阿爾塔什水利樞紐工程壩體三維滲流有限元計算分析

吳俊杰，馬洪玉，袁 磊

(新疆水利水電勘測設計研究院中國，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

混凝土面板堆石壩因具有對地形地質條件適應性強、經濟安全、施工快捷等諸多優點，日益受到水利工程建設者的青睞。隨著大型施工機械以及科學管理方式被引入水利工程建設中，混凝土面板堆石壩無論在數量還是高度上屢有突破[1]。在取得成功及寶貴經驗的同時，也出現了部分工程運行期發生壩體、壩基、山體及岸坡接觸部位滲漏量較大等一系列問題[2]。水庫蓄水后，水流繞過防滲系統、岸坡滲往下游，使壩體內部、兩岸山體的浸潤面上升，輕度的繞滲對壩體與山體影響不大，當防滲系統設計有缺陷或施工過程中出現質量缺陷，將導致更嚴重的繞壩滲漏，形成滲漏通道，造成兩岸山體巖石軟化，也有可能引起庫岸坍塌、山體塌陷和滑坡、壩體出逸點管涌或流土，威脅壩體的安全運行，甚至造成人員傷亡[3- 7]。

根據規范要求[8- 9]，高山峽谷地區的高土石壩需要進行三維滲流分析計算，計算壩體內部浸潤面與下游壩坡出逸點的具體位置、滲流量、出逸點與不同土層之間水力梯度及繞壩滲流情況。然而，以往的滲流計算分析常針對壩體、壩基最大剖面進行簡單的二維滲流評價，無法考慮兩岸山體以及壩體、壩基、兩岸岸坡段整個防滲系統在各個水位下的滲流情況[10- 15]。一直以來，國內外專家學者通過眾多方式來解決三維繞壩滲流計算分析問題，隨著計算機仿真技術水平的不斷提高，在水利工程中有限元數值分析方法得到了廣泛應用。因此，目前在諸多方法中，使用最為快捷、成熟的分析辦法是采用數值仿真分析法解決此類問題[16- 18]。

阿爾塔什水利樞紐工程有“新疆三峽”稱號，工程建設將對南疆莎車縣脫貧工作起到積極推進作用，水庫安全運行顯得十分重要。阿爾塔什混凝土面板堆石壩存在著 “三高一深”的設計難題，即最大壩高為164.8m，抗震設計烈度最高為Ⅸ度，壩體右岸高邊坡為610m左右，河床壩基覆蓋層為94m。以上工程難點在一個項目中出現的案例在國內、外也比較少見，這無形中加重了壩體防滲控制設計的難度[19]。

為了全面、完整地掌握大壩各分區滲流場狀況[20- 21]，本文采用商用軟件中的三維有限元滲流計算分析模塊，求解阿爾塔什混凝土面板堆石壩、山體、壩基的滲流分析問題，評價本次滲控設計是否滿足規范要求。

2 工程概況及滲控系統設計

2.1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆莎車縣，承擔灌溉、防洪、發電等綜合任務，并且每年向塔里木河進行3.3億m3的生態供水。工程為大(1)型Ⅰ等工程，水庫總庫容為22.40億m3，正常蓄水位1820m，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高164.8m，裝機總量為690MW，設計年發電量為22.65億kW.h，控制灌溉土地面積為412.7萬畝。阿爾塔什混凝土面板堆石壩壩體橫剖面如圖1所示。

圖1 混凝土面板堆石壩標準橫剖面圖

2.2 壩址工程地質條件

壩址區河谷呈不對稱寬“U”型，兩岸基巖裸露，河谷底寬260～450m，正常蓄水位1820m時谷寬695m，兩岸地形不對稱。

左岸山體大部分基巖裸露，巖石為中硬巖。左岸巖層產狀345°～355°SW∠70°～85°，走向與河谷基本正交，傾角陡。斷層以中、陡傾角的F3和F16規模最大，破碎帶寬0.5～2m，對壩肩邊坡穩定無大的影響。左岸巖體透水率較大且極不均一，透水率q≤3Lu的下限埋深大于80m，透水率q≤5Lu的弱透水巖體垂直埋深一般為93～110m。

右岸山體基巖較寬厚，最高610m左右，壩肩有斷層F9、F10出露，斷層傾向岸里不影響右岸山體穩定性。山體基巖強風化層水平深度一般1～2m，弱風化層水平深度15～20m。基巖裂隙發育，并有微巖溶和古巖溶現象，古巖溶主要沿F9斷層帶分布，溶洞內充填粘土巖。巖體透水率較大，透水率q≤3Lu的下限埋深一般為75～120m，基巖透水率q≤5Lu下限埋深在45～105m左右。

F9斷層破碎帶寬1～5m，影響帶寬20m左右，斷層帶巖體透水性較強，斷層向下游尖滅，須加強斷層帶的防滲處理。

河床段的壩基地形較為平緩，覆蓋層主要由砂卵礫石構成，厚度在50～94m左右，河床深槽位于河床中部偏右側。

2.3 壩體防滲系統

2.3.1壩頂結構

本工程最頂端擋水結構采用“L”形防浪墻，混凝土標號為C25，抗凍等級為F200，抗滲等級為W6，墻頂高出壩頂1.2m。防浪墻頂高程1827.00m，為排除雨水，采用厚度0.2m混凝土路面，采用向下游坡度為2%單向傾斜。由于壩體沉降會使防浪墻與面板銜接處產生張拉或擠壓變形，因此，在該處相接位置設沉降縫，此縫與面板分縫錯開布置，每段12m，縫內設止水。

2.3.2壩料分區設計

為了保證大壩防滲系統在運行期的抗滲要求，依據壩址區材料的特性及儲量，確保壩體在各個工況下安全運行及經濟合理。按照規范要求設計大壩各個斷面并進行分區，壩體分區為：1A區為鋪蓋、1B區為蓋重、混凝土面板、2A區是墊層料、2B區是特殊墊層料、3A區是過渡料、3B區是砂礫料、3C區是爆破料、3D區是排水料。1B鋪蓋區頂高程1710.00m，頂部寬度5.0m，坡比為1∶2，1A蓋重區頂高程與1B區一致，頂部寬度為10m，坡比為1∶2.5。2A墊層料區水平寬度為3m，滲透系數控制在10-3～10-4cm/s，設計相對緊密度Dr≥0.9。3A過渡料區水平寬4m，過渡料采用C3料場篩除150mm以上顆粒的砂礫料，級配連續，填筑標準要求相對緊密度Dr≥0.9。3B砂礫料區位于過渡料區下游，填筑標準要求相對緊密度大于0.9。3C堆石料區位于砂礫料區下游，堆石料由P1、P2石料場爆破開采或采用樞紐開挖利用料，要求Dmax≤800mm。設計孔隙率取n≤19%。

2.3.3壩基處理設計

(1)河床深厚覆蓋層防滲處理

壩基河床覆蓋層Ⅰ巖組為含漂石砂卵礫石層，顆粒粗大，Ⅱ巖組為砂卵礫石層夾有多層缺細粒充填卵礫石(強滲層)，均屬強透水層，滲透破壞形式以管涌為主。河床覆蓋層下伏基巖為灰巖、白云質灰巖，巖體中屬于Ⅴ級結構面的微裂隙發育，透水率q≤5Lu界線埋深為基巖面以下10～60m。壩基河床段覆蓋層最深達到94m，且抗滲穩定性較差，因此在河床深覆蓋層段即趾0+386.207m～趾0+688.575m(壩0+235.692m～壩0+543.546m)段設置一道寬1.2m的混凝土防滲墻防滲，截斷河槽中的砂卵礫石，墻底深入基巖內0.5～1.2m。由于上部變形較大，防滲墻上部10m采用鋼筋混凝土防滲墻。防滲墻墻后進行固結灌漿，灌漿深度10m，提高墻體的整體抵抗變形能力。

(2)混凝土趾板基礎處理

左岸基巖強風化層厚2～3m，弱風化層厚16～22m。右岸趾板基巖強風化層厚2～3m，弱風化層厚15m。左、右岸岸坡壩段趾板基礎置于弱風化層巖石上，對斷層設置混凝土塞。

(3)基礎灌漿

為了提高表層基巖的整體剛度性以及便于帷幕灌漿施工，對趾板地基進行固結灌漿，深度為8m。為了提高河床表層砂礫石的整體性，對河床趾板及連接板范圍內的砂礫石層進行固結灌漿，深度10m。

由于3Lu線埋深較深，根據規范要求，壩基處帷幕灌漿的深度按照壩基透水率<5Lu或1/2壩高作為控制指標。左岸趾板帷幕深度為38～74m，右岸趾板下帷幕深度為44～82m。在壩頂兩端設置廊道進行兩岸的防滲帷幕灌漿，其中左壩端灌漿廊道長30m，灌漿深度再20～38m左右，右壩端廊道長38m，灌漿深度在20～42m左右。河床混凝土防滲墻段墻下各設1排帷幕灌漿，孔距2m，帷幕灌漿最大深度為69m，按5lu線控制。

(4)斷層處理

左岸在高程1830m處有F3斷層出露，與坡面走向近與平行，與趾板開挖剖面交角68°左右。該斷層屬張性斷層，寬0.3～0.5m，上盤巖體較破碎，且有卸荷跡象，可能產生繞壩滲漏，應加強斷層帶的處理，以防滲透破壞。高程1772m處有F16斷層出露，產狀為78°SE∠63°，規模較小，加強灌漿處理即可。

右岸高程1710m和1830m處分別分布有F7和F9斷層，斷層破碎帶寬1～5m，主要以角礫巖，膠結的糜棱巖為主。目前國內外對較寬的斷層處理基本上還是以置換和封閉為主，對斷層核部進行混凝土洞塞進行置換，采用的混凝土洞塞封閉深度為1.5m，高度為斷層核部的高度為2m，邊壁設置2根4.5m長、直徑25mm、間距1.5m砂漿錨桿，斷層影響帶范圍進行10m深度的固結灌漿處理，范圍為壩軸線至上游280m。

右岸出露的F10斷層，規模不大，破碎帶寬0.3～0.5m，斷層與岸坡近于平行，傾向岸里，對斷層帶采用開挖后回填混凝土及加強灌漿處理。

在趾板基礎出露的輝綠巖脈其風化破碎呈碎塊狀，不能滿足趾板基礎要求，須開挖回填混凝土及進行灌漿處理。

3 壩體繞壩滲流三維有限元分析

3.1 有限元計算模型及網格剖分

根據阿爾塔什水利樞紐工程壩址地質、水工及水文地質資料，建立完整防滲系統的三維有限元模型，如圖2—3所示。模型以壩軸線為中心，向上、下游及兩岸延伸超過2～3倍壩高，并考慮到上、下游地形特點，向上游延伸超過1500m，向下游超過1200m，向左、右岸延伸最少300m。模型向上取至壩頂防浪墻頂高程1827.00m，底部高程為1451.00m，覆蓋層最大厚度為94m。模型中包含強風化、弱風化及微新鮮巖體，河床覆蓋層，各分區壩體及由防浪墻、面板、趾板、連接板、防滲墻、固結灌漿、帷幕灌漿組成的防滲系統。模型X-軸指向右岸，Y-軸指向下游，Z-軸垂直向上。

圖2 三維有限元整體模型圖

根據以上三維模型進行網格劃分，采用四面體等參單元，有限元網格共有單元890226個。

3.2 滲流計算理論

當不考慮液體與土質材料的壓縮性時，三維各向異性非均質介質的穩定滲流方程如下式：

422 Senescence-associated secretory phenotype and its complex regulation networks: a review of molecular mechanisms

(1)

在三維滲流場的計算分析過程中，主要采用以下三種邊界條件：

(1)初始條件給定，給定水頭：H=H0。

(2)不透水邊界條件Γ2：?H/?n=0。

(3)出滲面Γ3：H(x，y，z)=Z(x，y)， ?H/?n>0

式中，n—邊界外法線方向，

3.3 計算參數

本次計算的各種材料滲透系數為施工圖紙階段的現場試驗參數，具體見表1。

表1 材料參數表

3.4 計算工況

通過三維繞壩滲流計算可以更全面、更完整地了解并掌握大壩各分區滲流場狀況，評價防滲系統是否滿足設計要求。本次計算采用以下3種工況：

(1)工況1，正常蓄水位(1820.00m)與相應下游尾水位(1661.00m)。

(2)工況2，設計洪水位(1821.75m)與相應下游尾水位(1669.80m)。

(3)工況3，校核洪水位(1823.69m)與相應下游尾水位(1670.22m)。

3.5 三維滲流計算成果

通過三維有限元滲流計算成果可知，正常蓄水位時壩體、兩岸、壩基總的滲漏量是0.553m3/s，其中左岸繞壩滲漏量為0.141m3/s，河床段和混凝土面板總的滲流量為0.273m3/s，右岸繞壩滲漏量為0.139m3/s，兩壩肩滲漏量很小，繞壩滲流并不明顯。滲流過面板的水在經墊層料區、砂礫料、堆石區至排水料時，水位降至1661.00m，覆蓋層最大水力比降為0.072，壩體溢出點最大水力比降0.068，其余各填筑分區水力比降均小于破壞水力比降0.1，表明壩殼料、排水料、覆蓋層沒有出現滲透破壞。滲流場的分布規律比較合理，水頭等值線在趾板、連接板、混凝土面板、混凝土防滲墻、固結灌漿、帷幕灌漿等防滲系統內部非常密集，并且在混凝土面板迎水面與背水面水位差最大，可見設計的防滲系基本承擔了上游水頭，防滲效果明顯。各個工況計算結果見表2。由于設計洪水位、校核洪水位情況下的計算結果與正常蓄水位基本一致，這里只列出正常蓄水位工況下的主要計算成果，如圖4—7所示。

圖3 最大剖面典型剖面圖及防滲系統幾何模型

表2 三維繞壩滲流各個工況計算成果表

圖4 正常蓄水位時壩體最大剖面孔隙壓力等值線圖(單位：m)

圖5 正常蓄水位時孔隙壓力等值線圖及壓力水頭等值線分布圖(單位：m)

圖6 正常蓄水位對應高程1687.20剖面繞壩滲流等值線云圖(單位：m)

4 結論

(1)本文采用某商用軟件中的穩態滲流模塊計算分析了阿爾塔什水利樞紐工程面板堆石壩壩體、山體、壩基三維繞壩滲流情況。計算結果表明：正常蓄水位、設計水位、校核水位的防滲系統孔隙壓力等值線、水頭等值線及流速矢量場的分布規律基本合理，水頭等值線在防滲系統等處較為密集，水流在通過防滲系統后上游水頭明顯折減，最大水頭為159m左右，壩體、山體、壩基整體最大滲漏量占徑流量的0.776%，表明大壩設計的防滲系統正常發揮了作用，防滲效果明顯，面板對壩體滲流場起到控制作用。在經墊層料區、砂礫料堆石區至排水料后水力比降0.031，各填筑分區水力比降均小于允許水力比降，表明灌漿帷幕伸入兩岸的長度符合規范要求。可見當滿足設計要求的滲控標準后，上述三個工況下對應的計算成果無明顯滲漏及繞壩滲流現象。

圖7 正常蓄水位面板迎水面、背水面滲流場壓力水頭等值線

(2)與傳統二維滲流計算相比，三維有限元法計算可以更直觀、更全面、更詳細地評價壩體、壩基、岸邊繞壩滲流，為今后壩體滲控設計提供借鑒。