西藏某水库工程三维渗流场分析

白兴锋　李冰妮　刘立鹏

(西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨　850000)



·水利工程·

西藏某水库工程三维渗流场分析

白兴锋李冰妮刘立鹏

(西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨850000)

以西藏某水库工程碾压式沥青混凝土心墙坝为研究对象，利用GMS软件中Femwater模块，模拟分析了正常渗控措施下相应设计水位三维渗流场及渗流量，同时与调整渗控措施后，渗流场及渗流量变化进行了对比，结果表明，目前的渗控设置是合理的，调整灌浆帷幕深度渗漏量将明显增加，不满足设计对于渗流量的要求。

土石坝，水库，渗透场，渗透系数

西藏某水库位于西藏山南地区乃东县索珠乡境内雅鲁藏布江左岸一级支流旺曲上游丁拉沟，坝址处地理坐标为东经91°52′36″，北纬29°30′25″，距山南地区泽当镇41.0 km，距拉萨市186 km。拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程4 179.35 m，防浪墙顶高程4 180.55 m，坝顶宽8 m，最大坝高67.6 m，坝顶长度365.0 m。渗控措施由沥青混凝土心墙、防渗墙及灌浆帷幕组成。土石坝中渗控措施的合理有效性一直是设计方和建设方所关心的重点问题，许多的专家学者结合有限元技术对于土石坝渗流问题自不同的角度展开了研究[1-5]。徐毅等人利用有限元法对无限深透水地基上的土石坝模型进行理论计算[6]。熊政等根据基本方程及定解条件的比较分析，将ADINA软件的温度场模块分析功能应用于渗流场的分析，并采用死活单元技术，通过迭代算法计算自由水面位置(浸润线)，解决了实际工程观音岩心墙土石坝渗流稳定问题的求解[7]。程国祥等论述了基于ANSYS的土石坝的渗流场模拟，分析了优点及理论基础[8]。陈亮亮等探讨了建在无限深透水地基上带水平铺盖的土石坝斜墙式防渗体渗透稳定时的计算模型，通过理论分析，简化复杂的边界条件，利用边界点法对其建立了数学模型[9]。

文中利用GMS软件中Femwater模块对西藏某水利工程大坝渗流场进行了分析，并对灌浆层深度进行了敏感性分析，研究结果可为工程设计提供一定的借鉴和参考。

1　计算原理及方法

渗流计算方法有很多，主要分为理论分析方法和试验分析方法。理论分析法分解析法、数值方法和图解法；试验分析法分砂槽模型法、粘滞流模型法、水力网模型法、电拟试验法和电阻网模型法。数值方法分有限单元法和差分法。有限单元法是将实际的渗流场划分为有限个简单的单元，每个单元以节点相互联系，首先求得单元体节点处的水头，同时假定在每个单元体内的渗透水头呈线性分布，便可求得渗流场任意处的水头。差分法是将渗流基本方程转变为差分方程，并采用逐步逼近的计算方法来求得渗流场中各点处的水头。渗流场的连续方程和运动方程假定液体不可压缩、土骨架亦不变形，则可由质量守恒原理推导出稳定渗流情况下的三维连续方程如下：

(1)

又由达西定律知，土中三维恒定渗流的运动微分方程式为：

(2)

渗流的基本微分方程由上述的连续性方程和运动微分方程构成，对于各向同性均质土，它们共有4个未知数vx，vy,vz和H，联立基本微分方程组可求解渗流场各点的流速和水头。根据连续性假设，dt时间内单元体的体积变化必等于同一时间内单元体的水量变化，结合达西定律，可得渗流运动的连续性方程为:

(3)

其中，H为总水头；kx为x方向的渗透系数；ky为y方向的渗透系数；kz为z方向的渗透系数；Q为施加的边界流量；t为时间；Θ为体积含水率，Θ=Vw/V，Vw为在水流过土体时驻留在土体结构中的水的体积，V为土体的总体积。

2　计算工况及模型建立情况

2.1计算工况

计算工况如表1所示，其中，正常蓄水位为4 176.65 m，设计洪水位4 177.84 m，校核洪水位4 178.22 m，死水位4 119.67 m。

表1　计算工况

2.2模型建立

利用地形图、设计图及勘探图建立研究区域三维渗流模型，如图1所示。三维数值模型中，沿坝轴方向为y轴方向，沿河谷方向为x轴方向，z轴方向为竖直方向，考虑渗流边界条件影响，建立模型是沿各方向均具有一定的延伸，其中模型y方向长度1 040 m，x方向长度为665.5 m，z方向以高程3 900 m为底板高程，其中，模型含节点27 816个，150 980个单元，如图2所示。

图1　三维渗流计算模型　　　图2　渗流分析三维模型剖分情况

2.3渗透系数

各层渗透系数如表2所示，其中临界渗透比降为0.10。

3　计算结果分析

表2　地层渗透系数

3.1工况1

工况1主要是指在上游水位为正常蓄水位，下游水位为最低水位时，验算设计方所提出的渗控措施情况下渗流场分布情况及渗流量情况，其中渗控措施如图3所示。

采用设计所提出渗控措施下，渗流场分布特征如图4所示，桩号0+100位置地下水等势线分布如图5所示。

图3　渗控措施空间分布图　　　　　　图4 工况1总水头　　　　　　　　　　　　　　　　　　等值线分布图(单位：m)

图5　桩号坝0+100位置地下水等势线分布图(单位：m)

由图4可知，由于沥青混凝土心墙、混凝土防渗墙及灌浆帷幕的存在，上游自4 176.65 m正常蓄水位降低至下游尾水位，发生明显降低现象。同时由图5可知，拟采用渗控措施对于该水库渗流具有较为明显的控制作用，由于增加了渗流路径，等势线自上游至下游变化明显。

工况1情况下，总渗漏量为6.66×10-3m3/s，合计2.10×105m3/s，占坝址处多年平均径流量(3 253×104m3)的0.645%，满足设计要求。

3.2工况2

水库设计中拟采用的渗控措施为：沥青混凝土心墙+防渗墙以及灌浆层，对于工况2，则主要是取消花岗岩地层中灌浆帷幕，主要分三种情况，即：1)取消5 Lu线与弱透水层间灌浆帷幕；2)取消5 Lu线至强透水层间灌浆帷幕；3)取消5 Lu线至第四纪地层间灌浆帷幕，其中工况2中取消5 Lu线与强透水层间灌浆帷幕时渗流场分布特征如图6所示，桩号0+100位置地下水等势线分布如图7所示。

图6　工况2-2总水头分布图(单位：m)

图7　工况2-2桩号坝0+100位置地下水等势线分布图(单位：m)

取消5 Lu线与一定地层之间灌浆帷幕，全水头分布情况与工况1宏观上较为相近。由图6桩号坝0+100位置地下水等势线分布图可知，由于取消了5 Lu线与强透水层之间灌浆帷幕，故而地下水等势线急剧变化位置高程相对提高，即主要集中于灌浆层底部位置。由于工况2与工况1相比渗流路径长度相对减小，渗流量相应增大，其中工况2-1总渗漏量为1.54×10-2m3/s，工况2-2为6.83×10-2m3/s，工况2-3为0.195 m3/s，分别占坝址处多年平均径流量(3 253×104m3)的1.49%，6.62%，18.89%，均不满足设计要求。

3.3工况3

工况3是指上游校核洪水位与下游相应的水位情况，此时是设计的正常渗控措施。此时渗流场分布特征如图8所示。由图8可知，这一工况情况下，全水头及压力水头分布情况与工况1情况下宏观上较为相近，即渗控措施对于渗流具有明显的控制作用，此时总渗漏量为6.83×10-3m3/s，占坝址处多年平均径流量0.66%，满足设计要求。

4　结语

利用GMS软件中Femwater模块对西藏某水利水库工程大坝区域三种不同水位及渗控措施下三维渗流场分布特征及渗流量进行了分析研究，结果表明，采用现有的渗控措施，在不同水位下均具有很好的防渗效果，大坝渗流量满足设计要求，如果减小灌浆帷幕深度，则渗流量较大，不满足渗流要求。

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[2]刘杰,谢定松.我国土石坝渗流控制理论发展现状[J].岩土工程学报,2011,33(5):714-718.

[3]涂扬举,王文涛,薛新华.瀑布沟高心墙土石坝渗流分析[J].水利水运工程学报,2013(5):77-82.

[4]刘晓庆,肖大伟.排渗系统对土石坝渗流的影响[J].甘肃水利水电技术,2013,49(6):10-13.

[5]倪沙沙,张小飞.库水位升降对心墙土石坝渗流场及坝坡稳定性的影响[J].水电能源科学,2016,34(3):84-87.

[6]徐毅,侍克斌,毛海涛.悬挂式微透水防渗墙的土石坝渗流计算[J].水资源与水工程学报,2014,25(4):138-141.

[7]熊政,何蕴龙,韩健.ADINA软件在土石坝渗流场计算中的应用[J].西北水力发电,2006,22(1):39-42.

[8]程国祥,游昕颖.浅谈基于ANSYS的土石坝渗流场模拟[J].甘肃科技,2011,27(7):80-81.

[9]陈亮亮,李永,侍克斌.无限深透水地基上土石坝渗流计算方案初探[J].人民黄河,2008,30(7):88-89.

The analysis of seepage stability of a reservoir project in Tibet

Bai XingfengLi BingniLiu Lipeng

(TibetHydropowerPlanningandDesignInstitute,Lhasa850000,China)

Using the Femwater model of the GMS, the three-dimensional seepage stability of a reservoir project in Tibet with rolled asphalt concrete core wall dam were studied under different water levels. The flow field and possibility of seepage with different grout curtain depth was analyzed also. The results show that the current seepage control settings are reasonable, reducing the depth of grout curtain will increase the amount of leakage, dont’t meet design requirement.

earth and rockfill dam, reservoir, seepage, permeability coefficient

1009-6825(2016)21-0207-03

2016-05-16

白兴锋(1978- )，男，工程师；李冰妮(1983- )，女，助理工程师；刘立鹏(1983- )，男，高级工程师

TV221.2

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