基于MIDAS GTS的某水利枢纽大坝渗流分析研究

温青山

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830001)

1 概 述

水利枢纽工程为人类生存发展提供了重要的水利、电力资源，在全球各地逐渐架起一座座水利大坝，支撑着人类不停向前发展进步[1]。水利工程中不可忽视的一方面危害即是大坝泄漏，而大坝防渗关乎着坝体自身渗流稳定性，研究大坝渗流稳定性被许多学者或工程师持之以恒攻坚克难，主要基于水力学理论模型、河流变迁历史水文资料分析、各类模拟系统软件等[2-7]。其中，模拟软件应用越来越广泛，有水质变化模拟软件、河流水质运移模拟软件、岸坡稳定性模拟软件、渗流模拟软件等[8-11]。基于数值模型开发建立，引入基础理论，计算分析出水利工程渗流稳定性特征参数，反映渗流活跃度，评价水利大坝渗流稳定性，是当前水利工程中渗流稳定性分析的重要基础步骤。本文基于实际工程案例，建立数值模型，分析该工程渗流特征参数，为渗流稳定性分析提供重要参考。

2 渗流分析理论

渗流运动指流体在岩土层内发生的压力或能量交换，但由于运动不可避免会因岩土层阻力影响，渗流运动并不处于理想状态[12-15]。为了研究这种特殊运动，常常通过建立渗流模型，反映流体在运动场中的物质交换过程。其中达西定律作为渗流分析理论的经验总结规律，得到水力坡降与渗流速度之间的关系，如下式：

(1)

式中：v为流速；K为渗透系数；Δh为水头差；l为渗流路径；J为水力坡降。

将达西定律用微分方程表述，可为：

(2)

根据达西定律微分表达式，可知饱和土体中渗流方程为：

(3)

当流体处于稳定流态时，获得稳定渗流方程为：

(4)

当流体运动处于非饱和土体中，渗流主要发生在土体空隙中，渗流速度及压力与孔隙率有关，且渗透系数处于可变状态，此时的非稳定渗流方程为：

(5)

基于微分方程求解，联合给定的边界条件值，获得流体渗流场解集。通常情况来说，初值条件包括两类，一类是定水头条件：定水头条件指在已知研究区域内流场各点水头始终处于开放条件；另一类是定流量条件：指已知研究区域内渗流场中各点单位截面积中流量值处于开放。对于定水头条件，可描述为：

h(x,y,z,t)|s1=λ1(x,y,z,t),(x,y,z)∈S1

(6)

式中：h(x,y,z,t)为某空间三维区域内某点t时刻的水头值。

而对于定流量条件，可描述为：

(7)

式中：n为法向量；Q1为某区域内流量函数；S2为截面积内流量补给量。

3 工程概况

某水利枢纽为西南某重要中心城市调度水资源，包括超4 000 km2的集水面积，修筑有混凝土堆石坝，坝顶高程120 m，正常蓄水位124.5 m，库容5 000×104m3，不仅仅为工农业提供必备水资源，同时也灌溉附近农田及水力发电。坝址区域主要为冲积平原，两岸分布有冲沟等地质构造，坝址所在河谷地区平均海拔为1 200 m，部分岩层为不整合接触。坝址区修建后效果图见图1。

图1 坝址效果图

根据地质勘察资料表明，坝址基岩主要为半风化砂岩、灰岩等，部分地段在钻孔勘测中呈现明显夹层节理，夹层中主要为松散型泥岩，表面裂隙发育较多，局部含有断裂破碎带，基岩渗透系数较佳。由现场原位试验可知，岩层透水率最大可达24 Lu。左右两岸的第四系覆盖层厚度均超过12.5 m，受风力搬运或河流搬运作用，岩土层表面较光滑，岩性主要为鹅卵石、砂石等，部分覆盖层含有西南地区典型的溶洞、漏斗等岩溶现象，属于刘宁镇组与仙关组之间岩性。坝址基岩中孔隙水压力较大，储存在基岩裂隙中，区段内地下水埋深最深达95 m，而河床中最高水位为85 m，表明地下水向着河床水位运动，区段内岩层透水系数6.5～11.5×10-3cm/s。根据地下水位同一地址区段内高程数值可知，当地形坡度增大，地下水位埋深有所增大，水位高程增长。图2为基于地勘钻孔资料，采用GMS制作形成的坝址区段内地层云图。

图2 坝址区段内地层云图

为了及时了解该水利枢纽大坝渗漏情况，本文将首先分析影响该水利大坝渗漏性的地质因素。

1) 断裂构造：由于在坝区内含有南北走向断裂构造，并延伸至右侧岸坡，延伸水平距离超过500 m，流露破碎带宽40 cm，岩层胶结度较高，产状较紊乱。

2) 裂隙发育：虽然及时进行清基处理，但坝址区仍然发育有较多裂隙，平均长度超过7 m，部分裂隙内夹有破碎岩土层，主要为碳酸盐类矿物。

3) 软弱夹层：区段内夹层现象较显著，其中软弱夹层超过80处，局部厚度达15 cm，且伴随着地下水位高程变化，软弱夹层中岩性亲水性能也逐渐由弱变强。

4) 层间破碎带：受地质构造影响，部分岩层会发生拉伸弯曲变形，导致岩层间连接出现挤压破碎，区段内此种现象主要集中在左右两坝肩过渡至坝址区内，破碎带内含有较多裂隙岩层，这对大坝渗漏防护性是一定威胁。

为此，本文将对大坝在左右两岸坡及趾板区域渗流场开展模拟分析研究，以期加强对大坝渗漏防护监控。

4 大坝渗流模拟分析

本工程中大坝渗流场模拟分析主要针对三维模型，利用MIDAS GTS有限元软件建立起数值模型，见图3。且各部分结构渗透系数均采用工程实测数据，划分模型单元网格，得到6 025 836个六面体单元网格，112 642个节点，以3种工况开展渗流场计算分析，工况水位参数见表1。

图3 数值模型

表1 工况水位参数

4.1 校核水位

4.1.1 总水头与渗流速度

图4为校核水位工况下坝体总水头与渗流速度计算云图。从图4中可看出，最大水头为117.2 m，位于坝体上游正面迎水面板区域，下游水头较低，仅为31 m；从整体分布趋势来看，水头随上游至下游逐渐降低，降低幅度最大73.6%。表明水流经坝体后，水头降低显著，大坝能有效控制水头变化趋势，即坝体自身防渗系统稳固，从面板止水墙、帷幕防渗墙等措施，有效防止坝体渗漏。从坝体渗流速度云图可看出，最大流速为3.94×10-2m/hr，集中于下游坝址部位，占比仅有0.1%，且相比大坝流沙管涌临界速度，此最大流速较低，表明校核水位下坝体内部渗流场活跃度较平静，处于安全运行。

图4 坝体总水头与渗流速度计算云图(校核水位)

4.1.2 渗流路径与浸润面

图5为坝体渗流路径图。从渗流路径图可知，坝体渗流趋势及目标方向，根据校核水位下渗流路径图可看出，从上游坝身绕过面板防渗墙，进入下游坝体，逐渐往坝肩方向靠近，在坝肩方向与帷幕灌浆防渗墙相隔一定距离，慢慢靠近坝体趾板区域，但由于大坝趾板处设置有防渗薄膜，水流又减小了一定量级后进入大坝下游。渗流流经区域水头均在68.1 m以下，部分流经地段水头为38.1 m，校核水位下渗流路径受到防渗墙影响显著。

图5 渗流路径图(校核水位)

依据浸润面云图(图6)可看出，校核水位下坝体浸润面几乎均与坝基方向一致，与左右两岸坡相对比可发现，浸润面与边坡夹角较大，均超过90°，表明浸润面利于两岸岸坡稳定性提升，且坝体内填土层处于非饱和状态，土体稳定性利于控制。

图6 浸润面图(校核水位)

4.1.3 孔隙水压力与泄漏量

图7为坝体孔隙水压力计算云图。坝址区内孔隙水压力从坝基至坝顶呈逐渐降低态势，最大孔隙水压力达1.92 MPa，位于坝基处，主要是由于坝基岩土层孔隙水压力运动造成的。而在坝身区域内，孔隙水压力为-0.1～1.16 MPa，其中负孔隙水压力出现于两侧岸坡与坝体接触区域，表明岸坡稳定性较高。校核水位工况下，计算获得坝体泄漏量为1.2×10-4m3/hr，其中以右岸坡坝肩防渗墙处泄漏量最低，仅有4.1×10-6m3/hr，最大渗漏量出现在坝身面板处，占总泄漏量78%。而坝身面板不论是其水头值亦或是孔隙水压力值，均处于较低水平，表明坝身整体在校核水位工况下防渗性能较佳。

图7 孔隙水压力计算云图(校核水位)

4.2 正常蓄水位

4.2.1 总水头与渗流速度

正常蓄水位工况下，从上游至下游，从坝基至坝顶区域，水头值逐渐降低。上游水头从最大113 m降低至下游最小仅有3 m，此需归功于坝体自身防渗系统将上游较大水头“过滤”了近98%，在下游至较低水平，保护水库处于正常蓄水位时，大坝能安全稳定运行。渗流速度最大值相比校核水位下提高了148.5%，但渗流速度相比降低了30.5%。从渗透破坏流速影响范围来看，正常蓄水位下坝体流速值并不会威胁大坝安全运营。见图8。

图8 坝体总水头与渗流速度计算云图(正常蓄水位)

4.2.2 渗流路径与浸润面

从渗流路径来看，与校核水位下类似，不论是坝肩处，亦或是面板区域，或是坝址防渗墙处，渗流路径均未穿越，而是绕开运动，表明大坝防渗系统在正常蓄水位下处于正常运营保障状态，两岸岸坡渗流运动较平静。见图9。

图9 渗流路径图(正常蓄水位)

从浸润面图(图10)可看出，上下游浸润线近乎互相平行，与坝基方向一致，与两岸坡角夹角较大，降低了岸坡倾覆可能性；从两岸坡与坝体整体浸润面可看出，浸润线指示倾角较低，最大仅有18°，表明大坝抗滑移与抗悬浮性能较好，亦有助于坝体防渗。

4.2.3 孔隙水压力与泄漏量

从孔隙水压力分布图(图11)可知，最大孔隙水压力与校核水位工况下基本一致，达1.94 MPa， 上游至下游孔隙水压力逐渐降低，且局部区域出现负孔隙水压力，对大坝岸坡稳定性具有较大提升。相比校核水位工况下，正常蓄水位下总渗漏量降低了79.5%。达2.45×10-5m3/hr，渗漏量分布较大区域集中在绕左岸坡防渗墙区域，占比超过61.2%，最小渗漏量仅为1.05×10-6m3/hr，相比校核水位下亦有所降低，表明正常蓄水位下大坝渗透破坏风险性较低。

图10 浸润面图(正常蓄水位)

图11 孔隙水压力计算云图(正常蓄水位)

4.3 死蓄水位

4.3.1 总水头与渗流速度

相比前两种工况，死蓄水位上下游水位较低，总水头最大值亦较小，演变趋势亦是从上游至下游逐渐降低，下游剩余水头仅有0.2%，水头值为3 m。死蓄水位条件下，坝肩及岸坡总水头值为3.5～8.4 m，占比过50%，防渗系统对总水头削减效应显著，表明死蓄水位下防渗系统处于安全运营。另一方面，渗流速度最小值仅有4.9×10-10m/hr，相比前两种工况分别降低了94%和91.1%，最大渗流速度为7.72×10-2m/hr，与校核水位下处于同一量级，亦不会发生大坝渗透破坏现象。见图12。

4.3.2 渗流路径与浸润面

渗流路径与前两工况一致性，均没有产生面板或防渗墙的渗流穿越，绕过坝肩与面板防渗墙，渗流路加长，水力坡降降低，降低大坝倾覆威胁性。浸润面云图显示浸润线与坝基平行，两岸坡与浸润面夹角较大，大坝稳定性较高。见图13-图14。

图12 坝体总水头与渗流速度计算云图(死蓄水位)

图13 渗流路径图(死蓄水位)

图14 浸润面图(死蓄水位)

4.3.3 孔隙水压力与泄漏量

死蓄水位工况下最大孔隙水压力为1.8 MPa，相比前两种工况，坝顶两岸坡区域仍然是最低孔隙水压力，孔隙水压力从坝基至坝顶仍然为逐渐降低的趋势，表明坝体防渗性能较佳。总泄漏量为1.03×10-4m3/hr，相比前两种工况，总泄漏量分别为前者的4.3倍和83.3%；与正常蓄水位工况下类似，占比最高泄漏量存在于左岸坡面墙区域，占比超过92.2%。从总泄漏量值及分布来看，坝体防渗系统较好控制了整体渗漏水平。见图15。

图15 孔隙水压力计算云图(死蓄水位)

5 结 论

针对某水利枢纽大坝不同工况下渗流场特征，利用MIDAS GTS有限元软件建立数值模型，分析了校核水位、正常蓄水位、死蓄水位3种工况下渗流稳定性，结论如下：

1) 3种工况下坝体总水头分布均随上游至下游逐渐降低，最大降低幅度分别为73.6%、98%和98.2%；3种工况下最大渗流速度分别为3.94×10-2、9.79×10-2和7.72×10-2m/hr，渗流速度范围均在渗透破坏安全渗流速度内。

2) 3种工况下坝体渗流路径均会绕过面板防渗墙、坝址或坝肩防渗膜等防渗系统；浸润面角度与坝基平行一致，最大仅有18°～25°，两岸岸坡与浸润面夹角较大，大坝稳定性较高。

3) 3种工况下最大孔隙水压力分别为1.92、1.94和1.8 MPa，且从坝基至坝顶均为逐渐降低态势；坝体总泄漏量分别为1.2×10-4、2.45×10-5和1.03×10-4m3/hr，最大渗漏量分别出现在坝身面板、左岸坡防渗墙，渗漏量值均低于大坝渗透破坏临界值。