基于有限差分计算的某水库大坝渗流场稳定性分析

杜 泽

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明 650500)



基于有限差分计算的某水库大坝渗流场稳定性分析

杜 泽

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明 650500)

摘要为了对云南某水库大坝渗流稳定性进行评价分析，运用基于有限差分原理的Visual Modflow软件进行渗流场数值模拟。结果得出，坝体内部浸润线较低，稳定性较好；下伏地层二叠系灰岩岩溶裂隙发育，渗流速度较大，最大渗流速度出现在坝体上游坡脚处。此外，该坝体两侧后坝脚，沿管壁均有较集中的渗水点，说明坝体土与管壁的接缝处理较差，在长期渗水或在高水位情况下，将会进一步加剧接缝的扩大发展趋势，易导致管壁周边土体产生接触冲刷型的渗透破坏现象，进而影响水库运行及坝体稳定。针对所出现的问题，提出2点建议：一是增加坝基填土的厚度，防止库水过多渗入下伏地层，最大程度避免土体液化现象出现；二是严格监测二叠系灰岩地层中的岩溶现象，一旦出现较大规模的溶洞，应及时进行灌浆处理，以防地基出现坍塌下沉，从而威胁大坝的安全。

关键词水库大坝；有限差分；渗流场；稳定性

Analysis of the Seepage Stability of a Reservoir Dam Based on Finite Difference Calculation

DU Ze (Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry, Kunming, Yunnan 650500)

Abstract The seepage stability of a reservoir dam in Yunnan Province was analyzed.Numerical simulation of seepage field was carried out by Visual Modflow software based on finite difference theory.Results showed that seepage line inside the dam was lower with better stability; there was karst fissure in underlayer permian limestone, which had greater seepage velocity.The maximum seepage velocity appeared in the upstream toe of the dam.In addition, seepage points concentrated in both sides of the dam foots, indicating that the joint treatment was poor between dam earth and tube wall.Long-term water seepage at a high water level further expanded the juncture, easily led to the infiltration and sabotage phenomena in soils around the tube wall, and affected the reservoir operation and the dam stability.Based on these, two suggestions were put forward.First, the thickness of dam filling should be increased, so as to prevent excessive infiltration of reservoir water into the underlying strata, and to avoid the phenomenon of soil liquefaction in the greatest degree. Second, karst formation in underlayer permian limestone should be strictly monitored.Once the large karst cave appears, grouting treatment should be carried out on time in order to prevent ground subsidence and collapse, and to avoid the threatening to dam safety.

Key wordsReservoir dam; Finite difference; Seepage field; Stability

水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到兴利除害的工程，它的运行安全关系国计民生。在我国，众多举世瞩目的水利工程不仅肩负着蓄能、发电、防洪及灌溉的重要任务，也在很大程度上推动了我国经济的快速发展[1]。在水利工程带给人们巨大利益的同时，其安全稳定性也变得十分重要，溃坝不仅会造成巨大的经济损失，也严重威胁着人民群众的财产安全。在水库大坝稳定性评价中，渗流稳定性是其中一个重要的方面。

云南省某水库大坝地处岩溶裂隙广泛发育的灰岩区，地质条件复杂，因此对其大坝渗流稳定性分析评价十分必要。目前，对水库影响区的地下水渗流场分析是通过建立该地区的数值模型来模拟地下水渗流场，主要的模拟软件有Geo-Seep、GMS、Visual Modflow、Feflow等，其中Visual Modflow因其可视化界面和易操作等特点被广泛应用。笔者运用该软件建立库区二维模型，并对其渗流场进行模拟分析，以期为工程的安全运营提出合理建议。

1工程地质条件

1.1地形地貌枢纽区处于地形宽缓的河谷，属横向谷，两岸为低矮山包，山顶较平缓开阔，左岸山坡较缓，坡度一般10°～15°，主要为旱地及联接两岸和坝顶的便道。右岸山坡较陡，坡度一般30°～60°，主要为林地。冲沟不发育，受构造影响，右岸局部坍塌，地形完整性较差。拦河坝为均质土坝，坝顶长约220 m，坝顶高程为1 750.03~1 751.72 m，中间稍低，两端略高。

1.2.2二叠系下统茅口组(P1m)。灰、浅灰、深灰色厚～中厚层状灰岩、虎斑状白云质灰岩，局部夹薄层泥质灰岩，出露于水库区下游。

1.2.3第四系覆盖层(Q)。水库区第四系地层分布较广，有残坡积层(Qedl)、冲洪积层(Qal+pl)、湖积层(Ql)。残坡积层(Qedl)：红褐色黏土夹少量碎、砾石，厚度一般0~10 m，广泛分布于水库周边山坡。湖积层(Ql)：深灰、黑灰色有机质黏土及淤泥，估计厚度一般1～4 m，分布于库区内。冲洪积层(Qal+pl)：深灰、褐灰色黏质砾砂、砾质砂土，混杂少量孤石、卵石，厚度一般2~12 m，分布于库区右侧的原河床及下游一带。

1.3地质构造枢纽区沿两岸坝肩为陡倾上游的断层(F101)通过，断层两侧岩层优势产状为N20°～45°E，NW∠3°～15°不等，总体向上游缓倾，接近主干断裂带的岩层牵引褶曲想象明显。枢纽区岩体节理裂隙发育，主要有缓倾角顺层节理和2组陡倾角节理，溶隙亦主要沿此3组节理发育：①N20°～45°E，NW∠3°～15°，间距50～150 cm，延伸一般>5 m，面多张开夹泥。②N35°～60°E，NW∠80°～90°，间距30～80 cm，延伸一般>2 m，面上多有钙膜，黏土充填。③N20°～50°W，NE∠80°～90°，间距50～200 cm，延伸一般>2 m，面上多有钙膜。

1.4水文地质枢纽区水文地质条件与地层岩性、地质构造关系密切。根据坝址一带地下水赋存条件，第四系松散层孔隙潜水主要赋存于两岸坡面的残坡积层(Qedl)、坝体填筑土(Qs)以及坝体下部原河床的冲洪积层(Qal+pl)中，其中残坡积层及坝体土以黏性土为主、富水性差，冲洪积层(Qal+pl)中混杂有砂卵砾石及有机质，富水性相对较强，是地下水的主要运移通道之一。

水库水来源主要为库尾的一条常年流水沟，以及周边大气降水的地表汇入及入渗补给。根据水库区地下水赋存条件，水库区库盆及其周边主要为砂泥岩区，水库区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水及基岩裂隙潜水，库区下游主要为灰岩区，地下水类型主要为管、脉状喀斯特水。

2渗流场数值分析

2.1剖面选择及模型概化根据工程区概况，笔者将计算区域下伏地层概化为寒武系强风化泥岩(1c)、二叠系灰岩(P1m)、第四系冲洪积层(Qal+pl)和坝基填土(Qs)4种介质，连同坝体共5种介质。对于断层的处理，通常有2种方法：一是应用Modflow软件中的WALL阻隔边界[2]来进行模拟，另一种是通过赋予不同的渗透系数来进行模拟[3]。但是考虑到断层对该工程区的具体作用(阻水或导水)目前并不明确，不能盲目使用WALL边界来进行模拟，因此，这里采用第2种方法，将断层作为一种介质来处理。这样，总体上便将计算区域共概化为6种介质，建立模型如图1，较为全面地覆盖了工程区内的所有地层。

注：①为寒武系强风化泥岩(1c)；②为二叠系灰岩(P1m)；③为断层；④为第四系冲洪积层(Qal+pl)；⑤为坝基填土(Qs)；⑥为坝体；⑦为无效区域；平距和高程单位均为米(m)。Note: ① was Cambrian intense-weathered mudstone(1c); ② Permian limestone (P1m); ③ Fault; ④ Quaternary alluvial-proluvial layer (Qal+pl); ⑤ Dam filling (Qs); ⑥ Dam body; ⑦ Invalid region.Units of horizontal distance and elevation were both “m”.图1　计算剖面概化模型Fig.1　Calculation of profile generalized model

该模型全长125 m，底部标高1 820 m，坝体高10 m。单元网格0.5 m×0.5 m，共划分单元25 000个，其中有效计算区域单元21 030个。

2.2边界条件及计算参数确定根据勘察报告，坝体后方为水库，水位高2 857 m，可设置为给定水头边界[4]，坝体下游坝面为给定流量边界。各坝体材料渗透系数如表1所示。

表1　模型材料渗流计算参数取值

3计算结果与分析

计算采用PCG解算器，最小迭代次数10次，最大迭代次数25次，计算收敛精度为0.01，计算结果如图2所示。

由图2可以看出，整个库区大坝内部水头向坝体下游方向逐渐变小，水流整体向下游运移。坝体内部渗流速度较小，浸润线埋深较大，因此坝体稳定性较好。坝体上游方向地层内渗流速度较小，说明坝基填土(Qs)起到了一定的防渗作用；最大渗流速度出现在坝体上游坝脚，为4.9×10-5m/s，可能原因是此处坝基填土较薄，防渗作用并不明显；坝体下伏地层第四系冲洪积层(Qal+pl)和二叠系灰岩(P1m)中渗流速度较大，究其原因是二者地层渗透性较好。另外，由于灰岩具有易被淋滤、溶蚀，坚硬性脆，节理裂隙发育的特性，从而容易出现大规模连通溶洞，因此，该地层实际的渗流速度更大。断层处，并无明显渗流现象，因此断层的存在对整个库区的影响并不大。

4坝体渗流稳定性评价及建议

注：平距和高程单位均为米(m)。Note: Units of horizontal distance and elevation were both “m”.图2　计算结果Fig.2　Calculation results

坝体填筑层(Qs)，人工堆积坝体土，根据现场调查，坝体下游坡面大部分较干燥，坝体渗漏现象并不明显，其原因是坝前蓄水位较低(1 857.05 m)且变幅不大；坝体土为弱～微透水，基本满足坝体防渗要求，能发挥正常的阻水作用； 该坝体两侧后坝脚，即右侧输水涵洞及左侧的输水管出口处，沿管壁均有较集中的渗水点，Q右≈2.0~3.0 L/min，Q左≈1.0~1.5 L/min。坝体两侧的输水涵管均存在沿管壁的渗漏问题，说明坝体土与管壁的接缝处理较差，在长期渗水或在高水位情况下，将会进一步加剧接缝的扩大发展趋势，易导致管壁周边土体产生接触冲刷型的渗透破坏现象，进而影响水库运行及坝体稳定。坝体土根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287-2008)附录M[5]，对坝体进行土的渗透变形类型和临界水力比降判别。根据室内试验资料，坝体土和坝基土的细颗粒含量都较高，小于0.075 mm的颗粒含量质量百分率为94%，为黏性土，可能的渗透变形类型为流土和接触流失型。根据规范中计算公式，经计算得各层土的临界水力比降为0.459。从以上的计算结果并结合该水库的具体情况来看，在目前水库低水位运行状况下，坝体土和坝基(岩)土不会发生大面积的渗透变形破坏，但局部渗透性较大的地基及填筑质量差的坝体，在今后蓄水位抬高后将可能发生小范围的渗透变形破坏，存在接触渗漏及渗透变形稳定问题。

针对前文分析，特对工程提出以下建议：①增加坝基填土厚度，防止库水过多渗入下伏地层，最大程度避免土体液化现象出现。②严格监测二叠系灰岩(P1m)地层中的岩溶现象，一旦出现较大规模的溶洞，应及时进行灌浆处理，以防地基出现坍塌下沉，从而威胁大坝的安全性。

参考文献

[1] 孙佳颖.长屋脊水库大坝渗流场研究与坝坡稳定性分析[D].抚州：东华理工大学,2012.

[2] MCDONALD M G，HARBAUGH A W.A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model[R].Washington DC: US Geological Survey, 1988.

[3] 王博,刘耀炜,孙小龙,等.断层对地下水渗流场特征影响的数值模拟[J].地震,2008(3):115-124.

[4] 吴吉春,薛禹群.地下水动力学[M].北京: 中国水利水电出版社,2009：32-40.

[5] 中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范：GB 50287-2008[S].北京：中国计划出版社，2008.

收稿日期2015-12-24

作者简介杜泽(1987- )，男，云南建水人，助理工程师，硕士，从事工程地质方面的研究。

中图分类号S 277;TV 223.4

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)03-309-03