紅海水庫主壩滲流分析

喻少平

（喀什葉爾羌河勘測設計院，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計院，新疆喀什844700）

本文介紹了紅海水庫壩址區的工程地質及水文地質情況，針時其復雜的地質條件，對大壩滲流及滲透穩定問題采用滲流有限元計算，分別了對不同工況的滲透坡降、最大斷面滲流各參數進行分析，結果表明，本文所述計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；有限元計算；水庫大壩

1 工程概況

紅海水庫是新疆喀什地區巴楚縣境內的一座中型引水注入式平原水庫，位于巴楚縣城以西8km的紅海鄉境內，地理坐標為東經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，水庫擔負著巴楚縣城、紅海鄉、勝利鄉、恰瓦克鄉、良種場、園藝場六鄉鎮23.18萬畝耕地的灌溉任務。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。主壩為碾壓式均質土壩，壩頂寬4.0～7.9m，于2005年進行除險加固，設計壩頂高程為1124.10m，設計壩頂寬為6m。

水庫庫盤內地層巖性上部以粉質粘土和粉土為主，滲透系數為0.32m/d；下部為大厚度青灰色粉細砂，滲透系數6.13m/d透水層，在主壩線0+ 000—2+000段，有數條古河道由庫內延伸至庫外，在壩后50～150m范圍內遷回曲折，古河道寬一般20～25m，深1～2m，河床內巖性為粉砂。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范圍內為一片沼澤。副壩4+700—6+250段，分布著一寬度達1.5km的古河道及河漫灘，由西南向東北延伸至庫內，巖性以青灰色粉砂為主。

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

2 滲流分析計算模型及計算參數

滲流分析采用多介質連續滲流理論，將壩區的滲流場按工程地質巖層簡化為一個非均質的、服從達西定律的多介質滲流進行計算。

2.1 滲流有限元分析原理

滲流問題的計算方法分為：解析法、數值法、圖解法、實驗法等，有限元法屬于數值算法的一種，這種方法得益于廣泛的計算機應用，目前被廣泛的使用與滲流分析中。滲流計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，它是工程設計的重要內容.由于土石壩屬于無壓滲流，有滲流浸潤面且非穩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和各向異性，幾何形狀和邊界條件復雜，解析求解在數學上有不少困難，有限元法均采取把求解區域離散為若干單元或網格，從而使問題的控制方程在區域上全部滿足或部分滿足邊界的函數近似的形式，這種區域法在求解有限深地基的滲流問題時取得了很好的效果，被廣泛地應用于工程實際中。

滲流有限元分析基本方程：

式中：［k］—透水系數矩陣；

｛H｝—總水頭向量；

［M］—單元儲水量矩陣；

｛Q｝—流量向量；

t—時間。

一般土壩基礎為無限深度，在計算時需假設一定的基礎深度，一般給出足夠的深度，以使計算的成果盡可能的接近實際情況。

2.2 模型的離散

計算采用較為靈活的計算模型，為確保計算的準確性，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，進行壩體滲流分析。最終選取主壩3+900斷面進行分析，依據壩體的構造離散為壩體、壩后排水體、及地基三種介質進行滲流分析。

2.3 邊界條件

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

2.4 計算參數

壩區地層較復雜，根據壩基大量的鉆孔壓水試驗，得到具有較好的代表各地層計算滲透系數，按兩種設計工況下確定壩體滲流分析的計算依據。各計算參數見表1。

表1 水庫滲流分析計算選用參數表

3 計算成果分析

3.1 壩體滲漏分析

根據工程地質勘察報告及工程地質評價結論，水庫壩基低液限粘土滲透變形的允許水力比降為0.49；壩基低液限粉土產生滲透變形的允許水力比降為0.502：粉土質砂產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，壩段在穩定滲流期正常蓄水位及1/3壩高水位兩種工況實際出逸點的水力坡降為0.098、0.041均小于相應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，即增加了滲流穩定性，壩體及壩基滲透穩定滿足要求，從流網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 正常蓄水位時壩體流網圖

圖2 1/3壩搞水位時壩體流網圖

3.2 壩體截面數值分析

以正常蓄水位工況下的壩體的滲流進行數值分析，通過滲流有限元計算，得出壩體的壩體內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定在0.12m/d，壩體設置了壩后排水設施后有效的保證了壩體的有穩定的滲流過程，在此段壩體的水頭呈現直線下降趨勢，并沒有大的變化，這說明均質壩體對水流的滲透壓力影響較小，穩定滲流的影響主要是來自于壩基和壩后設置排水棱體所致。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加固措施提供了科學依據，水庫依據這些結論于2005年進行了除險加固設計，工程于2006年完成。通過近幾年的觀測，效果較好。

在壩體壩基滲透穩定方面，根據壩體及壩基平面穩定滲流計算結果，滲透變形問題主要發生壩體穿越古河床地段，壩基粉細砂直接出露地表，出逸比降大于允許水力坡降，產生流土破壞。其他壩段雖有發生流土的條件，但壩基滲透是穩定的。為防止流土破壞，應完善壩后排水系統，對不穩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。