新疆某水利枢纽上游围堰渗流数值模拟

吴战营

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

新疆某水利枢纽上游围堰渗流数值模拟

吴战营

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

通过利用岩土工程仿真计算分析软件GeoStudio2007，对新疆某水利枢纽上游围堰工程进行二维平面渗流分析计算。计算结果表明：当防渗墙深度由17m增加至20m时，围堰渗流量相应减小2.28%；当防渗墙深度由20m增加至25m时，围堰渗流量相应减小4.64%，增加防渗墙深度，对减小围堰渗流量的作用不大；当防渗墙深度为17m时，围堰总渗流量2.836m3/s。围堰下游出逸点附近比降在0.115～0.142范围内。分析计算成果可为围堰的防渗结构优化设计提供参考。

围堰；渗流量；水力坡降；数值模拟

在西部大开发战略的推动下，中国西部地区大批高坝大库工程陆续开工建设。高土石围堰的渗流及渗透稳定性问题备受关注。目前，高土石围堰的渗流研究，主要有模型试验、原位观测、解析方法［1-4］和数值分析方法［5-9］，对于地质条件及边界条件较复杂的问题，有限元数值分析是最有效的方法之一［10］。

采用GeoStudio2007中SEEP/W模块，对新疆某水利枢纽上游围堰工程进行二维平面渗流分析计算。

1 工程概况

此水利枢纽是以生态、灌溉、防洪、发电为开发目标的控制性水利枢纽工程。最大坝高164.8m，枢纽为大（1）型Ⅰ等工程。

主要建筑物有：拦河坝（混凝土面板砂砾石堆石坝）、2条表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流发电系统和发电厂房等。2条发电洞、深孔放空排沙洞、生态基流发电洞和发电厂房布置在右岸，导流洞、2条溢洪洞、中孔泄洪洞布置在左岸。

上游围堰设计堰顶高程1680.5m，最大堰高16.5m，堰顶长441m，堰顶宽10.0m，上游坡度1∶2.0，下游坡度1∶3.0，堰体采用150g/0.5mm/150g两布一膜防渗，斜墙顶高程1678.8m，土工膜两侧分别设1层厚1.5m的垫层料。

上游迎水面采用厚0.5m的堆石护坡。围堰基础采用悬挂式C15混凝土防渗墙防渗，防渗墙最大深度17.0m，墙厚0.6m。围堰与截流堤结合布置，围堰后坡脚距任意料填筑坡脚线15m。

2 数学模型

2.1 计算软件介绍

GeoStudio系统软件是由全球著名的加拿大岩土软件开发商GEO-SLOPE公司在20世纪70年代开发的，面向岩土、水利、采矿、交通、地质、环境工程等领域的一套专业、高效且功能强大的仿真计算分析软件，是全球最知名的岩土工程分析软件之一，包括以下8种专业分析软件：SLOPE/W（边坡稳定性分析软件）、SEEP/W（地下水渗流分析软件）、SIGMA/W（岩土应力变形分析软件）、QUAKE/W（地震响应分析软件）、TEMP/W（地热分析软件）、CTRAN/W（地下水污染物传输分析软件）、AIR/W（空气流动分析软件）、VADOSE/W（综合渗流蒸发区和土壤表层分析软件）。

SEEP/W软件是一款用于分析多孔渗水材料，如土体和岩石中的地下水渗流和超孔隙水压力消散问题的有限元软件。

通过SEEP/W软件的渗流有限元计算，可以分析边坡在不均匀饱和条件、非饱和条件下的孔隙水压力，也可以对边坡稳定时的瞬态孔隙水压力进行分析。通过瞬态分析得出不同时刻、不同点的孔隙水压力分布状况。通过对孔隙水压力随时间变化的结果，研究边坡、路堤稳定性与时间的关系。在水中溶质扩散转移问题中，水流速度可分析水中溶质的扩散转移。

SEEP/W软件可用于对饱和及非饱和渗流问题的建模分析，这一特点大大扩展了软件分析问题的范围。除了对传统的稳定状态饱和渗流分析之外，软件中的饱和/非饱和计算模型使该软件可对随时间变化的渗流问题和短期渗流过程进行模拟分析。

2.2 计算内容

在围堰上游最高挡水位1678.04m和下游相应水位1664.5m情况下，以围堰桩号0+221.642、0+ 397.845为计算剖面。以围堰最大剖面0+397.845为例，计算防渗墙在17，20，25m深度时围堰的渗流情况下，确定防渗墙合理深度。

模型假定各种材料的渗透性质各向同性，即kx= ky。根据此水利枢纽工程初步设计阶段地质勘察报告提供的资料、试验参数，围堰填筑料、土工膜斜墙和覆盖层等渗透系数如表1所示。

表1 各种材质渗透系数单位：cm/s

2.3 计算区域网格划分

以防渗墙深度17m为例，网格采用非结构化网格，即四边形网格和三角形网格结合。围堰桩号0+ 221.642、0+397.845计算区域网格剖分如图1～图2。

图10 +221.642剖面网格划分

图20 +397.845剖面网格划分

围堰桩号0+221.642剖面网格单元数5391个，围堰桩号0+397.845剖面网格单元数4327个。

3 计算结果分析

为详细了解围堰浸润线及其下游逸出点的位置、堰体及地基内的等势线分布。通过对计算结果进行后处理，得到不同位置、不同防渗墙深度的渗流总水头等势线和渗流流场迹线如图3～图10。

图30 +221.642渗流总水头等势线（防渗墙深度17m）

图40 +221.642剖面渗流流场迹线（防渗墙深度17m）

图50 +397.845渗流总水头等势线（防渗墙深度17m）

图60 +397.845剖面渗流流场迹线（防渗墙深度17m）

图70 +397.845渗流总水头等势线（防渗墙深度20m）

图80 +397.845剖面渗流流场迹线（防渗墙深度20m）

图90 +397.845渗流总水头等势线（防渗墙深度25m）

图100 +397.845剖面渗流流场迹线（防渗墙深度25m）

上游围堰渗流计算结果如表2。

表2 渗流计算结果

由表2和图3～图10看出，随着防渗墙深度的增加，围堰渗流量在逐渐减少。以围堰最大剖面0+ 397.845为例，当防渗墙深度由17m增加至20m时，围堰渗流量相应减小2.28%。当防渗墙深度由20m增加至25m时，围堰渗流量相应减小4.64%。计算结果表明：增加防渗墙深度，对减小围堰渗流量的作用不大。当防渗墙深度为17m时，围堰总渗流量为2.836m3/ s；当防渗墙深度由17m增加至20m时，下游出逸点比降由0.142下降至0.1385，下游出逸点比降相应减小2.46%；当防渗墙深度由20m增加至25m时，下游出逸点比降由0.1385下降至0.131，下游出逸点比降相应减小5.42%。围堰下游出逸点附近比降在0.115～0.142范围内，依据地质报告河床砂卵砾石渗透试验成果，河床砂卵砾石料渗透破坏型式主要为管涌，临界坡降为0.28～0.45，平均0.36。根据GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，允许水力坡降以土的临界水力坡降除以1.5～2.0安全系数，本工程取2.0，因此河床砂卵砾石允许水力比降可取0.14～0.22，本工程选取允许水力比降0.18。因此，计算下游出逸点比降最大值0.142满足允许水力比降的要求。

4 结语

（1）通过对计算结果进行后处理，得到了不同位置、不同防渗墙深度的渗流总水头等势线分布和渗流流场迹线分布，确定了围堰浸润线及其下游逸出点的位置。

（2）随着混凝土防渗墙深度的增加，围堰渗流量在逐渐减少。但增加防渗墙深度，对减小围堰渗流量的作用不大。因此，确定混凝土防渗墙的深度仍为17m。

（3）当混凝土防渗墙深度为17m时，堰坡出逸段的出逸比降0.142，本工程计算下游出逸点比降最大值0.142，满足允许水力比降的要求。

［1］袁帅，何蕴龙，曹学兴.非稳定渗流对托巴土石围堰上游坡稳定性影响［J］.武汉大学学报（工学版），2012，45（2）：193-199.

［2］毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京：水利电力出版社，2003.

［3］黄茂松，贾苍琴.考虑非饱和非稳定渗流的土坡稳定分析［J］.岩土工程学报，2006，28（2）：202-205.

［4］毛昶熙，段祥宝，蔡金傍，等.悬挂式防渗墙控制管涌发展的理论分析［J］.水利学报，2005，36（2）：174-178.

［5］张祥，王瑞骏，李炎隆.土工膜心墙围堰渗流及边坡稳定分析［J］.水资源与水工程学报，2008，19（4）：69-72.

［6］孙丹，沈振中，崔健健.土工膜缺陷引起的土工膜防渗砂砾石坝渗漏数值模拟［J］.水电能源科学，2013，31（4）：69-73.

［7］张嘎，张建民，江春波.溪洛渡水电站上游围堰渗流分析及防渗型式比较［J］.水力发电学报，2002，76（1）：82-86.

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［9］党发宁，梅海峰，韩文涛.大渡河某水电站上游围堰渗流场及稳定性数值分析［J］.西安石油大学学报，2007，22（2）：70-73.

［10］沈振中，江沆，沈长松.复合土工膜缺陷渗漏试验的饱和－非饱和渗流有限元模拟［J］.水利学报，2009，40（9）：1091-1095.

Numerical Simulation of the Upstream Cofferdam Seepage of a Water Conservancy Projects in Xinjiang

WU Zhan-ying
（Xinjiang Water Conservancy and Electricity Survey and Designing Institute，Urumqi 830000，China）

The upstream cofferdam two-dimensional planar seepage of a water conservancy project in Xinjiang is calculated and analyzed by using the geotechnical engineering simulation analysis software GeoStudio2007.The calculation results show that cofferdam seepage discharge is reduced by 2.28%when the depth of diaphragm wall increases from 17 to 20 meters.When the depth of diaphragm wall increases from 20 to 25 meters，cofferdam seepage discharge is reduced by 4.64%，the effect is not obvious that by means of increasing the depth of diaphragm wall to reduce the cofferdam seepage discharge.When the depth of diaphragm wall is 17 meters，the total seepage discharge of the cofferdam is 2.836 m3/s.Exit gradient of the cofferdam downstream is in the range of 0.115～0.142.It can provide a reference for cofferdam seepageprevention structure optimization design.

cofferdam;seepage discharge;hydraulic gradient;numerical simulation

TV641

B

1672-9900（2014）03-0013-04

2014-03-06

吴战营（1986-），男（汉族），河南许昌人，助理工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）15899230414。