大河沿引水工程壩體滲流穩(wěn)定分析計算

周 亮

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000)

大河沿引水工程位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市高昌區(qū)大河沿鎮(zhèn)北部山區(qū)，大河沿河上游。擬建壩址距烏魯木齊120km，距吐魯番市60km，距大河沿鎮(zhèn)17km。工程主要由擋水大壩、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空沖砂兼導流洞組成，是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和重點工業(yè)供水任務的綜合性水利樞紐工程。

大河沿引水工程水庫總庫容3024萬m3，為Ⅲ等中型工程，擋水建筑物采用瀝青混凝土心墻壩，最大壩高75.00m，大壩級別為2級，永久建筑物溢洪道、灌溉洞和泄洪放空沖砂兼導流洞級別3級，邊坡級別為4級、公路等建筑物級別為4級。擋水建筑物土石壩設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1000年一遇；消能防沖設計洪水標準為30年一遇。各永久建筑物合理使用年限為50年。

1 工程地質(zhì)條件

大河沿引水工程位于大河沿河中游河段的中低山峽谷區(qū)，山頂海拔高程在2200～3000m之間，峰巒迭嶂，多為圓頂山、豬背山，山勢較陡峻，沖溝發(fā)育，山體總體走向近南北向。

庫區(qū)河段為基本對稱的“U”型河谷，河床寬度一般300～400m，最寬處約500m，河流坡降陡，平均坡降29.3‰，由北東流向南西，平均年逕流量約0.94×108m3/a，干流自三岔口由支流匯入后，四季水流不斷；三岔口以上支流與干流平時均為伏流，河床表面只有洪流通過，平時無明流。

河床砂卵石厚一般大于100m，兩岸山坡一般基巖裸露，沿河分布有Ⅰ～Ⅳ級堆積階地，其中Ⅰ～Ⅱ階地僅零星殘留，Ⅲ～Ⅳ級階地分布較連續(xù)。

庫區(qū)兩岸山體切割較劇，地形較零亂、單薄。庫首兩岸均為由上、下游沖溝切割的條形山脊。其中左岸條形山脊長約4km，水庫正常蓄水位以下山體基巖厚度大于1km，分水嶺高程1710～1946m，高于水庫正常蓄水位95m以上；右岸條形山脊長約5km，水庫正常蓄水位以下山體基巖厚度大于1.4km，分水嶺高程1715～1800m，高于水庫正常蓄水位約100m以上。

2 壩體滲流穩(wěn)定分析計算

對本工程全防滲墻防滲方案壩坡滲流和穩(wěn)定分析分別采用理正、GEO-STUDIO(SEEP/W)、CNPM3D(河海大學三維滲流分析軟件)三種軟件進行分別計算對比，成果如下：

(1)理正滲流分析軟件.對上述3種封閉式垂直防滲方案進行有限元滲流分析，各方案下準流網(wǎng)如圖1—3所示，其滲流計算結(jié)果見表1。

圖1 壩基170m封閉式防滲墻防滲工況下準流網(wǎng)圖

圖2 壩基封閉式防滲墻防滲工況下位勢分布圖

圖3 壩基封閉式防滲墻防滲工況下滲透坡降等值線圖

方案防滲深度單寬滲漏量/推測水庫日均滲漏量占多年平均日徑流量比值下游出逸比降(允/m/(m3/d)(m3/d)/%許值0.1)理正1704.018000.65%0.018GEO1703.817100.62%0.021CNPM3D1506.2227991.01%0.045

(2)GEO-SEEP/W滲流軟件。SEEP/W是加拿大GEO-SLOPE公司巖土分析軟件GeoStudio下的一個滲流分析模塊。通過計算，各方案下位勢分布如圖4—6所示，滲透坡降等值線圖如圖7所示，各方案壩體和壩基各分區(qū)的最大滲透坡降見表1，其滲流量計算結(jié)果見表2。

圖4 三維有限元網(wǎng)格圖

圖5 防滲帷幕及防滲墻有限元網(wǎng)格圖

圖6 正常蓄水位工況地下水位等值線圖

方案工況壩體總滲漏量/(m3/t)瀝青混凝土全防滲墻1×10-827991×10-72911

(3)河海大學CNPM3D三維滲流軟件。CNPM3D計算程序是河海大學根據(jù)有限元計算原理、收斂準則以及邊界條件的處理方法，用Visual C++開發(fā)了三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元計算分析程序。該三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元計算分析程序是在原三維穩(wěn)定滲流有限元計算分析程序NP3的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而來的。

經(jīng)過20多年的不斷完善和拓展，計算程序已能夠求解穩(wěn)定滲流問題、非穩(wěn)定滲流問題和飽和-非飽和滲流問題，并可適用于巖體的等效連續(xù)介質(zhì)，增加了處理斷層、溶洞、排水孔(井)等結(jié)構(gòu)的功能，可以計算分析絕大多數(shù)復雜滲流場的工程滲流問題。同時前后處理功能也逐步完善，開發(fā)了一系列圖形接口、分析整理等前后處理軟件。20多年來，利用滲流分析軟件包，結(jié)合國內(nèi)外工程實踐，已完成了三峽、水布埡、拉西瓦、察汗烏蘇、斜卡、溪洛渡、糯扎渡、錦屏一級、錦屏二級、小灣、老虎嘴、羊曲、馬來西亞巴貢(Bakun)、巴基斯坦真納(Jinnah)、剛果英布魯(Imboulou)、粵贛高速公路高邊坡等60余個國內(nèi)外大中小型水利水電樞紐工程、交通工程的滲流計算分析任務，計算成果符合實際情況。

通過表1分析可知，3種軟件計算成果略有不同，但基本趨勢一致，下壩體和壩基各區(qū)滲透坡降均小于材料允許值，水庫滲漏量都在1%的允許范圍之內(nèi)。3種封閉式防滲方案均能滿足設計要求。

圖7 正常工況下剖面y=500.12m位勢分布圖

通過理正和GEO軟件計算對比分析發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)深度由150m調(diào)整到174m后，其單寬滲流量是減少的趨勢，通過分析其主要原因是由于防滲墻的滲透系數(shù)遠低于基巖的滲透系數(shù)。

(4)在正常蓄水位工況下對推薦方案進行覆蓋層滲透系數(shù)敏感性分析，分別考慮將覆蓋層滲透系數(shù)縮小10倍和放大10倍進行敏感性分析。

覆蓋層滲透系數(shù)減小，其阻滲能力增強，覆蓋層滲透系數(shù)增大，其阻滲能力減弱。覆蓋層滲透系數(shù)較防滲墻滲透系數(shù)相差很大，壩體和壩基主要以瀝青心墻和防滲墻作為防滲系統(tǒng)，經(jīng)計算分析，覆蓋層滲透系數(shù)的變化，對面板、瀝青心墻及防滲墻的滲透坡降影響微小，對滲透流量的影響也很微小，可以忽略。

對瀝青心墻防滲方案，瀝青心墻按照1×10-7的滲透系數(shù)作敏感性分析

心墻滲透系數(shù)改為1×10-7cm/s時，和壩體材料相比依然很小，因此防滲效果仍然很好，通過壩體滲透流量很小，對總滲流量影響不大。

3 結(jié)語

軟件計算方法在解決實際復雜問題中的地位顯得越來越重要。運用計算機軟件數(shù)值模擬，在原有的滲流穩(wěn)定分析方法的基礎(chǔ)之上，運用計算機軟件數(shù)值模擬，能夠更精確的模擬出工程實際的運行結(jié)果。本文通過3種軟件對新疆吐魯番市大河沿引水工程壩體滲流穩(wěn)定分析計算成果對比，可優(yōu)化工程方案減少工程投資提供了理論依據(jù)。