双龙水电站心墙土石坝浸润线分析

原有芬

（桓仁满族自治县水库移民开发局，辽宁本溪117200）

1 项目概况

拟建中的双龙水电站位于辽宁省宽甸满族自治县太平哨镇二龙渡村境内，在已建成的高龙泡水电站下游，为典型的河床式水电站。水电站大坝为斜心墙土石坝，坝顶高程为160.0 m，最大坝高56.0 m。大坝按照百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，正常蓄水位157.50 m，校核水位为158.50 m，汛期限制水位为152.0 m。大坝坝基上游砂石料和砂质粘土覆盖层，靠近河床部位的覆盖层均为厚度较大的砂砾石，最大厚度可以达到14.0 m，平均厚度为7.3 m。坝基采取壤土齿槽防渗。

2 有限元模型的构建

2.1 计算程序

Geo-Studio软件是一款面向工程设计领域的仿真分析软件，是美国GEO-SLOPE公司开发知名的工程分析软件[1]。该软件主要由应力变形分析模块(Sigma/w)、地下水渗流分析模块（Seep/w）和边坡稳定分析模块(Slope/w)等诸多限元分析子模块构成[2]。其中，Seep/w模块的主要功能是对非饱和和不均匀饱和条件下的孔隙水压力和水运动情况进行分析，进而通过渗流有限元计算进行稳态和瞬态分析；Slope/w是软件中的边坡稳定性分析模块，其主要特征是可同时采用八种方法对各种边坡稳定性问题展开分析。同时，这些子模块具有高度兼容性，可以在同一操作界面运行，以便用户可以同时对水利工程问题如渗流、稳定、应力变形等进行方便、准确的数值模拟分析。

Seep/w主要应用于二维有限元渗流计算分析，既可用于稳定渗流状态的数值模拟计算，亦可用于非稳定状态的数值模拟计算[3]。程序本身的计算分析以非饱和土力学理论为基础，同时给出了黏土、粉土、砂等不同性质材料的非饱和渗透系数和孔隙水压力之间的关系曲线，以此为基础结合土力学试验和工程经验进行适当修正，即可达到渗流计算的基本要求。Seep/w程序可以考虑复杂的边界条件和初始条件，能够对暴雨入渗、库水位变化等水利工程运行过程中常见的实际渗流情况进行很好的模拟[4]。

2.2 构建渗流分析模型

2.2.1 计算断面

依据双龙水电站的前期地质勘测结果和项目的设计资料，选取大坝的0+150，0+210，0+3 00断面，利用GEO-SLOPE软件中的Seep/w模块进行渗流分析模型的建模，对双龙水电站斜心墙土石坝的下游浸润线展开模拟分析。

2.2.2 计算工况

结合渗流计算的实际需求，在研究中设计了4种计算工况，水位分别为：当前水位、汛限水位、设计水位和校核水位。各计算工况的上游水位和下游水位如表1所示。

2.2.3 计算参数

确定坝体各部分材料的渗流参数是进行土石坝渗流分析的先决条件，同时也会直接影响渗流计算结果的准确性[6]。因此，在建模计算之前，首先以前期工程地质报告为依据确定如表2所示的相关计算参数。

表1 渗流计算工况设计

表2 渗流计算参数cm/s

2.2.4 模型的构建

Geo-Studio软件中的Seep/w模块有稳流态和非稳流态2种分析模型，研究选用稳定渗流分析[7]。在启动模块之后对工作区域的空间尺寸进行设置，设定画面比例为1 000。在Axes中设置坐标轴，其中X轴方向为距离，最大值为530 m；Y轴方向为高程，最大值为180 m。由于研究的坝体材料均为饱和，渗透系数设为恒定值，具体数值如表2所示。在draw菜单中进行有限区域设置，并进行网格划分[8]。模型的边界条件为总流量、压力水头和总水头，并对4种设计工况的边界条件进行设置。按照上述步骤建立的大坝渗流分析模型。

3 渗流计算结果分析

利用已构建的有限元渗流分析模型，对双龙水电站斜心墙土石坝3个典型断面的单宽渗流量进行计算，结果如表3所示。由计算结果可以看出，3个计算断面的单宽流量均随着库水位的升高而增加，但是增加幅度较小。

利用软件对各断面在不同工况下的浸润线位置和等势线分布进行计算。结果显示：在3个计算断面中，随着库水位的升高，大坝斜心墙内的浸润线呈现出不断升高的趋势，由于斜心墙起到了较好的防渗作用，大坝的下游坝体内的浸润线并没有受到库水位的显著影响。其中，0+300断面在当前水位条件下，下游坝体内的浸润线较高，究其原因主要是坝肩的绕渗作用，导致实际浸润线较高。此外，在3个计算断面中，水力比降较大的区域主要分布在齿槽防渗位置，最大水力比降约为4.5，这一数值小于斜心墙设计比降5.0，坝体内的水力最大比降约为0.07，小于设计比降值0.1。计算结果显示，土石坝的坝体浸润线位置较低，不易发生渗透破坏，说明心墙可以起到良好的防渗作用，有利于坝体的稳定，达到了防渗设计要求。

表3 大坝渗流计算结果