温泉水利枢纽工程沥青心墙坝渗流安全性分析

潘崇仁，吴俊杰,2

(1.水利部新疆水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000； 2.南京水利科学研究院，南京 210000)

1 概 述

新疆石油资源较为丰富，沥青的产量非常高且品质优异，常用于修建道路及当地材料坝的防渗心墙中。沥青混凝土心墙坝施工方便，造价低廉，被广泛用于新疆水利建设中。由于沥青混凝土基本不透水，被布设于坝体中间用于挡水。通常沥青混凝土心墙坝的心墙部分都很薄，心墙的好坏直接影响到下游坝壳料的渗流稳定性。因此，沥青混凝土心墙的渗流稳定性对坝体的安全运行非常重要，非常有必要通过渗流计算确定坝体内部水面线分布、流速大小、渗流量以及水力梯度高低情况，以此判断下游排水体的形式、体积以及下游出逸点是否可能破坏，为工程设计提供一定参考依据。

2 工程简介

温泉水利枢纽工程是卡普斯浪河上的控制性工程，坝址断面多年平均流量18.20 m3/s，多年平均年径流量5.74×108m3，水库正常蓄水位1 900 m，对应坝前水位89.23 m，正常蓄水位相应库容4 772×104m3(原始库容，下同)，死水位1 855 m，死库容567×104m3，兴利库容4 205×104m3(泥沙淤积30年后剩余兴利库容3 581×104m3)。水库总库容5 105×104m3，电站装机容量24 MW，多年平均年发电量0.74×108kW·h，装机年利用小时数3 083 h。坝高97.5 m，坝基高程1 802.5 m，温泉水利枢纽工程具有灌溉、工业供水及发电等综合利用效益。工程建成后，到2025年经水库调蓄供水，解决卡普斯浪河流域灌区季节性缺水问题；并承担向下游拜城县产业园区工业供水；同时利用水能资源进行发电，为阿克苏电网提供可靠的电量支持。

沥青混凝土心墙坝坝顶高程1 903.00 m，坝顶宽度为10.0 m；最大坝高97.5 m，大坝长232.8 m。上游围堰与坝体结合，围堰顶高程1 854.5 m，大坝上游坝坡为1∶2.0，下游坝坡1∶1.8，并在下游坝坡设宽10 m、纵坡8%的之字型上坝道路，最大断面平均坡度为1∶2.69。下游坝坡设C25F200钢筋混凝土网格梁干砌石护坡。坝体填筑分区从上游至下游分为上游坝体围堰爆破料区、上游爆破区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙、下游过渡料区、上游爆破料区。心墙布置型式采用直心墙，为碾压式沥青混凝土，心墙最大底部厚度为1.2 m，顶部厚度为0.5 m。为增加坝体抗震稳定性及解决弃渣堆放问题，在坝后设置弃渣平台。大坝平面布置图见图1，典型坝段剖面图见图2。

图1 大坝平面布置图

图2 典型坝段最大剖面图

3 基于有限元方法的稳定渗流场分析

3.1 基本理论

假定在各向异性岩土空隙中运动的流体，当其渗透速度较小时，渗透的沿程水头损失与流速的一次方成正比，其渗流可以看作是一种水流流线互相平行的流动-层流，相应流体渗流运动规律符合达西定律[1-3]：

vi=ki∂hi

(1)

式中：vi为(i=x,y,z)3个主方向的渗流速度；ki为(i=x,y,z)3个主方向的渗透系数；h(x,y,z)为各点测压管水头，它等于相应各点渗透压力与位置水头之和，即：

其中p为渗透压力；γw为水的重度。

基于达西渗流定理，对于二维非均质各向异性土体，通过考虑岩土材料的压缩性，相应非稳定渗流方程可以表示如下[4]：

式中：t为时间；Ss为单位贮存量。

当不考虑液体与岩土材料的压缩性时，相应稳定渗流方程可以表示如下[5]：

基于浸润面边界条件，式(3)与式(4)可以对混凝土面板堆石坝土坝渗流场进行数值模拟。

边界条件和初始条件统称定解条件，定解条件通常由野外观测资料或实验确定，对流动过程起决定作用[6-8]。

在混凝土面板堆石坝渗流场求解过程中，相应渗流边界条件以及初始条件对于渗流计算结果具有决定性作用。本文主要采用3种边界条件(图3)分别为：

1)给定水头边界条件Γ1：H=H0；

2)不透水边界Γ2：∂H/∂n=0；

3)渗出面Γ3：H(x,y,z)=Z(x,y),∂H/∂n>0

式中：n为边界外法线方向。

图3 坝体渗流边界条件示意图

由于在有限元求解过程中，无法对单元节点水头进行直接求导，因此本文采用中间截面法(图3)。

3.2 有限元计算模型

本文结合该坝实际工程水位地质模型建立其二维渗流有限元模型及材料分区及相应离散的有限元网格(图4)，模型采用四边形网格。

图4 坝体二维有限元网格

大坝各分区材料渗透系数经过试验取得，各材料分区渗透系数取值见表1。

表1 各材料分区渗透系数

根据温泉水库各特征水位取计算工况，下游水位取对应工况下的下游河道水位，具体计算工况见表2。

表2 大坝渗流场计算边界条件表

3.3 渗流有限元计算成果分析

为充分反映该沥青心墙坝渗流计算成果，整理并分析最大断面水头分布图和关键部位的渗流要素统计表，水头等值线见图5，渗流要素统计成果见表3，通过分析可以得出以下结论：

图5 最大断面正常运行工况下水利要素

表3 沥青心墙坝关键部位渗流要素统计表

1) 由最大断面正常运行工况下水头等值线图可以得出，渗流场呈现明显规律性，符合一般沥青心墙坝渗流场规律。各控制工况下，等水头线均集中在沥青心墙和坝基防渗帷幕内，浸润线在沥青心墙内形成陡降，上游坝壳料内水面线与库水位一致，下游坝体内浸润线贴近坝体地面线较平缓，很明显沥青心墙与帷幕灌浆防渗体发挥了重要作用。

2) 从表3沥青心墙坝关键部位渗流要素统计表可以得出，各控制工况下沥青心墙内渗透坡降在31.089～71.277之间；下游坝体内浸润线较为平直，因此出逸处渗透坡降较低，各计算工况下为0.057～0.089。根据地质勘测资料中坝体堆石料试验结果，下游出逸处的允许渗透坡降为0.100，出逸处计算渗透坡降小于允许渗透坡降。

3) 从表3沥青心墙坝关键部位渗流要素统计表结果可知，各控制工况下计算断面所得的单宽渗透流量是随水位的降低而减小，为0.315～0.800 m3/m·d。坝顶长按232 m计，大坝日渗漏量最大值约为73.08～185.60 m3，年渗漏量为2.667×104～6.774×104m3，年渗流量占多年平均径流量的0.005%～0.012%，计算所得大坝渗漏量较低。

4 结 论

本文采用稳定渗流有限元方法对新疆温泉沥青混凝土心墙坝渗流安全性进行分析，得出以下结论：

1) 渗流有限元计算成果表明，各控制工况下等水头线均集中在沥青心墙和坝基防渗帷幕内，上游坝壳料内浸润线平直与库内水位基本一致，浸润线在沥青心墙内形成陡降，下游坝体内浸润线平缓接近地面线。

2) 坝体坝基渗流场呈现明显规律性，符合一般面板沥青混凝土心墙坝渗流场变化规律，心墙及坝基防渗帷幕起到了良好的防渗效果，下游出逸点计算渗透坡降小于允许渗透坡降，满足规范要求。

3) 大坝日渗漏量最大值约为73.08～185.60 m3，年渗漏量为2.667×104～6.774×104m3，年渗流量占多年平均径流量的0.005%～0.012%，计算所得大坝渗漏量较低。