南丙河水庫(kù)黏土心墻土石壩三維滲流分析

楊超林，張 霞

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021)

土石壩壩基滲漏和繞壩滲漏滲流[1]造成的壩體及庫(kù)岸周邊材料強(qiáng)度降低，成為威脅壩區(qū)穩(wěn)定安全的重要因素。因而在大壩設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)整個(gè)壩區(qū)的地下水滲流情況有較全面的了解[2]。傳統(tǒng)的二維滲流計(jì)算方法無(wú)法從宏觀實(shí)際把握大壩、壩基及兩岸繞壩的滲流規(guī)律，預(yù)測(cè)水庫(kù)蓄水后壩址區(qū)的滲流量。三維滲流計(jì)算克服了二維計(jì)算的弊端，為高山峽谷區(qū)土石壩的滲流計(jì)算提供一個(gè)合理的計(jì)算方法。本文基于南丙河水庫(kù)地勘及水文資料，利用河海大學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的三維滲流控制分析有限元計(jì)算程序(SPGCR-3.FOR)[3,4]對(duì)大壩進(jìn)行滲流分析計(jì)算。

1 工程概況

南丙河水庫(kù)位于云南省瀾滄縣南朗河左岸一級(jí)支流南丙河上，壩址選定在酒井鄉(xiāng)磨刀河寨子上游0.5 km處，多年平均年徑流量7 301 萬(wàn)m3。水庫(kù)總庫(kù)容2 634.7 萬(wàn)m3，是一座集農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村人畜飲水、城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水于一體的綜合利用水利樞紐工程。黏土心墻風(fēng)化料壩壩頂高程1 422.00 m，壩頂軸線長(zhǎng)180.60 m，壩頂寬度8.00 m，最大壩高68.70 m。黏土心墻置于0.60 m厚C20混凝土墊層上，墊層基礎(chǔ)以強(qiáng)風(fēng)化巖體為建基面，河床處建基面高程1 353.30 m。

大壩采用帷幕灌漿防滲，防滲標(biāo)準(zhǔn)為q≤5 Lu。在帷幕軸線上、下游側(cè)各布置2排孔深分別為8 m、5 m，孔、排距3.0 m、梅花形布置的固結(jié)灌漿。灌漿帷幕沿大壩心墻軸線向兩岸延伸，左、右岸帷幕延伸至正常蓄水位與相對(duì)隔水層相交處，左岸從壩肩向山體內(nèi)延伸98.06 m；右岸延伸至壩橫0+215.03 m處，再向上游折轉(zhuǎn)38.26°后，沿山脊向山體內(nèi)延伸45.91 m。帷幕灌漿頂界水庫(kù)正常蓄水位1 419.20 m，灌漿底界為伸入到壩基相對(duì)隔水層(q≤5 Lu)內(nèi)5 m，大壩帷幕軸線水平總長(zhǎng)359.0 m，0+002.80～0+193.67 m(高程1 419.20 m以下)壩段為雙排布置，排距1.0 m，孔距2.0 m，其余為單排孔，孔距1.5 m。

2 滲流計(jì)算理論及方法

對(duì)于飽和滲流的基本方程為[5]：

(1)

式中：x、y、z為滲透主方向；Kx、Ky、Kz為主方向滲透系數(shù)；H為水頭函數(shù)。

取8節(jié)點(diǎn)等參單元離散滲流場(chǎng)，則單元內(nèi)的水頭分布為：

(2)

應(yīng)用Galerkin方法將微分方程(1)離散，經(jīng)推導(dǎo)整理得到：

(3)

當(dāng)整個(gè)區(qū)域全部處于承壓狀態(tài)(如壩基滲流)，便可直接依式(3)建立代數(shù)方程組，進(jìn)行求解即得到所要求的滲流水頭場(chǎng)。然而，對(duì)于具有自由面的滲流問題，其實(shí)際滲流區(qū)域，往往小于整個(gè)滲透介質(zhì)的區(qū)域。由于自由水面正是滲流分析所需要求解的量，因而，實(shí)際滲流域便是未知的[6]。為獲得自由面邊界，采用迭代逼近的方法來(lái)求其近似解。本文采用干區(qū)虛擬流動(dòng)不變網(wǎng)格法來(lái)求解自由面[7,8]。

3 壩區(qū)滲流計(jì)算分析

3.1 三維滲流分析模型的建立

為了充分反映出南丙河水庫(kù)樞紐區(qū)地形、地貌特征，考慮到防滲體對(duì)滲流場(chǎng)的影響，計(jì)算模型截取范圍如下。

左岸截取邊界：從河床中心線往左岸山體320 m。

右岸截取邊界：從河床中心線往右岸山體240 m。

上游截取邊界：上游取至壩軸線上游330 m。

下游截取邊界：下游取至壩軸線下游400 m。

模型底高程：取至1 290 m高程，即建基面以下1倍壩高。

建立的大壩三維滲流有限元模型見圖1，模型中共有43 393 個(gè)單元，42 902 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為了更具體地了解特殊區(qū)域的單元剖分信息，選取了2個(gè)典型結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型單獨(dú)進(jìn)行描述，見圖2和圖3。圖4給出了最大剖面的網(wǎng)格圖。

圖2 壩體有限元網(wǎng)格Fig.2 The finite element mesh of the dam body

圖3 壩基防滲系統(tǒng)有限元網(wǎng)格Fig.3 The finite element mesh of the seepage prevention system of the dam base

圖4 垂直于壩軸線的最大剖面網(wǎng)格Fig.4 The biggest profile mesh perpendicular to the dam axis

3.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

滲流計(jì)算中采用的壩體各分區(qū)、各地層等材料的滲透系數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及類似工程經(jīng)驗(yàn)選定，見表1。

本模型的計(jì)算邊界條件為：上游地表節(jié)點(diǎn)和上游壩體表面節(jié)點(diǎn)，低于上游水位的節(jié)點(diǎn)作為上游已知水頭邊界；下游地表節(jié)點(diǎn)和下游壩體表面節(jié)點(diǎn)，低于下游水位的節(jié)點(diǎn)作為下游已知水頭邊界；下游地表節(jié)點(diǎn)和下游壩體表面節(jié)點(diǎn)，高于下游水位的節(jié)點(diǎn)作為可能出滲節(jié)點(diǎn)，真實(shí)出滲節(jié)點(diǎn)由迭代計(jì)算確定；其他邊界均為不透水邊界。

表1 滲流分析計(jì)算所采用的材料參數(shù)Tab.1 The parameter of the materials used for seepage calculation

3.3 計(jì)算工況

結(jié)合水庫(kù)的運(yùn)行情況，選取3個(gè)滲流計(jì)算工況，見表2。

表2 滲流計(jì)算分析工況Tab.2 The conditions of seepage calculation

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算所得的各工況壩區(qū)地下水位等勢(shì)線分布圖見圖5。由圖5可見，水位等勢(shì)線在壩體心墻位置及兩岸帷幕位置較密集，表明壩體心墻及兩岸帷幕對(duì)水頭的消剎作用明顯，防滲效果較好。

圖5 3種工況下地下水位等勢(shì)線分布Fig.5 The distribution of equipotential line of groundwater level of three conditions

為了更好地分析壩址區(qū)滲流特性，選取了3個(gè)剖面對(duì)滲流場(chǎng)加以分析。剖面位置見圖5，其中，剖面1-1為最大壩體剖面，剖面2-2為左岸壩頭部位，剖面3-3為右岸壩頭部位。

圖6給出了最大壩體剖面(剖面1-1)的滲流場(chǎng)等勢(shì)線及浸潤(rùn)線圖。由圖6可見：① 3種工況下心墻上下游的水頭差分別為47.00、47.66、48.53 m，分別占上下游水頭差的74.4%、75.4%、76.1%。可見該防滲體系下，大壩上下游水頭差在防滲體系內(nèi)能得到很大的消剎。② 3種工況下壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)高程分別為1 356.51、1 357.81和1 358.51 m，均從下游排水棱體處逸出。表3給出了該剖面下心墻和帷幕的平均滲透梯度和最大滲透梯度值，可見3種工況下，心墻的最大滲透梯度為2.011，大于黏土允許滲透梯度[J]=0.5～0.6。為了保護(hù)黏土心墻使其不發(fā)生滲透破壞，已設(shè)置反濾層對(duì)黏土心墻進(jìn)行反濾保護(hù)。帷幕的最大滲透梯度約為2.738，小于允許的滲透梯度[J]=20.0。

圖6 水頭等勢(shì)線(剖面1-1)Fig.6 The equipotential line of water head (profile 1-1)

工況上游水位/m下游水位/m心墻平均梯度心墻最大梯度帷幕平均梯度帷幕最大梯度心墻浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高程/m下游浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高程/m正常蓄水位1419.201356.001.081.881.982.651372.201356.51設(shè)計(jì)洪水位1420.361357.111.141.932.012.691372.701357.81校核洪水位1421.431357.631.172.012.042.741372.901358.51

圖7和圖8分別給出了正常蓄水位工況下，左壩肩(剖面2-2)和右壩肩(剖面3-3)的水頭等勢(shì)線圖。由圖7、圖8可看出，左右岸山里地下水位埋深相對(duì)較深，兩岸的防滲帷幕發(fā)揮了較明顯的作用，左岸延伸部分的防滲帷幕在剖面2-2處所形成的水頭跌落約3.6 m，右岸延伸部分的防滲帷幕在剖面3-3處所形成的水頭跌落約2.6 m。

圖7 水頭等勢(shì)線(剖面2-2)Fig.7 The equipotential line of water head (profile 2-2)

圖8 水頭等勢(shì)線(剖面3-3)Fig.8 The equipotential line of water head (profile 3-3)

表4給出了3種工況下壩區(qū)的滲流量情況。大壩壩基及兩岸進(jìn)行帷幕灌漿處理后，正常蓄水位條件下，壩體、壩基及兩岸繞壩滲漏量約62 萬(wàn)m3/a，為水庫(kù)正常庫(kù)容的2.6%，壩址處多年平均徑流量7 301 萬(wàn)m3/a，不影響水庫(kù)正常蓄水。

表4 不同工況下大壩滲流量Tab.4 The seepage flow of the dam under different conditions

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)南丙河土石壩在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下的滲流計(jì)算分析，在設(shè)計(jì)的滲流控制措施下，可知：

(1)心墻內(nèi)消剎的水頭值約占上下游水頭差的75%，壩體心墻及兩岸帷幕對(duì)水頭的消剎作用明顯，防滲效果較好。

(2)浸潤(rùn)線均從下游排水棱體中逸出。

(3)心墻黏土的最大滲透梯度為2.011，大于黏土允許滲透梯度，已設(shè)置反濾層對(duì)黏土心墻進(jìn)行反濾保護(hù)。帷幕的最大滲透梯度約為2.738，小于允許的滲透梯度。

(4)正常蓄水位條件下，壩體、壩基及兩岸繞壩滲漏量約62 萬(wàn)m3/a，為水庫(kù)正常庫(kù)容的2.6%，為壩址處多年平均年徑流量的0.85%，不影響水庫(kù)正常蓄水。

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