赤金峽水庫土石壩穩定-非穩定滲流分析與評價

雷 艷 ，王智陽 ，張海洋

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安710010；3.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

0 引言

土石壩建設過程中面臨的最為關鍵的問題就是滲漏問題[1～2]。在土石壩的設計過程中，大壩剖面確定之后必須進行滲流計算，以評價大壩是否滿足防滲的要求，確保大壩不會產生過大的滲漏損失或發生滲透破壞。同時已經修建的土石壩在安全鑒定過程中也必須進行滲流計算，以評估大壩運行多年之后是否滿足防滲的要求。土石壩安全鑒定過程中一般需要對土石壩進行穩定和非穩定滲流計算。目前對新建大型土石壩開展的滲流分析較多，但是有關已建大壩的穩定-非穩定滲流分析，文獻報道較少[2～3]。本文對赤金峽水庫土石壩開展穩定-非穩定滲流分析，基于滲流分析結果評價大壩的滲透穩定及滲透損失是否滿足安全要求。

1 工程概況

赤金峽水庫位于玉門市以北50km，地處石油河中游。是一座以灌溉為主兼顧防洪的水庫，工程等級為III等，總庫容3878萬m3，有效庫容2118.5 m3，現灌溉面積8萬畝，設計灌溉面積近期10萬畝，遠期16萬畝。水庫樞紐由攔河大壩、溢洪道和泄洪排砂洞三部分組成。攔河大壩壩頂長264.8 m，最大壩高35.6 m，壩頂寬5 m，壩頂高程1571.6 m，大壩按填筑材料和壩坡可分為兩段。第一段樁號0+000～0+170，長170 m，在1565.5 m高程以下為壤土心墻砂礫石壩壩殼；以上為壤土斜墻砂礫石壩壩殼，上游壩坡均為1∶2.5，設三級馬道；下游壩坡從上至下為1∶2.25、1∶2.25、1∶2.5，在高程1551 m和1566 m處設有馬道，寬2 m。第二段樁號0+170～0+233，長63 m，其中0+170～0+217防滲體和上游壩坡與第一段相同，0+217～0+233段為斜墻變心墻的漸變段；后壩殼因受地形條件限制為堆石體，后壩坡為1∶1.38，左側溢洪道泄洪溝道，設有一道混凝土擋墻與溢洪道挑流右側墻相接。

2 滲流計算方法

在符合達西定律的二維非均質各向異性土體非穩定滲流的基本方程條件下二向穩定滲流基本方程式為：

式中：h 是水頭函數；x、z是空間坐標；t是時間坐標；kx、kz是以x、z軸為主軸方向的滲透系數。

對式（1）用有限元法作滲流場離散，引用三結點的三角形單元和線性插值函數，離散后所得的線性方程組為：

式（2）為考慮土體壓縮的非穩定滲流有限單元計算公式，當式中不計時間項，矩陣[s]、[p]等于0。引入相應的邊界條件即可求得非穩定和穩定滲流場。

本文計算中，大壩上、下游水位以下的入滲和出流面及自由滲出段，其水頭是已知的，屬第一類邊界；滲流自由面和不透水層面上沒有流量流入和流出屬于第二類邊界，同時，為保證自由面的唯一性，滲透自由面還應滿足水頭等于位置高程的條件。非穩定滲流則有流量從自由面流進壩體，此流量是取兩連續自由面之間的一塊水體表示補給流量。

3 計算模型和工況

根據赤金峽水庫河床壩段及岸坡壩段大壩典型剖面設計圖建立滲流計算有限元模型，計算坐標系為：順水流方向為y軸方向，向下游為正；鉛直方向為z軸方向，向上為正；坐標原點位于基巖上游側底部。河床壩段地基模擬范圍：上、下游方向分別延伸50 m，深度方向延伸50 m。大壩有限元模型見圖1，計算參數見表1。

圖1 河床壩段有限元計算模型

表1 滲流計算參數表

根據赤金峽水庫實際工程情況擬定土石壩滲流計算工況為：

1）水庫水位為正常蓄水位1569.89 m，下游無水的穩定滲流期；

2）水庫水位為死水位1555.45 m，下游無水的穩定滲流期；

3）非穩定滲流期，水庫校核洪水位1570.91 m降落至正常蓄水位過程中非穩定滲流。

4 計算結果分析

4.1 正常蓄水位穩定滲流工況

圖2為河床壩段正常蓄水位穩定滲流期壩體及地基總水頭分布等值線圖。由圖2可以看出：①在上、下游水位差作用下，滲流區主要集中在心墻區域，其等勢線分布較均勻，沒有出現集中滲流區。②在心墻及壩基防滲體的作用下，下游壩殼中浸潤線不高，下游壩坡溢出點在下游坡腳處，下游壩坡的滲透穩定性較有保證。③壩基采用混凝土防滲墻能滿足赤金峽心墻土石壩的防滲要求，單寬滲流量為4.198 m3/d。

圖2 正常蓄水位工況壩體及地基總水頭分布等值線圖（單位：m）

4.2 死水位穩定滲流工況

圖3 為河床壩段死水位穩定滲流期壩體及地基總水頭分布等值線圖。由圖3可以看出：死水位工況下赤金峽河床壩段心墻土石壩滲流場的分布規律與正常蓄水位工況基本一致，上游水位降低以后，壩體內的浸潤線明顯降低，下游壩坡出溢點仍然在下游坡腳處，下游壩坡的滲透穩定安全基本有保障。死水位工況下單寬滲流量為1.229 m3/d，較正常蓄水位工況降低了71%。

圖3 死水位工況壩體及地基總水頭分布等值線圖（單位：m）

4.3 校核洪水位降至正常蓄水位非穩定滲流工況

圖4 為非穩定滲流工況水位降至1570.30 m時壩體總水頭分布等值線圖。計算結果表明，水位降落過程中，對應于不同的降后水位，心墻下游浸潤線與降后水位關系不大，心墻下游浸潤線基本是一條由心墻溢出點至下游坡腳的平緩斜直線。心墻及上游壩體的浸潤線受水位降落的影響，呈現降低的趨勢。

圖4 非穩定滲流工況水位降至1570.30 m時壩體總水頭分布等值線圖（單位：m）

4.4 滲流量及滲透坡降計算

表2～表3為赤金峽土石壩壩體滲流和滲透坡降計算結果。河床壩段正常蓄水位時采用水力學方法計算得到單寬滲流量為5.33 m2/d，有限元計算結果為4.20 m2/d，死水位時水力學方法計算得單寬滲流量為3.31 m2/d，有限元計算結果為2.63 m2/d，兩種計算方法結果較為接近。正常蓄水位時大壩總滲流量399.75 m3/d，死水位時大壩總滲流量171.0 m3/d。河床壩段正常蓄水位時心墻逸出點滲透坡降為3.18，死水位時心墻逸出點滲透坡降為1.28。心墻逸出點滲透坡降遠小于允許滲透坡降，因此不會出現滲透破壞。

表1 赤金峽滲流量計算結果

表2 赤金峽滲透平均坡降計算結果

5 結論

對赤金峽水庫土石壩開展穩定-非穩定滲流分析。通過赤金峽水庫土石壩開展正常蓄水位穩定滲流、死水位穩定滲流以及校核洪水位降至正常蓄水位非穩定滲流等工況的計算，獲得水頭等值線、浸潤線、水力坡降以及滲流量等結果，并評價大壩的滲透穩定及滲透損失，結果認為赤金峽水庫水頭線較低，滲流量較小，同時心墻逸出點滲透坡降遠小于允許滲透坡降，不會出現滲透破壞。