基于AutoBank 的黄材水库大坝渗流稳定分析

马 夺，张瑞刚

（1. 湖南中天水利水电勘察设计有限公司，湖南 长沙 410004；2. 水利部长江水利委员会河湖保护与建设运行安全中心，湖北 武汉 430010）

渗流计算是水工设计的重要组成部分，通过分析计算得到的渗流参数及渗透坡降，可以判断水工结构的渗流稳定情况，并进一步采取防渗排水措施，有利于水工结构的安全与稳定。渗流理论较早于19 世纪中期，由法国学者Darcy 提出，其通过试验揭示了饱和土体中水的渗流速度和坡降呈线性关系[1]。其后Zienkiewicz O C、Hnang T K.等学者运用了复变函数及有限元法，将渗流理论研究进一步推动[2～3]。

20 世纪以来，计算机为数值计算的发展提供了支撑，有限元法在渗流分析中得到了较好的应用。例如张寅寅以某水库均质土坝为研究对象，采用有限元仿真法，进行了渗流及坝坡稳定性计算[4]；尹鹏博运用了ADINA 有限元软件对某重力坝进行渗流分析，并对计算结果可靠性进行了分析[5]。马洪图基于ANSYS 有限元平台，对不同工况下的土石坝稳定性及渗流特性进行分析，并验证了计算方法的可行性[6]。然而，ADINA、ANSYS 等有限元软件存在着建模复杂，通用商业软件解决专业问题针对性不强的缺点。AutoBank 是河海大学工程力学系研制的用于分析堤防、土石坝、尾矿坝、水闸等挡水建筑物引起的稳定、非稳定饱和渗流场问题的专业软件，采用有限元方法求解二维渗流控制方程（Laplace 方程），并能较好地解决各向同性、各向异性、多层地基和复杂断面情况下的渗流场分析问题。

下面以黄材水库为例，基于AutoBank 有限元软件，建立大坝模型，将大坝计算断面进行分区，并考虑不同工况，开展渗流稳定计算。将计算结果与现状实际情况进行比较，为水利工程相关渗流设计提供参考。

1 工程概况

黄材水库位于湘水一级支流沩水上游，竹山坳副坝坝址位于宁乡县黄材镇以西的铁山里，下距宁乡县城52.5 km。水库控制流域面积240.8 km2，多年平均降雨量1 429.3 mm，多年平均径流量1.83 亿m3，水库总库容1.45 亿m3；正常水位166.00 m，相应库容1.26 亿m3，库容系数0.68，为多年调节水库。

竹山坳副坝坝顶高程170.50 m，防浪墙顶高程171.07 m，坝顶轴线长142.50 m，最大坝高22.30 m。现场检查，库水位153.01 m。现状上游坡面干砌石护坡石料质地坚硬，质量良好；下游坝坡未检测到塌陷、渗漏情况；坡脚排水体石料风化，质量较差。排水沟无渗水，未发现坝基渗漏问题。

2 渗流分析

2.1 断面选取

根据地质勘探工作、室内土工实验、大坝建设和运行情况，坝体渗流计算分析选择大坝最大横断面，做二维有限元渗流计算分析，渗流计算断面见图1。

图1 大坝计算断面渗透分区图

2.2 渗透分区及指标的确定

本次计算分析断面的渗透分区是根据地质勘测的结果，按照现场所取原状土样的室内土工实验和钻孔柱状图，综合大坝建设和运行管理情况，并参照其他工程的经验，将大坝渗流计算断面分成9 个渗透分区，渗透分区见图1，渗透分区材料的水平、垂直渗透系数见表1。

表1 大坝渗流计算断面的渗透指标 cm/s

2.3 渗流计算工况的选择

根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274-2001 第8.1.2 条规定[7]：渗流计算时应考虑水库运行中的不利条件。库水位降落时，考虑时段内无降雨，发电隧洞、灌溉隧洞等泄水建筑物按最大引用流量运行的库水位快速降落情况。

本次渗流计算分析按以下工况进行：

1）上游正常蓄水位166.00 m 与下游相应的最低水位151.02 m。

2）上游设计洪水位167.97 m 与下游相应水位151.02 m。

3）上游校核洪水位168.50 m 与下游相应水位151.02 m。

4）库水位降落（工况1）：根据库水位-库容曲线，只灌溉隧洞参加泄流，单一流量按17.5 m3/s 的下泄流量从166.0 m 降至上游坝脚151.0 m，根据水库运行情况，确定大坝分三个时段进行稳定渗流计算。各时段的上、下游值及相应的时间间隔见表2。

5）库水位降落（工况2）：在正常运行时期，坝体出现意外情况需快速放空水库，首先溢洪道参加泄洪，泄洪闸全开，从166.0 m降至溢洪道堰顶高程157.0 m，而后发电隧洞、泄洪隧洞参加泄流。根据库水位快速降落曲线，确定大坝分3 个时段进行非稳定渗流计算，各时段的上、下游水位值及相应的时间间隔见表3。

表2 水位降落（工况1）计算时段及水位成果表

表3 水位降落（工况2）计算时段及水位成果表

6）库水位降落（工况3）：在非常运行时期，库水位从校核水位168.50 m 降至正常水位166.0 m。

2.4 渗流计算及分析

运行AutoBank 求解渗流场。计算渗流量并绘制得到浸润线，大坝渗流计算结果见表4 及图2～图7。

从各工况渗流计算成果表可以看出，计算断面浸润线较低，逸出点在下游褥垫排水处，计算断面渗流流态较安全。现状大坝下游坡运行情况较好，未发现散浸现象。说明计算与实际情况基本相符，坝体计算断面处渗流无安全隐患。

计算断面逸出点比降为0.002～0.267，心墙处比降为0.008～1.06，坝基接触面比降为0.007～0.267。根据有关资料和类似工程，防渗土料的破坏坡降5～10,坝体逸出点允许比降值0.35～0.40，坝基接触面允许比降值0.35～0.50，以上各值均在允许范围内，可见现状坝体基本满足渗透稳定要求。

表4 大坝计算断面各工况渗流计算成果表

图2 大坝正常水位（166.0 m）稳定渗流计算成果

图3 大坝设计洪水位（167.97 m）稳定渗流计算成果

图4 大坝校核洪水位（168.50 m）稳定渗流计算成果

图5 大坝库水位降落工况1 水位（166.0 m～151.1 m）稳定渗流计算成果

图6 大坝库水位降落工况2 水位（166.0 m～151.1 m）稳定渗流计算成果

图7 大坝库水位降落工况3 水位（168.5 m～166.0 m）稳定渗流计算成果

从各工况渗流计算成果表可得，大坝日渗流量最大可达0.94 万m3，年渗流量约343.1 万m3，渗漏损失较大，建议尽快采取有效的防渗措施，确保大坝安全。

3 结 论

1）以黄材水库为例，基于AutoBank 有限元软件，建立大坝模型，根据地质勘测结果，综合大坝建设和运行管理情况，将大坝计算断面分成9 个渗透分区。考虑水库运行中的不利条件，分3 种工况进行计算。

2）渗流分析表明计算断面逸出点在下游褥垫排水处，浸润线较低，计算断面渗流流态较安全。计算结果与实际情况较符合；计算断面逸出点比降为0.002～0.267，心墙处比降为0.008～1.06，坝基接触面比降为0.007～0.267，比降值均在允许范围内，现状坝满足渗透稳定要求。大坝最大日渗流量较大，建议尽快采取有效的防渗措施，确保大坝安全。

3）AutoBank 软件可直接导入到AutoCAD，为计算土石坝工程渗流提供了便利，算例分析结果与实际情况较吻合，表明AutoBank 有限元软件在合理建模条件下模拟土坝断面及渗流计算的可靠性，计算结果可为土坝除险加固设计提供参考。