基于有限单元法的某水库大坝渗流反演分析

师 于 杰

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000）

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆库尔勒市西尼尔镇境内，是塔里木河流域近期综合治理工程之一［1］，地理坐标为86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N。希尼尔水库是从孔雀河第一分水枢纽引水，经库塔干渠总干渠输水的注入式中型平原水库。该水库以农业灌溉为主，兼顾下游生态输水、水产养殖与旅游等功能，设计库容为0.98×108m3，相应设计水位为913.6 m，死库容为0.1×108m3，相应死水位905.8 m。水库大坝顶宽6 m，最大坝高20 m，坝长7 650 m，上游坝坡1:2.5，下游坝坡1:2；坝体防渗采取斜铺复合膜结构，其中膜厚0.75 mm，无纺布规格为200 g／m2。根据地质情况的不同，坝基防渗分别采取PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩防渗墙三种形式［2-5］。

2 计算断面及参数选取

2.1 典型分析断面

选取主坝3+600断面、5+200断面和5+700断面共计3处作为渗流分析典型断面［6］，各断面示意详见图1。

（1）3+600断面。该断面坝基采用防渗深度约7.8 m的PE复合土工膜明槽防渗墙，明槽防渗墙底板坐落在厚约2.0 m、弱微透水性第三系泥岩层上，泥岩层以下为厚约6 m、透水率约5～10 Lu的第三系砂岩。坝体埋设的5支测压管分别位于坝轴线上游1.90 m处的UP20、UP21，位于坝轴线下游18.90 m处的UP22、UP23，以及44.08 m处的UP24，埋设高程分别为 894.71 m、898.23 m、894.30 m、898.31 m、894.51 m。

（2）5+200断面。该断面坝基采用防渗深度约16.05 m的水泥土防渗墙，墙底坐落在厚约2.1 m、弱微透水性第三系泥岩层上，泥岩层以下为厚约2.5 m、透水率约5～10 Lu第三系砂岩，砂岩之下又为厚3.4 m、弱微透水性第三系泥岩层。坝体埋设的5支测压管分别为位于坝轴线上游2.10 m处的UP35、UP36，位于坝轴线下游15.60 m处的 UP37、UP38，以及32.95 m处的 UP39，埋设高程分别为896.284 m、901.278 m、900.092 m、901.092 m、895.474 m。

（3）5+700断面。该断面坝基采用防渗深度约14.0 m的塑性混凝土防渗墙，墙底坐落在厚约2.0 m、弱微透水性第三系泥岩层上，泥岩层以下为厚约4.8 m、透水率约5～10 Lu的第三系砂岩，砂岩之下又为厚1.6 m、弱微透水性第三系泥岩层，在该泥岩层又为第三系厚层砂岩。坝体埋设的6支测压管分别为位于坝轴线上游2.03 m处的UP40、UP41，位于坝轴线下游13.10 m处的 UP42、UP43，以及34.30 m、59.50 m处的UP44、UP45，其中UP45测压管位于排水沟下游约8 m处，埋设高程分别为896.85 m、904.25 m、896.71 m、901.41 m、896.99 m、898.18 m。

图1 水库大坝典型断面示意

2.2 初始渗透系数选取

各断面渗透系数初始值根据工程地质条件及施工资料综合确定［7］，具体内容见表1。

表1 大坝渗流场各区渗透系数初始值

3 渗流反演分析

随着计算机的普及和数值模拟法的广泛使用，土坝渗流计算逐渐由模拟试验过渡到应用计算机进行数值模拟。UNSST2是应用数值模拟法开发的土坝二维渗流有限元法计算程序，可计算各类型土石坝的稳定渗流及库水位上升、下降情况下的非稳定渗流。该程序前处理可自动剖分单元，后处理可输出分块自动剖分图、单元剖分网格图、等势线分布图、流速图、渗透坡降图，大大减少了计算及绘图工作量，计算结果可用图形输出，界面直观，便于检查分析。本文采用南京水利科学研究院研发的UNSST2二维渗流计算程序［8］对希尼尔水库大坝典型断面进行渗流分析。

3.1 基本理论

渗流分析的数学模型通常建立在达西定律基础上。水利水电工程渗流分析一般考虑为不可压缩流体在刚体介质中进行不随时间变化的稳定渗流，运动方程、连续性方程和微分方程分别见式（1）、（2）、（3）。

式中，v为渗透速率，m／d；k为渗透系数；grad h为渗透坡降，无量纲。

式中，vx、vy、vz分别表示在 x、y、z方向上的渗透速率，m／d。

式中，h为总水头，m；kx、ky、kz分别表示在 x、y、z方向上的渗透系数。

考虑相应定解条件，采用有限元计算方法即可求解以上方程。

3.2 反演结果

将表2中的初始渗透系数和库水位在912.16 m时测压管实测水位作为参照标准，做逐步调整渗透系数的反演计算，直至计算值与实测值接近为止。各断面渗流场示意见图2～4（图中流网数字代表库水位的折减程度），经反演计算后的渗透系数见表2，反演分析中有限元计算值与实测水位值对比见表3。

图2 主坝3+600断面反演水位912.16 m条件下渗流有限元计算流网

图3 主坝5+200断面反演水位912.16 m条件下渗流有限元计算流网

图4 主坝5+700断面反演水位912.16 m条件下渗流有限元计算流网

表2 大坝渗流场各区渗透系数反演值

表3 反演分析中有限元计算与实测值对比结果

由表3所示的统计结果可知，经调整各区域渗透系数后，反演计算得到的坝基渗压水位及坝体水位与实测值基本吻合。

4 特征水位下渗流计算

4.1 计算工况

计算工况取上游库水位为正常蓄水位913.60 m，下游水位根据排水沟积水情况进行近似选取排水沟底地面高程加0.5 m，具体见表4。

表4 大坝渗流计算工况

4.2 各断面有限元计算

主坝3+600断面、5+200断面与5+700断面这三个断面在正常蓄水位913.60 m条件下关键部位渗流要素见表5～7，渗流有限元计算流网见图5～7（图中流网数字代表库水位的折减程度）。

表5 主坝3+600断面正常蓄水位913.60 m条件下关键部位渗流要素

表6 主坝5+200断面正常蓄水位913.60 m条件下关键部位渗流要素

表7 主坝5+700断面正常蓄水位913.60 m条件下关键部位渗流要素

图5 主坝3+600断面正常蓄水位913.60 m条件下渗流有限元计算流网

图6 主坝5+200断面正常蓄水位913.60 m条件下渗流有限元计算流网

图7 主坝5+700断面正常蓄水位913.60 m条件下渗流有限元计算流网

根据表5～7和图5～7，结合前述分析，在正常蓄水位工况下，渗流有限元计算结果如下：

（1）主坝3+600断面、5+200断面与5+700断面这三个断面的防渗墙底部水平坡降分别为7.114、0.110、0.455，均小于防渗墙设计坡降允许值（设计要求的允许破坏坡降大于60）。

（2）主坝3+600断面、5+200断面和5+700断面这三个断面下游坝脚垂直坡降分别为0.108、0.064、0.055，均小于坝基岩土体的渗透坡降允许值0.356。

（3）主坝坝体Ⅰ区、Ⅱ区砂砾料的允许渗透坡降 J允许分别为0.167、0.166。主坝3+600断面、5+200断面和5+700断面这三个断面坝轴线下游侧及坝后回填清基料之间的坝体水平渗透坡降分别为0.026、0.044、0.032，均小于坝体渗透坡降允许值。

（4）主坝3+600断面、5+200断面两个断面坝后回填清基料至下游坝脚排水沟上游侧处的坝基水平渗透坡降分别为0.248、0.368，超过邻近主坝3+575断面、5+175断面这两个断面排水沟处上游侧反滤垫层料的渗透坡降允许值（分别为0.210、0.229），且主坝5+200断面坝后回填清基料至下游坝脚排水沟上游侧处的坝基水平渗透坡降大于坝基岩土体的渗透坡降允许值0.356，不满足规范要求；主坝5+700断面坝后回填清基料至下游坝脚排水沟上游侧处的坝基水平渗透坡降为0.172，稍小于邻近主坝5+675断面排水沟处反滤垫层料的渗透坡降允许值0.195。

（5）主坝3+600断面、5+200断面与5+700断面这三个断面的坝基渗压水位高、渗透压力大，坝体水位及下游坝后回填清基料出逸点高程高，坝体水位均高于坝体内横向排水体顶部高程，超过设计要求，其中3+600断面在下游回填清基料盖重901.03 m高程出逸，5+200断面在下游回填清基料盖重904.54 m高程出逸，5+700断面在下游回填清基料盖重905.02 m高程出逸。

（6）坝后回填清基料的填筑碾压质量低于坝体Ⅰ区、Ⅱ区砂砾料的填筑碾压质量，可认为坝后回填清基料的允许渗透坡降小于坝体Ⅰ区、Ⅱ区砂砾料的允许渗透坡降。坝体Ⅰ区、Ⅱ区砂砾料的允许渗透坡降J允许分别为0.167、0.166，故坝后回填清基料的渗透坡降允许值应小于0.166。由于主坝3+600断面、5+200断面与5+700断面这三个断面下游出逸点均位于坝后回填清基料下游坡，其出逸坡降J采用经验公式 J=1／（1+m2）0.5计算［9-10］，其中 m为出逸点坡比的倒数，这三个断面的m值均取3.0。经计算，坝后回填清基料的出逸坡降为0.316，大于渗透坡降允许值，不满足规范要求。

4.3 渗流量计算

根据上述有限元计算结果，主坝3+600断面、5+200断面与5+700断面这三个断面在正常蓄水位913.60 m工况下渗漏量分别为3.158 m3／（m·d）、3.575 m3／（m·d）、2.521 m3／（m·d），坝长7 650 m，大坝年渗漏量约为868万m3，基本与年出入库水量平衡计算结果相符，但大于设计阶段的大坝年渗漏量计算结果（大坝年渗漏量设计计算结果为168.25万m3）。水库设计总库容为9 800万m3，年渗漏量868万m3，占水库总库容的8.86%，渗漏量较大。

5 结 语

综上所述，通过对希尼尔水库主坝典型断面进行渗流有限元计算分析，结果表明，在正常蓄水位913.60 m工况下，3+600断面、5+200断面坝后回填清基料至排水沟上游侧处的坝基水平向渗透坡降分别为0.248、0.368，超过邻近3+575断面、5+175断面排水沟处上游侧反滤垫层料的渗透坡降允许值0.210、0.229；5+200断面坝后回填清基料至排水沟上游侧处的坝基水平向渗透坡降大于坝基岩土体的渗透坡降允许值0.356，严重影响大坝安全运行；通过渗流量计算，水库年渗漏量868万m3，占水库总库容的8.86%，渗漏量较大。