271。当考虑非饱和区的影响时，在各个对应工况下，其单宽流量、逸出点高程大于不考虑非饱和区影响时的值，渗透坡降小于不考虑非饱和区影响时的值，说明材料的各向异性在考虑非饱和区影响的条件下对单宽流量影响较大。

表2 不同工况时单宽渗流量、逸出点Y坐标、逸出坡降对照表

4 结语

1）考虑非饱和区的影响和不考虑非饱和区影响，采用两种方法计算所得等压线分布分布存在较大差异，由于非饱和区的存在，流水会穿过浸润线而进入非饱和区，下游坝壳区域也存在渗流。前者计算出的单宽流量、心墙下游坡逸出高程比后者大，而坡降小于后者，而实际工程中土体都存在非饱和区，所以用非饱和理论来进行渗流分析计算更为贴近工程实际。

2）考虑渗透参数的各向异性进行渗流分析，随着水平渗透系数的增加，渗透坡降变化不大，均在允许坡降范围内。单宽流量增大较明显，对其影响较大，这需要根据兴利的要求来选取排水设施，同时也应做好防渗措施。实际工程中，存在着土体不均匀性、材料各向异性的特点，所以对材料渗透参数的各向异性来进行渗流分析较为合理。