紅海水庫主壩滲流分析

喻少平

（喀什葉爾羌河勘測設(shè)計(jì)院，新疆喀什844700）

紅海水庫主壩滲流分析

喻少平

（喀什葉爾羌河勘測設(shè)計(jì)院，新疆喀什844700）

本文介紹了紅海水庫壩址區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，針時(shí)其復(fù)雜的地質(zhì)條件，對大壩滲流及滲透穩(wěn)定問題采用滲流有限元計(jì)算，分別了對不同工況的滲透坡降、最大斷面滲流各參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，本文所述計(jì)算分析方法能客觀地反映該大壩的滲流情況，并采取針對的措施，效果良好。

滲流；有限元計(jì)算；水庫大壩

1 工程概況

紅海水庫是新疆喀什地區(qū)巴楚縣境內(nèi)的一座中型引水注入式平原水庫，位于巴楚縣城以西8km的紅海鄉(xiāng)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)78°20′～78°30′，北緯39°43′～39°48′。

水庫通過巴楚總干渠引蓄葉爾羌河水，水庫擔(dān)負(fù)著巴楚縣城、紅海鄉(xiāng)、勝利鄉(xiāng)、恰瓦克鄉(xiāng)、良種場、園藝場六鄉(xiāng)鎮(zhèn)23.18萬畝耕地的灌溉任務(wù)。紅海水庫總庫容為7200×104m3，正常蓄水位1122.20m，興利庫容6000×104m3，死庫容1200× 104m3，死水位1119.66m，正常蓄水水面面積為34.49km2。主壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂寬4.0～7.9m，于2005年進(jìn)行除險(xiǎn)加固，設(shè)計(jì)壩頂高程為1124.10m，設(shè)計(jì)壩頂寬為6m。

水庫庫盤內(nèi)地層巖性上部以粉質(zhì)粘土和粉土為主，滲透系數(shù)為0.32m/d；下部為大厚度青灰色粉細(xì)砂，滲透系數(shù)6.13m/d透水層，在主壩線0+ 000—2+000段，有數(shù)條古河道由庫內(nèi)延伸至庫外，在壩后50～150m范圍內(nèi)遷回曲折，古河道寬一般20～25m，深1～2m，河床內(nèi)巖性為粉砂。另外，在主壩1+500—4+500段壩后為廣闊的漫灘相沉積物和牛扼湖，此段壩后500m范圍內(nèi)為一片沼澤。副壩4+700—6+250段，分布著一寬度達(dá)1.5km的古河道及河漫灘，由西南向東北延伸至庫內(nèi)，巖性以青灰色粉砂為主。

由壩體的勘探試驗(yàn)資料可知，水庫壩體主要由粉土和粉質(zhì)粘土等組成。干密度一般為1.3～ 1.5g/cm3，平均值1.42g/cm3滲透系數(shù)0.05～0.001m/d。液限24.9～44.8，塑限19～36.5，塑性指數(shù)4.4～11.4，粘聚力20.3～38KPa，內(nèi)摩擦角22～26.6°。

2 滲流分析計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

滲流分析采用多介質(zhì)連續(xù)滲流理論，將壩區(qū)的滲流場按工程地質(zhì)巖層簡化為一個(gè)非均質(zhì)的、服從達(dá)西定律的多介質(zhì)滲流進(jìn)行計(jì)算。

2.1 滲流有限元分析原理

滲流問題的計(jì)算方法分為：解析法、數(shù)值法、圖解法、實(shí)驗(yàn)法等，有限元法屬于數(shù)值算法的一種，這種方法得益于廣泛的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，目前被廣泛的使用與滲流分析中。滲流計(jì)算是在已知定解條件下求解滲流基本方程，以求得滲流場水頭分布和滲流量等滲流要素，它是工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容.由于土石壩屬于無壓滲流，有滲流浸潤面且非穩(wěn)定滲流自由面隨庫水位升降而變動，加之一般滲流場有不同程度的非均質(zhì)和各向異性，幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，解析求解在數(shù)學(xué)上有不少困難，有限元法均采取把求解區(qū)域離散為若干單元或網(wǎng)格，從而使問題的控制方程在區(qū)域上全部滿足或部分滿足邊界的函數(shù)近似的形式，這種區(qū)域法在求解有限深地基的滲流問題時(shí)取得了很好的效果，被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)際中。

滲流有限元分析基本方程：

式中：［k］—透水系數(shù)矩陣；

｛H｝—總水頭向量；

［M］—單元儲水量矩陣；

｛Q｝—流量向量；

t—時(shí)間。

一般土壩基礎(chǔ)為無限深度，在計(jì)算時(shí)需假設(shè)一定的基礎(chǔ)深度，一般給出足夠的深度，以使計(jì)算的成果盡可能的接近實(shí)際情況。

2.2 模型的離散

計(jì)算采用較為靈活的計(jì)算模型，為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，及工程的安全性，選取主壩段3+500—4 +500壩基條件較差且為水庫水位最高的壩段，進(jìn)行壩體滲流分析。最終選取主壩3+900斷面進(jìn)行分析，依據(jù)壩體的構(gòu)造離散為壩體、壩后排水體、及地基三種介質(zhì)進(jìn)行滲流分析。

2.3 邊界條件

滲流計(jì)算，考慮大壩所處的地形地質(zhì)以及水文條件，將二維滲流有限元計(jì)算邊界簡化為：節(jié)點(diǎn)水頭通過計(jì)算迭代求出；計(jì)算中以水庫庫盤上部粉質(zhì)粘土粉土作為相對隔水層，土層厚度作計(jì)算模型的下邊界；計(jì)算工況選擇達(dá)到設(shè)計(jì)水位及蓄水到1/3設(shè)計(jì)水位情況下兩種情況用于分析水庫蓄水初期及達(dá)到設(shè)計(jì)水位情況下大壩的滲流狀況。

2.4 計(jì)算參數(shù)

壩區(qū)地層較復(fù)雜，根據(jù)壩基大量的鉆孔壓水試驗(yàn)，得到具有較好的代表各地層計(jì)算滲透系數(shù)，按兩種設(shè)計(jì)工況下確定壩體滲流分析的計(jì)算依據(jù)。各計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 水庫滲流分析計(jì)算選用參數(shù)表

3 計(jì)算成果分析

3.1 壩體滲漏分析

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及工程地質(zhì)評價(jià)結(jié)論，水庫壩基低液限粘土滲透變形的允許水力比降為0.49；壩基低液限粉土產(chǎn)生滲透變形的允許水力比降為0.502：粉土質(zhì)砂產(chǎn)生滲透變形的允許水力比降為0.466。通過有限元分析研究壩體滲流情況，壩段在穩(wěn)定滲流期正常蓄水位及1/3壩高水位兩種工況實(shí)際出逸點(diǎn)的水力坡降為0.098、0.041均小于相應(yīng)的允許水力坡降見圖1、圖2。而且主壩3+900斷面壩后有貼坡排水，可以一定程度的降低浸潤線高度，即增加了滲流穩(wěn)定性，壩體及壩基滲透穩(wěn)定滿足要求，從流網(wǎng)圖中還可以看出水庫大壩的滲漏主要來自于壩基滲漏，這主要是由于主壩該段建在古河道上，古河道形成了紅海水庫滲漏的主要通道。

圖1 正常蓄水位時(shí)壩體流網(wǎng)圖

圖2 1/3壩搞水位時(shí)壩體流網(wǎng)圖

3.2 壩體截面數(shù)值分析

以正常蓄水位工況下的壩體的滲流進(jìn)行數(shù)值分析，通過滲流有限元計(jì)算，得出壩體的壩體內(nèi)部總水頭變化及滲流速度的變化情況，可以看出以壩體前坡腳推算距離壩體14m位置滲流速速基本穩(wěn)定在0.12m/d，壩體設(shè)置了壩后排水設(shè)施后有效的保證了壩體的有穩(wěn)定的滲流過程，在此段壩體的水頭呈現(xiàn)直線下降趨勢，并沒有大的變化，這說明均質(zhì)壩體對水流的滲透壓力影響較小，穩(wěn)定滲流的影響主要是來自于壩基和壩后設(shè)置排水棱體所致。見圖3、圖4。

4 水庫加固措施

通過滲流的有限元分析為采取有效的除險(xiǎn)加固措施提供了科學(xué)依據(jù)，水庫依據(jù)這些結(jié)論于2005年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，工程于2006年完成。通過近幾年的觀測，效果較好。

在壩體壩基滲透穩(wěn)定方面，根據(jù)壩體及壩基平面穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果，滲透變形問題主要發(fā)生壩體穿越古河床地段，壩基粉細(xì)砂直接出露地表，出逸比降大于允許水力坡降，產(chǎn)生流土破壞。其他壩段雖有發(fā)生流土的條件，但壩基滲透是穩(wěn)定的。為防止流土破壞，應(yīng)完善壩后排水系統(tǒng)，對不穩(wěn)定段采取壩后增加蓋重等措施。

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：1672-2469（2015）07-0047-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.07.017

喻少平（1969年—），男，高級工程師。