南丙河水库黏土心墙土石坝三维渗流分析

杨超林，张 霞

(云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

土石坝坝基渗漏和绕坝渗漏渗流[1]造成的坝体及库岸周边材料强度降低，成为威胁坝区稳定安全的重要因素。因而在大坝设计之前，首先要对整个坝区的地下水渗流情况有较全面的了解[2]。传统的二维渗流计算方法无法从宏观实际把握大坝、坝基及两岸绕坝的渗流规律，预测水库蓄水后坝址区的渗流量。三维渗流计算克服了二维计算的弊端，为高山峡谷区土石坝的渗流计算提供一个合理的计算方法。本文基于南丙河水库地勘及水文资料，利用河海大学渗流实验室研发的三维渗流控制分析有限元计算程序(SPGCR-3.FOR)[3,4]对大坝进行渗流分析计算。

1 工程概况

南丙河水库位于云南省澜沧县南朗河左岸一级支流南丙河上，坝址选定在酒井乡磨刀河寨子上游0.5 km处，多年平均年径流量7 301 万m3。水库总库容2 634.7 万m3，是一座集农业灌溉、农村人畜饮水、城乡生活和工业供水于一体的综合利用水利枢纽工程。黏土心墙风化料坝坝顶高程1 422.00 m，坝顶轴线长180.60 m，坝顶宽度8.00 m，最大坝高68.70 m。黏土心墙置于0.60 m厚C20混凝土垫层上，垫层基础以强风化岩体为建基面，河床处建基面高程1 353.30 m。

大坝采用帷幕灌浆防渗，防渗标准为q≤5 Lu。在帷幕轴线上、下游侧各布置2排孔深分别为8 m、5 m，孔、排距3.0 m、梅花形布置的固结灌浆。灌浆帷幕沿大坝心墙轴线向两岸延伸，左、右岸帷幕延伸至正常蓄水位与相对隔水层相交处，左岸从坝肩向山体内延伸98.06 m；右岸延伸至坝横0+215.03 m处，再向上游折转38.26°后，沿山脊向山体内延伸45.91 m。帷幕灌浆顶界水库正常蓄水位1 419.20 m，灌浆底界为伸入到坝基相对隔水层(q≤5 Lu)内5 m，大坝帷幕轴线水平总长359.0 m，0+002.80～0+193.67 m(高程1 419.20 m以下)坝段为双排布置，排距1.0 m，孔距2.0 m，其余为单排孔，孔距1.5 m。

2 渗流计算理论及方法

对于饱和渗流的基本方程为[5]：

(1)

式中：x、y、z为渗透主方向；Kx、Ky、Kz为主方向渗透系数；H为水头函数。

取8节点等参单元离散渗流场，则单元内的水头分布为：

(2)

应用Galerkin方法将微分方程(1)离散，经推导整理得到：

(3)

当整个区域全部处于承压状态(如坝基渗流)，便可直接依式(3)建立代数方程组，进行求解即得到所要求的渗流水头场。然而，对于具有自由面的渗流问题，其实际渗流区域，往往小于整个渗透介质的区域。由于自由水面正是渗流分析所需要求解的量，因而，实际渗流域便是未知的[6]。为获得自由面边界，采用迭代逼近的方法来求其近似解。本文采用干区虚拟流动不变网格法来求解自由面[7,8]。

3 坝区渗流计算分析

3.1 三维渗流分析模型的建立

为了充分反映出南丙河水库枢纽区地形、地貌特征，考虑到防渗体对渗流场的影响，计算模型截取范围如下。

左岸截取边界：从河床中心线往左岸山体320 m。

右岸截取边界：从河床中心线往右岸山体240 m。

上游截取边界：上游取至坝轴线上游330 m。

下游截取边界：下游取至坝轴线下游400 m。

模型底高程：取至1 290 m高程，即建基面以下1倍坝高。

建立的大坝三维渗流有限元模型见图1，模型中共有43 393 个单元，42 902 个节点。

为了更具体地了解特殊区域的单元剖分信息，选取了2个典型结构的有限元网格模型单独进行描述，见图2和图3。图4给出了最大剖面的网格图。

图2 坝体有限元网格Fig.2 The finite element mesh of the dam body

图3 坝基防渗系统有限元网格Fig.3 The finite element mesh of the seepage prevention system of the dam base

图4 垂直于坝轴线的最大剖面网格Fig.4 The biggest profile mesh perpendicular to the dam axis

3.2 计算参数及边界条件

渗流计算中采用的坝体各分区、各地层等材料的渗透系数根据室内土工试验及类似工程经验选定，见表1。

本模型的计算边界条件为：上游地表节点和上游坝体表面节点，低于上游水位的节点作为上游已知水头边界；下游地表节点和下游坝体表面节点，低于下游水位的节点作为下游已知水头边界；下游地表节点和下游坝体表面节点，高于下游水位的节点作为可能出渗节点，真实出渗节点由迭代计算确定；其他边界均为不透水边界。

表1 渗流分析计算所采用的材料参数Tab.1 The parameter of the materials used for seepage calculation

3.3 计算工况

结合水库的运行情况，选取3个渗流计算工况，见表2。

表2 渗流计算分析工况Tab.2 The conditions of seepage calculation

3.4 计算结果及分析

计算所得的各工况坝区地下水位等势线分布图见图5。由图5可见，水位等势线在坝体心墙位置及两岸帷幕位置较密集，表明坝体心墙及两岸帷幕对水头的消刹作用明显，防渗效果较好。

图5 3种工况下地下水位等势线分布Fig.5 The distribution of equipotential line of groundwater level of three conditions

为了更好地分析坝址区渗流特性，选取了3个剖面对渗流场加以分析。剖面位置见图5，其中，剖面1-1为最大坝体剖面，剖面2-2为左岸坝头部位，剖面3-3为右岸坝头部位。

图6给出了最大坝体剖面(剖面1-1)的渗流场等势线及浸润线图。由图6可见：① 3种工况下心墙上下游的水头差分别为47.00、47.66、48.53 m，分别占上下游水头差的74.4%、75.4%、76.1%。可见该防渗体系下，大坝上下游水头差在防渗体系内能得到很大的消刹。② 3种工况下坝体浸润线的出逸点高程分别为1 356.51、1 357.81和1 358.51 m，均从下游排水棱体处逸出。表3给出了该剖面下心墙和帷幕的平均渗透梯度和最大渗透梯度值，可见3种工况下，心墙的最大渗透梯度为2.011，大于黏土允许渗透梯度[J]=0.5～0.6。为了保护黏土心墙使其不发生渗透破坏，已设置反滤层对黏土心墙进行反滤保护。帷幕的最大渗透梯度约为2.738，小于允许的渗透梯度[J]=20.0。

图6 水头等势线(剖面1-1)Fig.6 The equipotential line of water head (profile 1-1)

工况上游水位/m下游水位/m心墙平均梯度心墙最大梯度帷幕平均梯度帷幕最大梯度心墙浸润线出逸点高程/m下游浸润线出逸点高程/m正常蓄水位1419.201356.001.081.881.982.651372.201356.51设计洪水位1420.361357.111.141.932.012.691372.701357.81校核洪水位1421.431357.631.172.012.042.741372.901358.51

图7和图8分别给出了正常蓄水位工况下，左坝肩(剖面2-2)和右坝肩(剖面3-3)的水头等势线图。由图7、图8可看出，左右岸山里地下水位埋深相对较深，两岸的防渗帷幕发挥了较明显的作用，左岸延伸部分的防渗帷幕在剖面2-2处所形成的水头跌落约3.6 m，右岸延伸部分的防渗帷幕在剖面3-3处所形成的水头跌落约2.6 m。

图7 水头等势线(剖面2-2)Fig.7 The equipotential line of water head (profile 2-2)

图8 水头等势线(剖面3-3)Fig.8 The equipotential line of water head (profile 3-3)

表4给出了3种工况下坝区的渗流量情况。大坝坝基及两岸进行帷幕灌浆处理后，正常蓄水位条件下，坝体、坝基及两岸绕坝渗漏量约62 万m3/a，为水库正常库容的2.6%，坝址处多年平均径流量7 301 万m3/a，不影响水库正常蓄水。

表4 不同工况下大坝渗流量Tab.4 The seepage flow of the dam under different conditions

4 结 论

通过对南丙河土石坝在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位工况下的渗流计算分析，在设计的渗流控制措施下，可知：

(1)心墙内消刹的水头值约占上下游水头差的75%，坝体心墙及两岸帷幕对水头的消刹作用明显，防渗效果较好。

(2)浸润线均从下游排水棱体中逸出。

(3)心墙黏土的最大渗透梯度为2.011，大于黏土允许渗透梯度，已设置反滤层对黏土心墙进行反滤保护。帷幕的最大渗透梯度约为2.738，小于允许的渗透梯度。

(4)正常蓄水位条件下，坝体、坝基及两岸绕坝渗漏量约62 万m3/a，为水库正常库容的2.6%，为坝址处多年平均年径流量的0.85%，不影响水库正常蓄水。

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[1] 编委会. 水利水电工程管理与实务[M].北京：中国建筑工业出版社出版，2014：12-16.

[2] 毛昶熙.中国水利水电出版社[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

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