赤金峡水库土石坝稳定-非稳定渗流分析与评价

雷 艳 ，王智阳 ，张海洋

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710010；3.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）

0 引言

土石坝建设过程中面临的最为关键的问题就是渗漏问题[1～2]。在土石坝的设计过程中，大坝剖面确定之后必须进行渗流计算，以评价大坝是否满足防渗的要求，确保大坝不会产生过大的渗漏损失或发生渗透破坏。同时已经修建的土石坝在安全鉴定过程中也必须进行渗流计算，以评估大坝运行多年之后是否满足防渗的要求。土石坝安全鉴定过程中一般需要对土石坝进行稳定和非稳定渗流计算。目前对新建大型土石坝开展的渗流分析较多，但是有关已建大坝的稳定-非稳定渗流分析，文献报道较少[2～3]。本文对赤金峡水库土石坝开展稳定-非稳定渗流分析，基于渗流分析结果评价大坝的渗透稳定及渗透损失是否满足安全要求。

1 工程概况

赤金峡水库位于玉门市以北50km，地处石油河中游。是一座以灌溉为主兼顾防洪的水库，工程等级为III等，总库容3878万m3，有效库容2118.5 m3，现灌溉面积8万亩，设计灌溉面积近期10万亩，远期16万亩。水库枢纽由拦河大坝、溢洪道和泄洪排砂洞三部分组成。拦河大坝坝顶长264.8 m，最大坝高35.6 m，坝顶宽5 m，坝顶高程1571.6 m，大坝按填筑材料和坝坡可分为两段。第一段桩号0+000～0+170，长170 m，在1565.5 m高程以下为壤土心墙砂砾石坝坝壳；以上为壤土斜墙砂砾石坝坝壳，上游坝坡均为1∶2.5，设三级马道；下游坝坡从上至下为1∶2.25、1∶2.25、1∶2.5，在高程1551 m和1566 m处设有马道，宽2 m。第二段桩号0+170～0+233，长63 m，其中0+170～0+217防渗体和上游坝坡与第一段相同，0+217～0+233段为斜墙变心墙的渐变段；后坝壳因受地形条件限制为堆石体，后坝坡为1∶1.38，左侧溢洪道泄洪沟道，设有一道混凝土挡墙与溢洪道挑流右侧墙相接。

2 渗流计算方法

在符合达西定律的二维非均质各向异性土体非稳定渗流的基本方程条件下二向稳定渗流基本方程式为：

式中：h 是水头函数；x、z是空间坐标；t是时间坐标；kx、kz是以x、z轴为主轴方向的渗透系数。

对式（1）用有限元法作渗流场离散，引用三结点的三角形单元和线性插值函数，离散后所得的线性方程组为：

式（2）为考虑土体压缩的非稳定渗流有限单元计算公式，当式中不计时间项，矩阵[s]、[p]等于0。引入相应的边界条件即可求得非稳定和稳定渗流场。

本文计算中，大坝上、下游水位以下的入渗和出流面及自由渗出段，其水头是已知的，属第一类边界；渗流自由面和不透水层面上没有流量流入和流出属于第二类边界，同时，为保证自由面的唯一性，渗透自由面还应满足水头等于位置高程的条件。非稳定渗流则有流量从自由面流进坝体，此流量是取两连续自由面之间的一块水体表示补给流量。

3 计算模型和工况

根据赤金峡水库河床坝段及岸坡坝段大坝典型剖面设计图建立渗流计算有限元模型，计算坐标系为：顺水流方向为y轴方向，向下游为正；铅直方向为z轴方向，向上为正；坐标原点位于基岩上游侧底部。河床坝段地基模拟范围：上、下游方向分别延伸50 m，深度方向延伸50 m。大坝有限元模型见图1，计算参数见表1。

图1 河床坝段有限元计算模型

表1 渗流计算参数表

根据赤金峡水库实际工程情况拟定土石坝渗流计算工况为：

1）水库水位为正常蓄水位1569.89 m，下游无水的稳定渗流期；

2）水库水位为死水位1555.45 m，下游无水的稳定渗流期；

3）非稳定渗流期，水库校核洪水位1570.91 m降落至正常蓄水位过程中非稳定渗流。

4 计算结果分析

4.1 正常蓄水位稳定渗流工况

图2为河床坝段正常蓄水位稳定渗流期坝体及地基总水头分布等值线图。由图2可以看出：①在上、下游水位差作用下，渗流区主要集中在心墙区域，其等势线分布较均匀，没有出现集中渗流区。②在心墙及坝基防渗体的作用下，下游坝壳中浸润线不高，下游坝坡溢出点在下游坡脚处，下游坝坡的渗透稳定性较有保证。③坝基采用混凝土防渗墙能满足赤金峡心墙土石坝的防渗要求，单宽渗流量为4.198 m3/d。

图2 正常蓄水位工况坝体及地基总水头分布等值线图（单位：m）

4.2 死水位稳定渗流工况

图3 为河床坝段死水位稳定渗流期坝体及地基总水头分布等值线图。由图3可以看出：死水位工况下赤金峡河床坝段心墙土石坝渗流场的分布规律与正常蓄水位工况基本一致，上游水位降低以后，坝体内的浸润线明显降低，下游坝坡出溢点仍然在下游坡脚处，下游坝坡的渗透稳定安全基本有保障。死水位工况下单宽渗流量为1.229 m3/d，较正常蓄水位工况降低了71%。

图3 死水位工况坝体及地基总水头分布等值线图（单位：m）

4.3 校核洪水位降至正常蓄水位非稳定渗流工况

图4 为非稳定渗流工况水位降至1570.30 m时坝体总水头分布等值线图。计算结果表明，水位降落过程中，对应于不同的降后水位，心墙下游浸润线与降后水位关系不大，心墙下游浸润线基本是一条由心墙溢出点至下游坡脚的平缓斜直线。心墙及上游坝体的浸润线受水位降落的影响，呈现降低的趋势。

图4 非稳定渗流工况水位降至1570.30 m时坝体总水头分布等值线图（单位：m）

4.4 渗流量及渗透坡降计算

表2～表3为赤金峡土石坝坝体渗流和渗透坡降计算结果。河床坝段正常蓄水位时采用水力学方法计算得到单宽渗流量为5.33 m2/d，有限元计算结果为4.20 m2/d，死水位时水力学方法计算得单宽渗流量为3.31 m2/d，有限元计算结果为2.63 m2/d，两种计算方法结果较为接近。正常蓄水位时大坝总渗流量399.75 m3/d，死水位时大坝总渗流量171.0 m3/d。河床坝段正常蓄水位时心墙逸出点渗透坡降为3.18，死水位时心墙逸出点渗透坡降为1.28。心墙逸出点渗透坡降远小于允许渗透坡降，因此不会出现渗透破坏。

表1 赤金峡渗流量计算结果

表2 赤金峡渗透平均坡降计算结果

5 结论

对赤金峡水库土石坝开展稳定-非稳定渗流分析。通过赤金峡水库土石坝开展正常蓄水位稳定渗流、死水位稳定渗流以及校核洪水位降至正常蓄水位非稳定渗流等工况的计算，获得水头等值线、浸润线、水力坡降以及渗流量等结果，并评价大坝的渗透稳定及渗透损失，结果认为赤金峡水库水头线较低，渗流量较小，同时心墙逸出点渗透坡降远小于允许渗透坡降，不会出现渗透破坏。