西藏某水庫工程三維滲流場分析

白興鋒　李冰妮　劉立鵬

(西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩　850000)

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·水利工程·

西藏某水庫工程三維滲流場分析

白興鋒李冰妮劉立鵬

(西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩850000)

以西藏某水庫工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩為研究對象，利用GMS軟件中Femwater模塊，模擬分析了正常滲控措施下相應(yīng)設(shè)計水位三維滲流場及滲流量，同時與調(diào)整滲控措施后，滲流場及滲流量變化進行了對比，結(jié)果表明，目前的滲控設(shè)置是合理的，調(diào)整灌漿帷幕深度滲漏量將明顯增加，不滿足設(shè)計對于滲流量的要求。

土石壩，水庫，滲透場，滲透系數(shù)

西藏某水庫位于西藏山南地區(qū)乃東縣索珠鄉(xiāng)境內(nèi)雅魯藏布江左岸一級支流旺曲上游丁拉溝，壩址處地理坐標為東經(jīng)91°52′36″，北緯29°30′25″，距山南地區(qū)澤當鎮(zhèn)41.0 km，距拉薩市186 km。攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程4 179.35 m，防浪墻頂高程4 180.55 m，壩頂寬8 m，最大壩高67.6 m，壩頂長度365.0 m。滲控措施由瀝青混凝土心墻、防滲墻及灌漿帷幕組成。土石壩中滲控措施的合理有效性一直是設(shè)計方和建設(shè)方所關(guān)心的重點問題，許多的專家學(xué)者結(jié)合有限元技術(shù)對于土石壩滲流問題自不同的角度展開了研究[1-5]。徐毅等人利用有限元法對無限深透水地基上的土石壩模型進行理論計算[6]。熊政等根據(jù)基本方程及定解條件的比較分析，將ADINA軟件的溫度場模塊分析功能應(yīng)用于滲流場的分析，并采用死活單元技術(shù)，通過迭代算法計算自由水面位置(浸潤線)，解決了實際工程觀音巖心墻土石壩滲流穩(wěn)定問題的求解[7]。程國祥等論述了基于ANSYS的土石壩的滲流場模擬，分析了優(yōu)點及理論基礎(chǔ)[8]。陳亮亮等探討了建在無限深透水地基上帶水平鋪蓋的土石壩斜墻式防滲體滲透穩(wěn)定時的計算模型，通過理論分析，簡化復(fù)雜的邊界條件，利用邊界點法對其建立了數(shù)學(xué)模型[9]。

文中利用GMS軟件中Femwater模塊對西藏某水利工程大壩滲流場進行了分析，并對灌漿層深度進行了敏感性分析，研究結(jié)果可為工程設(shè)計提供一定的借鑒和參考。

1　計算原理及方法

滲流計算方法有很多，主要分為理論分析方法和試驗分析方法。理論分析法分解析法、數(shù)值方法和圖解法；試驗分析法分砂槽模型法、粘滯流模型法、水力網(wǎng)模型法、電擬試驗法和電阻網(wǎng)模型法。數(shù)值方法分有限單元法和差分法。有限單元法是將實際的滲流場劃分為有限個簡單的單元，每個單元以節(jié)點相互聯(lián)系，首先求得單元體節(jié)點處的水頭，同時假定在每個單元體內(nèi)的滲透水頭呈線性分布，便可求得滲流場任意處的水頭。差分法是將滲流基本方程轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘址匠?，并采用逐步逼近的計算方法來求得滲流場中各點處的水頭。滲流場的連續(xù)方程和運動方程假定液體不可壓縮、土骨架亦不變形，則可由質(zhì)量守恒原理推導(dǎo)出穩(wěn)定滲流情況下的三維連續(xù)方程如下：

(1)

又由達西定律知，土中三維恒定滲流的運動微分方程式為：

(2)

滲流的基本微分方程由上述的連續(xù)性方程和運動微分方程構(gòu)成，對于各向同性均質(zhì)土，它們共有4個未知數(shù)vx，vy,vz和H，聯(lián)立基本微分方程組可求解滲流場各點的流速和水頭。根據(jù)連續(xù)性假設(shè)，dt時間內(nèi)單元體的體積變化必等于同一時間內(nèi)單元體的水量變化，結(jié)合達西定律，可得滲流運動的連續(xù)性方程為:

(3)

其中，H為總水頭；kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；kz為z方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量；t為時間；Θ為體積含水率，Θ=Vw/V，Vw為在水流過土體時駐留在土體結(jié)構(gòu)中的水的體積，V為土體的總體積。

2　計算工況及模型建立情況

2.1計算工況

計算工況如表1所示，其中，正常蓄水位為4 176.65 m，設(shè)計洪水位4 177.84 m，校核洪水位4 178.22 m，死水位4 119.67 m。

表1　計算工況

2.2模型建立

利用地形圖、設(shè)計圖及勘探圖建立研究區(qū)域三維滲流模型，如圖1所示。三維數(shù)值模型中，沿壩軸方向為y軸方向，沿河谷方向為x軸方向，z軸方向為豎直方向，考慮滲流邊界條件影響，建立模型是沿各方向均具有一定的延伸，其中模型y方向長度1 040 m，x方向長度為665.5 m，z方向以高程3 900 m為底板高程，其中，模型含節(jié)點27 816個，150 980個單元，如圖2所示。

圖1　三維滲流計算模型　　　圖2　滲流分析三維模型剖分情況

2.3滲透系數(shù)

各層滲透系數(shù)如表2所示，其中臨界滲透比降為0.10。

3　計算結(jié)果分析

表2　地層滲透系數(shù)

3.1工況1

工況1主要是指在上游水位為正常蓄水位，下游水位為最低水位時，驗算設(shè)計方所提出的滲控措施情況下滲流場分布情況及滲流量情況，其中滲控措施如圖3所示。

采用設(shè)計所提出滲控措施下，滲流場分布特征如圖4所示，樁號0+100位置地下水等勢線分布如圖5所示。

圖3　滲控措施空間分布圖　　　　　　圖4 工況1總水頭　　　　　　　　　　　　　　　　　　等值線分布圖(單位：m)

圖5　樁號壩0+100位置地下水等勢線分布圖(單位：m)

由圖4可知，由于瀝青混凝土心墻、混凝土防滲墻及灌漿帷幕的存在，上游自4 176.65 m正常蓄水位降低至下游尾水位，發(fā)生明顯降低現(xiàn)象。同時由圖5可知，擬采用滲控措施對于該水庫滲流具有較為明顯的控制作用，由于增加了滲流路徑，等勢線自上游至下游變化明顯。

工況1情況下，總滲漏量為6.66×10-3m3/s，合計2.10×105m3/s，占壩址處多年平均徑流量(3 253×104m3)的0.645%，滿足設(shè)計要求。

3.2工況2

水庫設(shè)計中擬采用的滲控措施為：瀝青混凝土心墻+防滲墻以及灌漿層，對于工況2，則主要是取消花崗巖地層中灌漿帷幕，主要分三種情況，即：1)取消5 Lu線與弱透水層間灌漿帷幕；2)取消5 Lu線至強透水層間灌漿帷幕；3)取消5 Lu線至第四紀地層間灌漿帷幕，其中工況2中取消5 Lu線與強透水層間灌漿帷幕時滲流場分布特征如圖6所示，樁號0+100位置地下水等勢線分布如圖7所示。

圖6　工況2-2總水頭分布圖(單位：m)

圖7　工況2-2樁號壩0+100位置地下水等勢線分布圖(單位：m)

取消5 Lu線與一定地層之間灌漿帷幕，全水頭分布情況與工況1宏觀上較為相近。由圖6樁號壩0+100位置地下水等勢線分布圖可知，由于取消了5 Lu線與強透水層之間灌漿帷幕，故而地下水等勢線急劇變化位置高程相對提高，即主要集中于灌漿層底部位置。由于工況2與工況1相比滲流路徑長度相對減小，滲流量相應(yīng)增大，其中工況2-1總滲漏量為1.54×10-2m3/s，工況2-2為6.83×10-2m3/s，工況2-3為0.195 m3/s，分別占壩址處多年平均徑流量(3 253×104m3)的1.49%，6.62%，18.89%，均不滿足設(shè)計要求。

3.3工況3

工況3是指上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位情況，此時是設(shè)計的正常滲控措施。此時滲流場分布特征如圖8所示。由圖8可知，這一工況情況下，全水頭及壓力水頭分布情況與工況1情況下宏觀上較為相近，即滲控措施對于滲流具有明顯的控制作用，此時總滲漏量為6.83×10-3m3/s，占壩址處多年平均徑流量0.66%，滿足設(shè)計要求。

4　結(jié)語

利用GMS軟件中Femwater模塊對西藏某水利水庫工程大壩區(qū)域三種不同水位及滲控措施下三維滲流場分布特征及滲流量進行了分析研究，結(jié)果表明，采用現(xiàn)有的滲控措施，在不同水位下均具有很好的防滲效果，大壩滲流量滿足設(shè)計要求，如果減小灌漿帷幕深度，則滲流量較大，不滿足滲流要求。

[1]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[2]劉杰,謝定松.我國土石壩滲流控制理論發(fā)展現(xiàn)狀[J].巖土工程學(xué)報,2011,33(5):714-718.

[3]涂揚舉,王文濤,薛新華.瀑布溝高心墻土石壩滲流分析[J].水利水運工程學(xué)報,2013(5):77-82.

[4]劉曉慶,肖大偉.排滲系統(tǒng)對土石壩滲流的影響[J].甘肅水利水電技術(shù),2013,49(6):10-13.

[5]倪沙沙,張小飛.庫水位升降對心墻土石壩滲流場及壩坡穩(wěn)定性的影響[J].水電能源科學(xué),2016,34(3):84-87.

[6]徐毅,侍克斌,毛海濤.懸掛式微透水防滲墻的土石壩滲流計算[J].水資源與水工程學(xué)報,2014,25(4):138-141.

[7]熊政,何蘊龍,韓健.ADINA軟件在土石壩滲流場計算中的應(yīng)用[J].西北水力發(fā)電,2006,22(1):39-42.

[8]程國祥,游昕穎.淺談基于ANSYS的土石壩滲流場模擬[J].甘肅科技,2011,27(7):80-81.

[9]陳亮亮,李永,侍克斌.無限深透水地基上土石壩滲流計算方案初探[J].人民黃河,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

白興鋒(1978- )，男，工程師；李冰妮(1983- )，女，助理工程師；劉立鵬(1983- )，男，高級工程師

TV221.2

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