吳戰(zhàn)營

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

新疆某水利樞紐上游圍堰滲流數(shù)值模擬

吳戰(zhàn)營

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

通過利用巖土工程仿真計算分析軟件GeoStudio2007，對新疆某水利樞紐上游圍堰工程進(jìn)行二維平面滲流分析計算。計算結(jié)果表明：當(dāng)防滲墻深度由17m增加至20m時，圍堰滲流量相應(yīng)減小2.28%；當(dāng)防滲墻深度由20m增加至25m時，圍堰滲流量相應(yīng)減小4.64%，增加防滲墻深度，對減小圍堰滲流量的作用不大；當(dāng)防滲墻深度為17m時，圍堰總滲流量2.836m3/s。圍堰下游出逸點附近比降在0.115～0.142范圍內(nèi)。分析計算成果可為圍堰的防滲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

圍堰；滲流量；水力坡降；數(shù)值模擬

在西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推動下，中國西部地區(qū)大批高壩大庫工程陸續(xù)開工建設(shè)。高土石圍堰的滲流及滲透穩(wěn)定性問題備受關(guān)注。目前，高土石圍堰的滲流研究，主要有模型試驗、原位觀測、解析方法［1-4］和數(shù)值分析方法［5-9］，對于地質(zhì)條件及邊界條件較復(fù)雜的問題，有限元數(shù)值分析是最有效的方法之一［10］。

采用GeoStudio2007中SEEP/W模塊，對新疆某水利樞紐上游圍堰工程進(jìn)行二維平面滲流分析計算。

1 工程概況

此水利樞紐是以生態(tài)、灌溉、防洪、發(fā)電為開發(fā)目標(biāo)的控制性水利樞紐工程。最大壩高164.8m，樞紐為大（1）型Ⅰ等工程。

主要建筑物有：攔河壩（混凝土面板砂礫石堆石壩）、2條表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電廠房等。2條發(fā)電洞、深孔放空排沙洞、生態(tài)基流發(fā)電洞和發(fā)電廠房布置在右岸，導(dǎo)流洞、2條溢洪洞、中孔泄洪洞布置在左岸。

上游圍堰設(shè)計堰頂高程1680.5m，最大堰高16.5m，堰頂長441m，堰頂寬10.0m，上游坡度1∶2.0，下游坡度1∶3.0，堰體采用150g/0.5mm/150g兩布一膜防滲，斜墻頂高程1678.8m，土工膜兩側(cè)分別設(shè)1層厚1.5m的墊層料。

上游迎水面采用厚0.5m的堆石護(hù)坡。圍堰基礎(chǔ)采用懸掛式C15混凝土防滲墻防滲，防滲墻最大深度17.0m，墻厚0.6m。圍堰與截流堤結(jié)合布置，圍堰后坡腳距任意料填筑坡腳線15m。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計算軟件介紹

GeoStudio系統(tǒng)軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE公司在20世紀(jì)70年代開發(fā)的，面向巖土、水利、采礦、交通、地質(zhì)、環(huán)境工程等領(lǐng)域的一套專業(yè)、高效且功能強(qiáng)大的仿真計算分析軟件，是全球最知名的巖土工程分析軟件之一，包括以下8種專業(yè)分析軟件：SLOPE/W（邊坡穩(wěn)定性分析軟件）、SEEP/W（地下水滲流分析軟件）、SIGMA/W（巖土應(yīng)力變形分析軟件）、QUAKE/W（地震響應(yīng)分析軟件）、TEMP/W（地?zé)岱治鲕浖?、CTRAN/W（地下水污染物傳輸分析軟件）、AIR/W（空氣流動分析軟件）、VADOSE/W（綜合滲流蒸發(fā)區(qū)和土壤表層分析軟件）。

SEEP/W軟件是一款用于分析多孔滲水材料，如土體和巖石中的地下水滲流和超孔隙水壓力消散問題的有限元軟件。

通過SEEP/W軟件的滲流有限元計算，可以分析邊坡在不均勻飽和條件、非飽和條件下的孔隙水壓力，也可以對邊坡穩(wěn)定時的瞬態(tài)孔隙水壓力進(jìn)行分析。通過瞬態(tài)分析得出不同時刻、不同點的孔隙水壓力分布狀況。通過對孔隙水壓力隨時間變化的結(jié)果，研究邊坡、路堤穩(wěn)定性與時間的關(guān)系。在水中溶質(zhì)擴(kuò)散轉(zhuǎn)移問題中，水流速度可分析水中溶質(zhì)的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移。

SEEP/W軟件可用于對飽和及非飽和滲流問題的建模分析，這一特點大大擴(kuò)展了軟件分析問題的范圍。除了對傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)飽和滲流分析之外，軟件中的飽和/非飽和計算模型使該軟件可對隨時間變化的滲流問題和短期滲流過程進(jìn)行模擬分析。

2.2 計算內(nèi)容

在圍堰上游最高擋水位1678.04m和下游相應(yīng)水位1664.5m情況下，以圍堰樁號0+221.642、0+ 397.845為計算剖面。以圍堰最大剖面0+397.845為例，計算防滲墻在17，20，25m深度時圍堰的滲流情況下，確定防滲墻合理深度。

模型假定各種材料的滲透性質(zhì)各向同性，即kx= ky。根據(jù)此水利樞紐工程初步設(shè)計階段地質(zhì)勘察報告提供的資料、試驗參數(shù)，圍堰填筑料、土工膜斜墻和覆蓋層等滲透系數(shù)如表1所示。

表1 各種材質(zhì)滲透系數(shù)單位：cm/s

2.3 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

以防滲墻深度17m為例，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格結(jié)合。圍堰樁號0+ 221.642、0+397.845計算區(qū)域網(wǎng)格剖分如圖1～圖2。

圖10 +221.642剖面網(wǎng)格劃分

圖20 +397.845剖面網(wǎng)格劃分

圍堰樁號0+221.642剖面網(wǎng)格單元數(shù)5391個，圍堰樁號0+397.845剖面網(wǎng)格單元數(shù)4327個。

3 計算結(jié)果分析

為詳細(xì)了解圍堰浸潤線及其下游逸出點的位置、堰體及地基內(nèi)的等勢線分布。通過對計算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到不同位置、不同防滲墻深度的滲流總水頭等勢線和滲流流場跡線如圖3～圖10。

圖30 +221.642滲流總水頭等勢線（防滲墻深度17m）

圖40 +221.642剖面滲流流場跡線（防滲墻深度17m）

圖50 +397.845滲流總水頭等勢線（防滲墻深度17m）

圖60 +397.845剖面滲流流場跡線（防滲墻深度17m）

圖70 +397.845滲流總水頭等勢線（防滲墻深度20m）

圖80 +397.845剖面滲流流場跡線（防滲墻深度20m）

圖90 +397.845滲流總水頭等勢線（防滲墻深度25m）

圖100 +397.845剖面滲流流場跡線（防滲墻深度25m）

上游圍堰滲流計算結(jié)果如表2。

表2 滲流計算結(jié)果

由表2和圖3～圖10看出，隨著防滲墻深度的增加，圍堰滲流量在逐漸減少。以圍堰最大剖面0+ 397.845為例，當(dāng)防滲墻深度由17m增加至20m時，圍堰滲流量相應(yīng)減小2.28%。當(dāng)防滲墻深度由20m增加至25m時，圍堰滲流量相應(yīng)減小4.64%。計算結(jié)果表明：增加防滲墻深度，對減小圍堰滲流量的作用不大。當(dāng)防滲墻深度為17m時，圍堰總滲流量為2.836m3/ s；當(dāng)防滲墻深度由17m增加至20m時，下游出逸點比降由0.142下降至0.1385，下游出逸點比降相應(yīng)減小2.46%；當(dāng)防滲墻深度由20m增加至25m時，下游出逸點比降由0.1385下降至0.131，下游出逸點比降相應(yīng)減小5.42%。圍堰下游出逸點附近比降在0.115～0.142范圍內(nèi)，依據(jù)地質(zhì)報告河床砂卵礫石滲透試驗成果，河床砂卵礫石料滲透破壞型式主要為管涌，臨界坡降為0.28～0.45，平均0.36。根據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，允許水力坡降以土的臨界水力坡降除以1.5～2.0安全系數(shù)，本工程取2.0，因此河床砂卵礫石允許水力比降可取0.14～0.22，本工程選取允許水力比降0.18。因此，計算下游出逸點比降最大值0.142滿足允許水力比降的要求。

4 結(jié)語

（1）通過對計算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到了不同位置、不同防滲墻深度的滲流總水頭等勢線分布和滲流流場跡線分布，確定了圍堰浸潤線及其下游逸出點的位置。

（2）隨著混凝土防滲墻深度的增加，圍堰滲流量在逐漸減少。但增加防滲墻深度，對減小圍堰滲流量的作用不大。因此，確定混凝土防滲墻的深度仍為17m。

（3）當(dāng)混凝土防滲墻深度為17m時，堰坡出逸段的出逸比降0.142，本工程計算下游出逸點比降最大值0.142，滿足允許水力比降的要求。

［1］袁帥，何蘊(yùn)龍，曹學(xué)興.非穩(wěn)定滲流對托巴土石圍堰上游坡穩(wěn)定性影響［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2012，45（2）：193-199.

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［3］黃茂松，賈蒼琴.考慮非飽和非穩(wěn)定滲流的土坡穩(wěn)定分析［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（2）：202-205.

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Numerical Simulation of the Upstream Cofferdam Seepage of a Water Conservancy Projects in Xinjiang

WU Zhan-ying
（Xinjiang Water Conservancy and Electricity Survey and Designing Institute，Urumqi 830000，China）

The upstream cofferdam two-dimensional planar seepage of a water conservancy project in Xinjiang is calculated and analyzed by using the geotechnical engineering simulation analysis software GeoStudio2007.The calculation results show that cofferdam seepage discharge is reduced by 2.28%when the depth of diaphragm wall increases from 17 to 20 meters.When the depth of diaphragm wall increases from 20 to 25 meters，cofferdam seepage discharge is reduced by 4.64%，the effect is not obvious that by means of increasing the depth of diaphragm wall to reduce the cofferdam seepage discharge.When the depth of diaphragm wall is 17 meters，the total seepage discharge of the cofferdam is 2.836 m3/s.Exit gradient of the cofferdam downstream is in the range of 0.115～0.142.It can provide a reference for cofferdam seepageprevention structure optimization design.

cofferdam;seepage discharge;hydraulic gradient;numerical simulation

TV641

B

1672-9900（2014）03-0013-04

2014-03-06

吳戰(zhàn)營（1986-），男（漢族），河南許昌人，助理工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作，（Tel）15899230414。