高土石壩滲流參數(shù)敏感性分析

盧 薇 ，王 娟 ，劉曉慶

（1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.上?？睖y設計研究院，上海 200434；3.西華大學能源與環(huán)境學院，四川 成都 610039）

1 工程概況

某水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)大渡河上游東源（主源）足木足河,與西源（次源）綽斯甲河匯合口以下1～6 km河段，壩址上距馬爾康縣城約45 km，下距金川縣城約43 km，經(jīng)馬爾康至成都的公路距離約400 km，有國道G317線、省道S211線通達。

該水電站是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫，是大渡河流域水電梯級開發(fā)的關(guān)鍵性工程之一。壩址處控制流域面積39330 km2，年徑流量166億m3，多年平均流量527 m3/s。壩址區(qū)河谷屬高山深切曲流河谷，兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻；出露地層巖性主要為∶燕山早期木足渡似斑狀黑云鉀長花崗巖和晚期可爾因二云二長花崗巖；河床覆蓋層深厚（最厚約67.8 m）；壩址區(qū)無區(qū)域性斷裂切割。電站水庫正常蓄水位2500 m，對應庫容約27.32億m3，具有年調(diào)節(jié)能力，電站裝機容量2000 MW，年發(fā)電量81.28億kW·h，設計枯水年枯期平均出力48.6萬kW。土質(zhì)心墻堆石壩最大壩高約312 m，樞紐最大泄洪流量約8000 m3/s。

攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2508.00 m，壩頂長度約642 m。河床部位心墻底高程2202.00 m，最大壩高312 m（含6 m厚基座），壩頂寬度16.00 m。上游壩坡為1∶2.0，下游壩坡1∶1.90。心墻頂高程2508.00 m，寬4.00 m，與防浪墻進行可靠連接，并高于最高靜水位（2504.51 m）；心墻上、下游坡初選均為1∶0.2，心墻底部與新鮮基巖相連，最大斷面心墻底高程2202.00 m，順河向?qū)挾葹?28.00 m。

2 有限元模型的建立

計算模型所選剖面為大壩的最大橫剖面，如圖1所示，計算模型包括上下游堆石體、上下游過濾層、上下游反慮層、心墻、上下游覆蓋層9個材料區(qū)，計算模型坐標分別為X軸順河指向下游為正，Y軸沿壩高鉛直向上為正，計算選取范圍分別為：水平方向自距上游壩坡300 m處至距下游壩坡300 m處，鉛直方向自壩頂至基巖面；邊界條件：上下游坡面為水頭邊界，AB，CD為默認不透水邊界，BC為基巖不透水邊界；其剖分為8334個節(jié)點，9648個單元。

2.1 計算參數(shù)

水庫特征水位：正常蓄水位為304 m，死水位為224 m，下游水位55.21 m，壩體材料參數(shù)見表1。

2.2 計算工況的選取

在正常蓄水位下，固定上下游水位，采用飽和與非飽和的方法，考慮材料滲透系數(shù)的各向異性來進行滲流分析，工況組合如下：

工況 1：Kx=Ky

工況 2：Kx=2Ky

工況 3：Kx=3Ky

工況 4：Kx=4Ky

工況 5：Kx=5Ky

表1 壩體材料參數(shù)表

3 滲流計算結(jié)果分析

以Kx=Ky（工況 1）的為代表，如圖1、圖 2表示了飽和與非飽和滲流計算浸潤線、流速矢量圖。

圖1 （Kx=Ky）非飽和滲流計算的浸潤線、流速矢量圖

圖2 （Kx=Ky）飽和滲流計算的浸潤線、流速矢量圖

由圖1和圖2的對比，在考慮非飽和區(qū)的穩(wěn)定滲流場中，浸潤線（零壓線）附近的飽和區(qū)的滲流水，會穿過浸潤線而進入非飽和區(qū)，而在只考慮飽和區(qū)的穩(wěn)定滲流分析中，通常將浸潤線當作滲流場最上部的一根流線，沿著此線沒有流量的流入和流出。

在考慮飽和與非飽和兩種計算方法的情況下，對所得的等壓線分布圖（圖略）進行比較可見，由于心墻和上游壩殼的滲透系數(shù)相差較大，水頭相當于直接作用在心墻上，心墻上游的等壓線幾乎呈水平線分布。在非飽和穩(wěn)定滲流中，由于非飽和區(qū)的存在，心墻下游壩殼也存在水壓，等壓線分布于整個壩體，增加水平方向的滲透系數(shù)，更多的水流向下游壩殼，負壓區(qū)逐漸減小,負等壓線向下游推移。而飽和穩(wěn)定滲流中，由于無水流入非飽和區(qū)，心墻下游壩殼部分無等壓線分布，隨著水平滲透系數(shù)的增加，整個壩體的等壓線分布無明顯變化。

此外，表2顯示了不同計算工況時單寬滲流量、逸出點Y坐標、逸出坡降。

從表2可以看出，不考慮非飽和區(qū)影響，Kx=Ky時，單寬流量、心墻下游溢出點坐標、逸出點坡降分別為 3.1912 m3/d、56.214 m、1.428，隨著水平滲透系數(shù)的增加，當Kx=5Ky時，滲流量為17.613 m3/d，增大較明顯，心墻下游邊坡逸出點略有增大，為57.179 m，浸潤線有所抬升；逸出坡降略有減小，為1.271。當考慮非飽和區(qū)的影響時，在各個對應工況下，其單寬流量、逸出點高程大于不考慮非飽和區(qū)影響時的值，滲透坡降小于不考慮非飽和區(qū)影響時的值，說明材料的各向異性在考慮非飽和區(qū)影響的條件下對單寬流量影響較大。

表2 不同工況時單寬滲流量、逸出點Y坐標、逸出坡降對照表

4 結(jié)語

1）考慮非飽和區(qū)的影響和不考慮非飽和區(qū)影響，采用兩種方法計算所得等壓線分布分布存在較大差異，由于非飽和區(qū)的存在，流水會穿過浸潤線而進入非飽和區(qū)，下游壩殼區(qū)域也存在滲流。前者計算出的單寬流量、心墻下游坡逸出高程比后者大，而坡降小于后者，而實際工程中土體都存在非飽和區(qū)，所以用非飽和理論來進行滲流分析計算更為貼近工程實際。

2）考慮滲透參數(shù)的各向異性進行滲流分析，隨著水平滲透系數(shù)的增加，滲透坡降變化不大，均在允許坡降范圍內(nèi)。單寬流量增大較明顯，對其影響較大，這需要根據(jù)興利的要求來選取排水設施，同時也應做好防滲措施。實際工程中，存在著土體不均勻性、材料各向異性的特點，所以對材料滲透參數(shù)的各向異性來進行滲流分析較為合理。