溫泉水利樞紐工程瀝青心墻壩滲流安全性分析

潘崇仁，吳俊杰,2

(1.水利部新疆水利水電勘察設計研究院，烏魯木齊 830000； 2.南京水利科學研究院，南京 210000)

1 概 述

新疆石油資源較為豐富，瀝青的產量非常高且品質優異，常用于修建道路及當地材料壩的防滲心墻中。瀝青混凝土心墻壩施工方便，造價低廉，被廣泛用于新疆水利建設中。由于瀝青混凝土基本不透水，被布設于壩體中間用于擋水。通常瀝青混凝土心墻壩的心墻部分都很薄，心墻的好壞直接影響到下游壩殼料的滲流穩定性。因此，瀝青混凝土心墻的滲流穩定性對壩體的安全運行非常重要，非常有必要通過滲流計算確定壩體內部水面線分布、流速大小、滲流量以及水力梯度高低情況，以此判斷下游排水體的形式、體積以及下游出逸點是否可能破壞，為工程設計提供一定參考依據。

2 工程簡介

溫泉水利樞紐工程是卡普斯浪河上的控制性工程，壩址斷面多年平均流量18.20 m3/s，多年平均年徑流量5.74×108m3，水庫正常蓄水位1 900 m，對應壩前水位89.23 m，正常蓄水位相應庫容4 772×104m3(原始庫容，下同)，死水位1 855 m，死庫容567×104m3，興利庫容4 205×104m3(泥沙淤積30年后剩余興利庫容3 581×104m3)。水庫總庫容5 105×104m3，電站裝機容量24 MW，多年平均年發電量0.74×108kW·h，裝機年利用小時數3 083 h。壩高97.5 m，壩基高程1 802.5 m，溫泉水利樞紐工程具有灌溉、工業供水及發電等綜合利用效益。工程建成后，到2025年經水庫調蓄供水，解決卡普斯浪河流域灌區季節性缺水問題；并承擔向下游拜城縣產業園區工業供水；同時利用水能資源進行發電，為阿克蘇電網提供可靠的電量支持。

瀝青混凝土心墻壩壩頂高程1 903.00 m，壩頂寬度為10.0 m；最大壩高97.5 m，大壩長232.8 m。上游圍堰與壩體結合，圍堰頂高程1 854.5 m，大壩上游壩坡為1∶2.0，下游壩坡1∶1.8，并在下游壩坡設寬10 m、縱坡8%的之字型上壩道路，最大斷面平均坡度為1∶2.69。下游壩坡設C25F200鋼筋混凝土網格梁干砌石護坡。壩體填筑分區從上游至下游分為上游壩體圍堰爆破料區、上游爆破區、上游過渡料區、瀝青混凝土心墻、下游過渡料區、上游爆破料區。心墻布置型式采用直心墻，為碾壓式瀝青混凝土，心墻最大底部厚度為1.2 m，頂部厚度為0.5 m。為增加壩體抗震穩定性及解決棄渣堆放問題，在壩后設置棄渣平臺。大壩平面布置圖見圖1，典型壩段剖面圖見圖2。

圖1 大壩平面布置圖

圖2 典型壩段最大剖面圖

3 基于有限元方法的穩定滲流場分析

3.1 基本理論

假定在各向異性巖土空隙中運動的流體，當其滲透速度較小時，滲透的沿程水頭損失與流速的一次方成正比，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動-層流，相應流體滲流運動規律符合達西定律[1-3]：

vi=ki?hi

(1)

式中：vi為(i=x,y,z)3個主方向的滲流速度；ki為(i=x,y,z)3個主方向的滲透系數；h(x,y,z)為各點測壓管水頭，它等于相應各點滲透壓力與位置水頭之和，即：

其中p為滲透壓力；γw為水的重度。

基于達西滲流定理，對于二維非均質各向異性土體，通過考慮巖土材料的壓縮性，相應非穩定滲流方程可以表示如下[4]：

式中：t為時間；Ss為單位貯存量。

當不考慮液體與巖土材料的壓縮性時，相應穩定滲流方程可以表示如下[5]：

基于浸潤面邊界條件，式(3)與式(4)可以對混凝土面板堆石壩土壩滲流場進行數值模擬。

邊界條件和初始條件統稱定解條件，定解條件通常由野外觀測資料或實驗確定，對流動過程起決定作用[6-8]。

在混凝土面板堆石壩滲流場求解過程中，相應滲流邊界條件以及初始條件對于滲流計算結果具有決定性作用。本文主要采用3種邊界條件(圖3)分別為：

1)給定水頭邊界條件Γ1：H=H0；

2)不透水邊界Γ2：?H/?n=0；

3)滲出面Γ3：H(x,y,z)=Z(x,y),?H/?n>0

式中：n為邊界外法線方向。

圖3 壩體滲流邊界條件示意圖

由于在有限元求解過程中，無法對單元節點水頭進行直接求導，因此本文采用中間截面法(圖3)。

3.2 有限元計算模型

本文結合該壩實際工程水位地質模型建立其二維滲流有限元模型及材料分區及相應離散的有限元網格(圖4)，模型采用四邊形網格。

圖4 壩體二維有限元網格

大壩各分區材料滲透系數經過試驗取得，各材料分區滲透系數取值見表1。

表1 各材料分區滲透系數

根據溫泉水庫各特征水位取計算工況，下游水位取對應工況下的下游河道水位，具體計算工況見表2。

表2 大壩滲流場計算邊界條件表

3.3 滲流有限元計算成果分析

為充分反映該瀝青心墻壩滲流計算成果，整理并分析最大斷面水頭分布圖和關鍵部位的滲流要素統計表，水頭等值線見圖5，滲流要素統計成果見表3，通過分析可以得出以下結論：

圖5 最大斷面正常運行工況下水利要素

表3 瀝青心墻壩關鍵部位滲流要素統計表

1) 由最大斷面正常運行工況下水頭等值線圖可以得出，滲流場呈現明顯規律性，符合一般瀝青心墻壩滲流場規律。各控制工況下，等水頭線均集中在瀝青心墻和壩基防滲帷幕內，浸潤線在瀝青心墻內形成陡降，上游壩殼料內水面線與庫水位一致，下游壩體內浸潤線貼近壩體地面線較平緩，很明顯瀝青心墻與帷幕灌漿防滲體發揮了重要作用。

2) 從表3瀝青心墻壩關鍵部位滲流要素統計表可以得出，各控制工況下瀝青心墻內滲透坡降在31.089～71.277之間；下游壩體內浸潤線較為平直，因此出逸處滲透坡降較低，各計算工況下為0.057～0.089。根據地質勘測資料中壩體堆石料試驗結果，下游出逸處的允許滲透坡降為0.100，出逸處計算滲透坡降小于允許滲透坡降。

3) 從表3瀝青心墻壩關鍵部位滲流要素統計表結果可知，各控制工況下計算斷面所得的單寬滲透流量是隨水位的降低而減小，為0.315～0.800 m3/m·d。壩頂長按232 m計，大壩日滲漏量最大值約為73.08～185.60 m3，年滲漏量為2.667×104～6.774×104m3，年滲流量占多年平均徑流量的0.005%～0.012%，計算所得大壩滲漏量較低。

4 結 論

本文采用穩定滲流有限元方法對新疆溫泉瀝青混凝土心墻壩滲流安全性進行分析，得出以下結論：

1) 滲流有限元計算成果表明，各控制工況下等水頭線均集中在瀝青心墻和壩基防滲帷幕內，上游壩殼料內浸潤線平直與庫內水位基本一致，浸潤線在瀝青心墻內形成陡降，下游壩體內浸潤線平緩接近地面線。

2) 壩體壩基滲流場呈現明顯規律性，符合一般面板瀝青混凝土心墻壩滲流場變化規律，心墻及壩基防滲帷幕起到了良好的防滲效果，下游出逸點計算滲透坡降小于允許滲透坡降，滿足規范要求。

3) 大壩日滲漏量最大值約為73.08～185.60 m3，年滲漏量為2.667×104～6.774×104m3，年滲流量占多年平均徑流量的0.005%～0.012%，計算所得大壩滲漏量較低。