大坝典型坝段渗流计算研究

刘巍巍 何鲜峰

（黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

0 引言

混凝土重力坝是指用混凝土浇筑且主要依靠坝体自重来抵抗上游水压力及其他外荷载并保持稳定的坝，与其他建筑物不同，建设时除了需考虑地基强度和变形等一般性问题外，还要考虑水的渗漏问题［1］。从大坝安全监测的角度评价大坝运行稳定性是工程安全评价的重要手段。对于多年运行混凝土重力坝而言，变形已基本稳定，渗流监测分析对大坝稳定性评价起决定性作用［2］。渗流是影响堤坝安全的重要因素之一，由河流产生的渗流使堤防坝体经常发生渗水管涌现象，严重威胁堤防工程安全。在坝与水库失事的事故统计中，约有1∕4是由于渗流问题引起的，异常渗流可能导致流土、接触流土、管涌、冲刷、接触冲刷等破坏［3］。对混凝土重力坝坝基渗流场分析是比较复杂的过程，有多种因素会对其产生影响。随着数值分析方法的不断发展，许多学者都提出了相关的分析计算模型，例如缝面渗流平面单元模型、基于渗透系数概率分布的偏态分布模型、自由渗流场数学模型等［4-6］。目前，采用计算软件对大坝进行渗流分析的方法已经得到广泛的应用［7-9］，本研究采用SEEP∕W软件进行某水库典型坝段的渗流计算，对比正常蓄水位、千年设计洪水位和万年设计洪水位这3种工况下的大坝渗流性态，从而为水库合理运用提供可靠的理论支持和技术支撑。

1 工程概况

某水库大坝为混凝土重力坝，系一级建筑物，地震基本烈度为7度，按8度设防，最大坝高125 m，坝顶高程553 m（大沽高程系），坝顶长315 m，共分为21个坝段。一般坝宽为16.5 m，最大19 m，最小13 m。大坝由挡水坝段、电站坝段、底孔坝段、溢流坝段和中孔坝段组成。该枢纽工程等别为Ⅰ等，工程规模属大（1）型，枢纽为永久性水工建筑物混凝土重力坝。

2 渗流计算

采用SEEP∕W软件进行典型坝段的渗流分析工作，该软件可以对几乎所有的地下水问题进行建模分析。

2.1 基本理论

渗流基本理论基于达西定律，即饱和或非饱和土的地下水渗流符合达西定律，如式（1）所示。

式中：q为流量，cm∕s；k为渗透系数，cm∕s；i为水力梯度，无因次参数。

对于二维地下水渗流，则有式（2）。

式中：H为总水头，cm；k x为x方向的渗透系数，cm∕s；ky为y方向的渗透系数，cm∕s；Q为边界流量，cm∕s；θ为体积水容量，cm3；t为时间，s。

2.2 计算参数及工况

选取电站8#坝段作为典型断面进行计算，具体参数见表1。对正常蓄水位、千年设计洪水位和万年设计洪水位3种工况下的大坝渗流性态进行计算，这3种工况对应的上下游水位见表2。

2.3 计算过程

①确定分析问题类型，包括稳定状态下有边界和非边界渗流、瞬态渗流、平面或横截面二维渗流和轴对称的三维渗流。

②其采用非结构化和全局网格密度的网格划分技术，对研究区域进行有限元网格离散化，建立混凝土重力坝断面二维渗流场与应力场耦合模型。

③使用基本参数和粒径函数来估计测定水体量和渗透函数。

④绘制浸润面、流线、孔隙水压力与高程等矢量图。

2.4 计算结果及分析

根据表1、表2计算参数，应用SEEP∕W软件，确定正常蓄水位、千年设计洪水位和万年设计洪水位3种设计工况下典型坝段的渗流形态，绘制设计工况下典型坝段流线示意图（见图1至图3），并计算该坝段灌浆帷幕后坝基的渗压系数，见图4。

图3 万年校核洪水位典型坝段流线示意图

表1 坝段计算参数

表2 计算工况上下游水位

由图1～图4可以看出，大坝渗流流网整体分布态势较好；坝轴线灌浆帷幕起到了很好的防渗作用，在灌浆帷幕前后水位差达到了20 m。由表2也可以看出，千年设计洪水位、万年校核洪水位明显高于正常蓄水位，因此，这两种工况下的渗压系数也较正常蓄水位下的渗压系数高。在各种工况下，典型坝段的渗压系数都小于0.25，满足规范［10］要求。

图1 正常蓄水位典型坝段流线示意图

2.5 设计工况与监测典型工况渗压系数对比

表3为典型坝段3种设计工况及其对应监测工况测压管（编号C8-1~C8-7）的渗压系数，图4为测压管渗压系数分布图。

表3 设计工况与监测典型工况8号坝段测压管渗压系数

图4 三种工况下典型坝段的渗压系数

图2 千年设计洪水位典型坝段流线示意图

由图5可以看出，在设计工况下典型坝段各测压管渗压系数在0.003～0.068之间变化，从上游到下游有逐渐降低的趋势；在监测工况下，上游水位接近正常蓄水位，各测压管渗压系数在-0.091～-0.060之间变化，位于下游的测压管渗压系数略有升高，最大值出现在C8-4测孔（-0.099）。千年设计洪水位、万年校核洪水位明显高于正常蓄水位，因此这两种工况下的渗压系数也较正常蓄水位下的渗压系数高。而监测工况下的渗压系数都为负值，这是由于某坝段437 m高程集水井及自控排水泵的存在，使得集水井液面在434.20～435.95 m高程间变化，在坝基一定范围内形成漏斗状准稳定渗流场，从而使一定范围内测压管水位低于下游水位。这也说明坝基帷幕系统、排水系统运行情况良好。在这3种工况下，从上游到下游，典型坝段各测压管渗压系数均低于0.25，满足规范［10］要求。

图5 不同工况下典型坝段的渗压系数

3 结语

对某大坝典型坝段进行渗流计算分析结果表明：大坝渗流流网整体分布态势较好；由浸润线形状可以看出，坝轴线灌浆帷幕起到了很好的防渗作用，灌浆帷幕前后水位差达20 m。在各种工况下，计算得到的典型坝段渗压系数小于0.25，满足规范中对渗压系数的要求。计算成果能够为大坝渗流计算提供依据，也为水库的防洪调度和安全运行提供必要的理论支持和技术支撑，对类似的水库大坝的渗流分析起到一定的借鉴作用。