红海水库主坝渗流分析

喻少平

（喀什叶尔羌河勘测设计院，新疆喀什844700）

红海水库主坝渗流分析

喻少平

（喀什叶尔羌河勘测设计院，新疆喀什844700）

本文介绍了红海水库坝址区的工程地质及水文地质情况，针时其复杂的地质条件，对大坝渗流及渗透稳定问题采用渗流有限元计算，分别了对不同工况的渗透坡降、最大断面渗流各参数进行分析，结果表明，本文所述计算分析方法能客观地反映该大坝的渗流情况，并采取针对的措施，效果良好。

渗流；有限元计算；水库大坝

1 工程概况

红海水库是新疆喀什地区巴楚县境内的一座中型引水注入式平原水库，位于巴楚县城以西8km的红海乡境内，地理坐标为东经78°20′～78°30′，北纬39°43′～39°48′。

水库通过巴楚总干渠引蓄叶尔羌河水，水库担负着巴楚县城、红海乡、胜利乡、恰瓦克乡、良种场、园艺场六乡镇23.18万亩耕地的灌溉任务。红海水库总库容为7200×104m3，正常蓄水位1122.20m，兴利库容6000×104m3，死库容1200× 104m3，死水位1119.66m，正常蓄水水面面积为34.49km2。主坝为碾压式均质土坝，坝顶宽4.0～7.9m，于2005年进行除险加固，设计坝顶高程为1124.10m，设计坝顶宽为6m。

水库库盘内地层岩性上部以粉质粘土和粉土为主，渗透系数为0.32m/d；下部为大厚度青灰色粉细砂，渗透系数6.13m/d透水层，在主坝线0+ 000—2+000段，有数条古河道由库内延伸至库外，在坝后50～150m范围内迁回曲折，古河道宽一般20～25m，深1～2m，河床内岩性为粉砂。另外，在主坝1+500—4+500段坝后为广阔的漫滩相沉积物和牛扼湖，此段坝后500m范围内为一片沼泽。副坝4+700—6+250段，分布着一宽度达1.5km的古河道及河漫滩，由西南向东北延伸至库内，岩性以青灰色粉砂为主。

由坝体的勘探试验资料可知，水库坝体主要由粉土和粉质粘土等组成。干密度一般为1.3～ 1.5g/cm3，平均值1.42g/cm3渗透系数0.05～0.001m/d。液限24.9～44.8，塑限19～36.5，塑性指数4.4～11.4，粘聚力20.3～38KPa，内摩擦角22～26.6°。

2 渗流分析计算模型及计算参数

渗流分析采用多介质连续渗流理论，将坝区的渗流场按工程地质岩层简化为一个非均质的、服从达西定律的多介质渗流进行计算。

2.1 渗流有限元分析原理

渗流问题的计算方法分为：解析法、数值法、图解法、实验法等，有限元法属于数值算法的一种，这种方法得益于广泛的计算机应用，目前被广泛的使用与渗流分析中。渗流计算是在已知定解条件下求解渗流基本方程，以求得渗流场水头分布和渗流量等渗流要素，它是工程设计的重要内容.由于土石坝属于无压渗流，有渗流浸润面且非稳定渗流自由面随库水位升降而变动，加之一般渗流场有不同程度的非均质和各向异性，几何形状和边界条件复杂，解析求解在数学上有不少困难，有限元法均采取把求解区域离散为若干单元或网格，从而使问题的控制方程在区域上全部满足或部分满足边界的函数近似的形式，这种区域法在求解有限深地基的渗流问题时取得了很好的效果，被广泛地应用于工程实际中。

渗流有限元分析基本方程：

式中：［k］—透水系数矩阵；

｛H｝—总水头向量；

［M］—单元储水量矩阵；

｛Q｝—流量向量；

t—时间。

一般土坝基础为无限深度，在计算时需假设一定的基础深度，一般给出足够的深度，以使计算的成果尽可能的接近实际情况。

2.2 模型的离散

计算采用较为灵活的计算模型，为确保计算的准确性，及工程的安全性，选取主坝段3+500—4 +500坝基条件较差且为水库水位最高的坝段，进行坝体渗流分析。最终选取主坝3+900断面进行分析，依据坝体的构造离散为坝体、坝后排水体、及地基三种介质进行渗流分析。

2.3 边界条件

渗流计算，考虑大坝所处的地形地质以及水文条件，将二维渗流有限元计算边界简化为：节点水头通过计算迭代求出；计算中以水库库盘上部粉质粘土粉土作为相对隔水层，土层厚度作计算模型的下边界；计算工况选择达到设计水位及蓄水到1/3设计水位情况下两种情况用于分析水库蓄水初期及达到设计水位情况下大坝的渗流状况。

2.4 计算参数

坝区地层较复杂，根据坝基大量的钻孔压水试验，得到具有较好的代表各地层计算渗透系数，按两种设计工况下确定坝体渗流分析的计算依据。各计算参数见表1。

表1 水库渗流分析计算选用参数表

3 计算成果分析

3.1 坝体渗漏分析

根据工程地质勘察报告及工程地质评价结论，水库坝基低液限粘土渗透变形的允许水力比降为0.49；坝基低液限粉土产生渗透变形的允许水力比降为0.502：粉土质砂产生渗透变形的允许水力比降为0.466。通过有限元分析研究坝体渗流情况，坝段在稳定渗流期正常蓄水位及1/3坝高水位两种工况实际出逸点的水力坡降为0.098、0.041均小于相应的允许水力坡降见图1、图2。而且主坝3+900断面坝后有贴坡排水，可以一定程度的降低浸润线高度，即增加了渗流稳定性，坝体及坝基渗透稳定满足要求，从流网图中还可以看出水库大坝的渗漏主要来自于坝基渗漏，这主要是由于主坝该段建在古河道上，古河道形成了红海水库渗漏的主要通道。

图1 正常蓄水位时坝体流网图

图2 1/3坝搞水位时坝体流网图

3.2 坝体截面数值分析

以正常蓄水位工况下的坝体的渗流进行数值分析，通过渗流有限元计算，得出坝体的坝体内部总水头变化及渗流速度的变化情况，可以看出以坝体前坡脚推算距离坝体14m位置渗流速速基本稳定在0.12m/d，坝体设置了坝后排水设施后有效的保证了坝体的有稳定的渗流过程，在此段坝体的水头呈现直线下降趋势，并没有大的变化，这说明均质坝体对水流的渗透压力影响较小，稳定渗流的影响主要是来自于坝基和坝后设置排水棱体所致。见图3、图4。

4 水库加固措施

通过渗流的有限元分析为采取有效的除险加固措施提供了科学依据，水库依据这些结论于2005年进行了除险加固设计，工程于2006年完成。通过近几年的观测，效果较好。

在坝体坝基渗透稳定方面，根据坝体及坝基平面稳定渗流计算结果，渗透变形问题主要发生坝体穿越古河床地段，坝基粉细砂直接出露地表，出逸比降大于允许水力坡降，产生流土破坏。其他坝段虽有发生流土的条件，但坝基渗透是稳定的。为防止流土破坏，应完善坝后排水系统，对不稳定段采取坝后增加盖重等措施。

TV223.4

：B

：1672-2469（2015）07-0047-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.07.017

喻少平（1969年—），男，高级工程师。