延川县袁家沟水库褥垫排水对大坝渗流的影响
2018-06-20，，
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(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018)
本文根据陕西省延川县袁家沟水库工程大坝渗流计算，通过AUTO BANK软件计算大坝的渗流稳定，水库坝基坐落在强透水的强风化岩石层上，这就需要下游坝坡进行强有力的排水措施排出坝面及坝内的渗水，本文通过棱体排水和棱体排水与褥垫排水综合型式，布设两种方案，结果表明采用综合排水型式能够有效排出坝内水，有效降低浸润线，构建模型后计算过程简单，根据计算结果确定坝坡排水型式，为今后类似工程提供相关设计参考。
1 工程概况
袁家沟水库位于延川县城西南约15 km处的袁家沟沟口，距文安驿镇1.0 km。袁家沟属清涧河二级支流，文安驿川右岸一级支流，流域面积24.5 km2，河道长12.3 km，河道平均比降13.6‰，袁家沟水库坝址位于袁家沟河入文安驿川河口以上约0.3 km处，坝址以上控制流域面积24.3 km2。该工程任务以城镇供水为主。水库枢纽工程由大坝、溢洪道及输水放空建筑物等三部分组成。总库容482万 m3，死库容220万 m3，起始兴利库容125万 m3，50年使用年限淤积库容320万 m3，终极兴利库容25万 m3，滞洪库容137万 m3。本工程属Ⅳ等小(1)型工程，相应主要建筑物：大坝、溢洪道、输水放空洞等为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。水库枢纽工程防洪标准按30年一遇设计，300年一遇校核，相应洪峰流量分别为322 m3/s和517 m3/s。
水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水放空建筑物三部分组成。其中大坝为碾压式均质土坝，坝顶高程为918.5 m，正常蓄水位912.90 m，设计洪水位915.30 m，校核洪水位917.10 m，死水位908.30 m，坝顶宽度6 m，最大坝高35.5 m，坝顶总长为189 m。坝体上游边坡为1：3；下游坝坡坡比均为1：2.75。按坝体结构要求，该均质坝分为坝体、护坡、排水棱体三个区。其中坝体采用黄土状壤土进行填筑，排水棱体和褥垫采用石料和混凝土粗细骨料进行加工，上游坡面采用15 cm厚C25钢筋混凝土护坡，下设20 cm级配碎石垫层、20 cm细砂垫层，上游护坡顶部高程与坝顶齐平为918.50 m，底部交至现状地面高程，下游坡面采用C20混凝土拱格内植草皮护坡。为方便日后管理，在上游坝坡设一马道，高程为909 m，宽2 m；下游坡比1:2.75，设一级戗台，高程为900.50 m，戗台宽2 m，最大坝底宽度为200.7 m。
排水体设计：按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189-2013)6.9规定：坝体排水设施型式应综合下列因素确定：(1)坝型及坝体、坝基材料的性质。(2)坝基的工程地质和水文地质条件。(3)下游水位。(4)排水设施的材料及施工条件。(5)坝址区的气候条件。坝体排水形式一般采用棱体排水、贴坡排水、褥垫排水及综合排水四种。经综合考虑因下游水位较高，贴坡排水体虽能防止发生渗透破坏但是不能有效的降低浸润线。本次坝体排水采用棱体排水、棱体排水和褥垫排水综合排水两种型式进行比较后确定。
排水棱体顶部高程由下游最大水深和坝体浸润线距坝面距离大于最大冻土深度两种工况确定。本次设计因溢洪道下游校核水位为884.7 m，则下游水头为1.7 m。坝体浸润线出逸点高程为883.6 m，本地区最大冻土深度为0.98 m。结合现状地形经综合确定坝体排水棱体顶高程为887.0 m。棱体内、外坡比均为1:1.5，顶部宽度2.0 m。
设计时对大坝进行渗流稳定计算，选定棱体排水、棱体排水和褥垫排水综合排水两种型式计算大坝的渗流稳定性，最终通过计算确定本次采用排水棱体与褥垫排水综合排水形式。褥垫深入坝体的长度根据规范、施工难易程度和地质情况等综合考虑确定褥垫深入坝体内70 m，褥垫采用砂砾料填筑，反滤层级配及厚度同排水棱体，褥垫厚度根据类似工程经验确定为50 cm厚。
2 模型建立
2.1 计算软件介绍
计算采用河海大学渗流稳定分析软件AUTO BANK ，该软件主要根据《碾压土石坝设计规范》(SL 274-2001)、《土质边坡稳定分析-原理、方法、程序》(陈祖毓，中国水利水电出版社)等为编制依据，采用极限平衡法进行渗流稳定计算，通过软件进行建模，定义模型的材料参数，包括容重、渗透系数、水上和水下土体的物理力学指标等，再给定模型的水头边界条件进行渗流计算，通过定义模型的初始边界条件，最终输出结果。
2.2 计算原理
大坝渗流计算符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：
(1)
式中：φ=φ(x,y)为待求水头势函数；x，y为平面坐标；Kx，Ky为x，y轴方向的渗透系数。
水头φ还必须满足一定的边界条件，经常出现以下几种边界条件：
(1) 在上游边界上水头已知φ=φn
(2)
(2) 在逸出边界水头和位置高程相等φ=z
(3)
(3) 在某边界上渗流量q已知
(4)
其中lx，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。
将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可导得出线性方程组：
[H]{φ}={F}
(5)
式中：[H]为渗透矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。
求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降，流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置，Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量。
2.3 计算工况
根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001及本工程实际情况，确定大坝计算工况为：
(1)正常蓄水位稳定渗流；
(2)正常蓄水位912.90 m降落至放水管底部高程896.00 m降落期非稳定渗流。
2.4 计算材料参数
根据地质报告成果，确定均质土坝坝体、坝基各分区渗流计算采用参数指标见表1。
表1 渗流计算参数表
2.5 计算断面选择
渗流计算时选用最大典型断面进行渗流计算(图1)。
图1 大坝标准横断面图
3 计算结果及分析
根据大坝典型断面，计算大坝的渗流特性(见图2)。
图2 有限元网格剖分图
3.1 棱体排水下大坝渗流分析
工况一：正常蓄水位稳定渗流(见图3)
图3 工况一水头等值线和水力坡降图
根据正常蓄水位下水头等值线图和水力坡降等值线图可以看出，水力坡降在上游最大，下游排水棱体处最小，最大值为0.57，最小值为0.008 25。
工况二：正常蓄水位912.90 m降落至放水管底部高程896.00 m降落期非稳定渗流(见图4)
图4 工况二水头等值线和水力坡降图
根据水位降落期水头等值线图和水力坡降等值线图可以看出，水力坡降在上游水位变动区最大，下游排水棱体处最小，最大值为0.382，最小值为0.054 7。
3.2 棱体排水和褥垫排水下大坝渗流分析
工况一：正常蓄水位稳定渗流(见图5)
图5 工况一水头等值线和水力坡降图
根据正常蓄水位下水头等值线图和水力坡降等值线图可以看出，水力坡降在上游最大，下游排水棱体处最小，最大值为0.772，最小值为0.089 7。
工况二：正常蓄水位912.90 m降落至放水管底部高程896.00 m降落期非稳定渗流(见图6)
图6 工况二水头等值线和水力坡降图
根据水位降落期水头等值线图和水力坡降等值线图可以看出，水力坡降在上游水位变动区最大，下游排水棱体处最小，最大值为0.545，最小值为0.061 4。
3.3 计算结果分析
两种排水型式下计算正常蓄水位工况和水位降落期工况下大坝的浸润线和水力坡降，可以看出，仅设排水棱体时，大坝在下游坝坡浸润线下降比较慢，而排水棱体和褥垫排水时，坝体浸润线在褥垫排水处呈明显下降趋势，坝内水能够快速的从褥垫排出坝外，增强了大坝的渗透稳定性。同时从等值线图可以看出，增设褥垫排水后，等值线值在该处明显变小，说明褥垫增设后水力坡降变小，有利于坝内水的排出。最终确定袁家沟水库坝坡排水型式采用棱体排水和褥垫排水相结合的综合排水型式。
4 结语
通过进行建模计算，对袁家沟水库工程确定合理的坝坡排水型式，最终进行比较后确定采用棱体排水和褥垫排水的综合排水型式，在实际工程中，有多种综合排水型式，若遇下游水位较高时，可采用棱体排水和贴坡排水相结合的排水型式；若遇坝基透水性较强可选用本次计算分析的棱体排水和褥垫排水相结合的排水型式。因此，排水型式的选择，必须结合坝基排水的需要和形式、针对不同的地基和外界因素，选择合适的坝坡排水型式。
