大河沿引水工程壩體滲流穩定分析計算

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吐魯番市高昌區大河沿鎮北部山區，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，是一座具有城鎮供水、農業灌溉和重點工業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，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，沖溝發育，山體總體走向近南北向。

庫區河段為基本對稱的“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。

庫區兩岸山體切割較劇，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 壩體滲流穩定分析計算

對本工程全防滲墻防滲方案壩坡滲流和穩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，各方案下準流網如圖1—3所示，其滲流計算結果見表1。

圖1 壩基170m封閉式防滲墻防滲工況下準流網圖

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的最大滲透坡降見表1，其滲流量計算結果見表2。

圖4 三維有限元網格圖

圖5 防滲帷幕及防滲墻有限元網格圖

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++開發了三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元計算分析程序。該三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元計算分析程序是在原三維穩定滲流有限元計算分析程序NP3的基礎上逐步發展而來的。

經過20多年的不斷完善和拓展，計算程序已能夠求解穩定滲流問題、非穩定滲流問題和飽和-非飽和滲流問題，并可適用于巖體的等效連續介質，增加了處理斷層、溶洞、排水孔(井)等結構的功能，可以計算分析絕大多數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，結合國內外工程實踐，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。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現，在基礎深度由150m調整到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遠低于基巖的滲透系數。

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

覆蓋層滲透系數減小，其阻滲能力增強，覆蓋層滲透系數增大，其阻滲能力減弱。覆蓋層滲透系數較防滲墻滲透系數相差很大，壩體和壩基主要以瀝青心墻和防滲墻作為防滲系統，經計算分析，覆蓋層滲透系數的變化，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的滲透系數作敏感性分析

心墻滲透系數改為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。運用計算機軟件數值模擬，在原有的滲流穩定分析方法的基礎之上，運用計算機軟件數值模擬，能夠更精確的模擬出工程實際的運行結果。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定分析計算成果對比，可優化工程方案減少工程投資提供了理論依據。