西霞院反调节水库土石坝段三维渗流有限元分析

彭 英 陈会芳 王 琳 喻和平

（1.长沙理工大学水利工程学院 长沙市 410114； 2.黄河水利水电开发总公司 郑州市 450000）

渗流问题是大坝安全评价的重要内容，国内外统计资料证实，在失事的坝与水库中有约1/4 是由渗流问题引起的[1]，特别是土石坝，渗流问题更是影响其安全的关键。西霞院水库为黄河小浪底水库的反调节水库，通过对小浪底水电站调峰发电的不稳定水流进行再调节，使下泄水流均匀稳定，对于充分发挥小浪底水利枢纽的综合效益，作用显著，坝已运行近五年来，有必要对库坝的渗流情况进行分析评价。土石坝渗流计算的方法很多，归纳起来有水力学方法、流体力学方法、试验方法和有限单元方法几类。水力学法是一种近似的方法，只适用在渗流表面缓慢下降，流线比较平缓的渗流地段。流体力学方法比较精确，但由于土坝渗流的边界条件十分复杂，要直接解渗流连续方程存在困难。有限单元法能较好地适应边界条件，解决复杂的渗流问题，是一种精度较高的近似计算方法[2]。

有关三维渗流的有限元分析程序，国内外已有很多。如：Ansys、Slope、Seep、Autobank 等，但是繁琐的前后处理工作使得程序的使用困难。有限元计算程序GEHOMadrid 与前后处理软件GID 有机地结合起来，避免了为计算程序准备大量数据的烦琐工作,简化了有限元程序的使用[3]。本文采用GID 软件对西霞院反调节水库建立三维模型并进行前后处理，采用有限元程序软件GEHOMadrid 对其进行稳定渗流计算分析。

1 工程概况

西霞院反调节水库是小浪底水利枢纽的配套工程，以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用。工程位于小浪底坝址以下16 km 处，左岸为吉利区南陈村，右岸为孟津县平庄，控制流域面积69.5万km2，土坝最大坝高21 m，水库总库容为1.62 亿m3，装机容量14 万kW，年发电量为5.9 亿kW·h，坝轴线总长达到3 122 m，其中土石坝段2 609 m，工程布置及本文的研究坝段见图1。该工程规模为大（Ⅱ）型，属Ⅱ等工程。

图1 西霞院水库工程布置及计算区域图

2 土石坝段渗流计算

2.1 渗流计算基本方程[4-5]

（1）渗流连续性方程。

式中 ν——通过两个渗流断面间的平均渗流流速；

ρ——水的密度；

h——渗流测压管水头；

Ss——单位储存量，Ss=ρ2g（α+nβ）；

n——土颗粒骨架的压缩性；

β——水的压缩性。

（2）渗流基本微分方程。

2.2 计算模型

根据西霞院大坝坝区地形地质情况和水文地质资料，确定模型沿坝轴线方向截取60 m，基岩垂直往下18 m，网格剖分采用八节点六面体单元，节点数为33 202，单元数为29 400，坝体部分考虑了各土石层的分区分块，以及土工膜材料，坝基考虑了混凝土防渗墙和地基的岩层分类，具体模型见图2。

2.3 计算工况

渗流计算考虑以下三种工况：正常蓄水位134 m及对应下游水位121 m；设计洪水位132.56 m 及对应下游水位125.3 m；校核洪水位134.75 m 及对应下游水位126.23 m。

图2 土石坝整体三维网格图

2.4 计算参数

根据地质勘探资料确定各种介质的渗透系数如表1。

表1 各种介质的渗透系数

3 计算结果分析

3.1 模拟计算结果与监测数据对比

为了验证模型及计算结果的可靠性，将渗透水头计算值和监测结果作比较，如表2，监测点采用自动化观测，一般每日监测1 次。由于埋设时间有所差异，其测孔资料系列有所区别，部分测点从2005年起测，其余测点从2006年起测，分析数据截至到2012年1月31日，监测点布置位置如图3。比较分析得出，计算得到的渗压水头总体上与实际渗压水头相差不大，说明计算得到的渗流场较真实地反映了坝体渗流真实情况。

仪器编号P3-22 P3-23 P3-24 P3-25 P3-26 P3-27 P3-28 P3-29安装高程/m 131.00 128.03 126.50 121.17 121.25 123.52 122.50 123.00计算值131.89 128.26 123.26-123.30 123.00 122.50 122.20观测值(最小值～最大值）130.51～131.16 127.49～128.37 124.89～125.67 120.42～133.39 120.30～123.19 122.93～123.40 121.69～122.54 122.65～123.07水头/m

图3 渗透水头监测点布置图（m）

3.2 渗流三维有限元结果分析

图4～图6 分别为正常蓄水位、设计洪水位及核洪水位下三种工况下的整体流云图，结果表明坝体内渗透水压力都较小，最大渗透压力分别为49.95 kPa、49.91 kPa、51.79 kPa，发生在基岩处。图7～图9 分别为三种工况下横剖面的渗透压力等值线图，表明坝体渗透浸润线位置很低，经过防渗墙之后，渗透水压力等值线分布基本保持水平，主要原因是防渗体后材料透水性均比较大，对水流的损失较小。

由表3 可知，防渗墙和土工膜的防渗效果很好，最大渗透坡降分别达到24.24 和16.90，大大降低了坝身和坝基的浸润线，当上游为设计洪水位和校核洪水位时，下游浸润线逸出点高程分别达到5.7 m 和6.8 m，与相应的下游水位相差不大，都在贴坡排水保护范围内；下游段坝体和坝基逸出比降都很小；坝壳砂卵石层和坝基砂卵石层的渗透坡降较小，小于允许渗透坡降0.1，坝基砂层的渗透坡降也小于允许渗透坡降0.27，不会发生渗透破坏。比较三种工况，随着上下游水头的增大，坝体各分区及坝基渗透坡降及流量均相应增大，但变化幅度不大，不会对水库的正常运行造成不利影响。随着上下游水位的升高坝体浸润面也升高，但变化幅度不大，且坝体浸润面变化受下游水位变化的影响较大。

表3 稳定渗流计算成果表

图4 正常蓄水位下整体渗流云图（单位：102 Pa）

图5 设计洪水位下整体渗流云图（单位：102 Pa）

图6 校核洪水位下整体渗流云图（单位：102 Pa）

图7 正常蓄水位渗透压力等值线图(102 Pa)

图8 设计洪水位渗透压力等值线图(102 Pa)

图9 校核洪水位渗透压力等值线图（102 Pa)

4 结 论

（1）各种工况下，坝体、坝基渗流场总水头、压力水头和渗透坡降的分布规律合理。渗流等值线形状、走向及密集程度均正确反映出相应位置处的岩土体渗流特性、边界条件的影响和渗控措施的作用。

（2）在坝体上游土工膜和坝基混凝土防渗墙的联合作用下，坝体和坝基各处的渗透压力、渗透水头和渗流量都得到了极大的消减，说明渗流得到了有效控制，大坝断面材料分区、坝体和坝基的防渗排水系统设计合理。建议加强对土工膜的维护，防止破损，一旦由于各种外力出现破损情况，应立即做好修复，确保防渗效果。

（3）有限元计算程序GEHOMadrid 与前后处理软件GID 能有机地结合起来，在GID 前处理环境中可完成模型指定边界条件，施加荷载，分配材料参数,进行网格剖分等所有前处理工作，并可直接进行分析计算，避免了为计算程序准备大量数据文件的烦琐工作，简化了有限元程序的使用。

1 林继镛.水工建筑物［M］.第4 版．北京:中国水利水电出版社，2007.

2 顾慰慈.土石（堤）坝的设计与计算［M］.北京：中国建材工业出版社.2006.

3 姚纬明，牛志伟，李同春.基于GID 的程序界面设计及应用［J］.水利水电科技进展，2003，23（3）:22-24.

4 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社，1998.

5 毛昶熙．渗流计算分析与控制[M]．北京:水利电力出版社，1990.

6 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社，1996.