西藏某水庫工程二維滲透穩(wěn)定性分析研究

李冰妮 白興鋒 劉立鵬

(1.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000； 2.中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所，北京 100000)

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西藏某水庫工程二維滲透穩(wěn)定性分析研究

李冰妮1白興鋒1劉立鵬2

(1.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000； 2.中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所，北京 100000)

以西藏某水庫工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩為研究對象，利用Geostudio軟件中SEEP/W模塊，對不同水位情況下二維滲流場及滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，同時對不同灌漿帷幕深度下，整個滲流場及滲透破壞可能性進(jìn)行了對比研究，研究結(jié)果表明，目前的滲控設(shè)置是合理的，減小灌漿帷幕深度、滲漏量加大的同時，具有較高滲透破壞可能性。

水庫，滲透穩(wěn)定，滲流量，灌漿帷幕

0 引言

西藏某水庫位于西藏山南地區(qū)乃東縣索珠鄉(xiāng)境內(nèi)雅魯藏布江左岸一級支流旺曲上游丁拉溝，壩址處地理坐標(biāo)為東經(jīng)91°52′36″，北緯29°30′25″，距山南地區(qū)澤當(dāng)鎮(zhèn)41.0 km，距拉薩市186 km。攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程4 179.35 m，防浪墻頂高程4 180.55 m，壩頂寬8 m，最大壩高67.6 m，壩頂長度365.0 m。滲控措施由瀝青混凝土心墻、防滲墻及灌漿帷幕組成。作為土石壩中最重要的組成部分，其防滲效果一直是工程建設(shè)方關(guān)心重點(diǎn)，專家學(xué)者對土石壩的防滲效果從各自不同角度開展了研究[1-5]。鮑呈蒼利用Geostudio軟件中SEEP/W模塊對一些BL壩進(jìn)行滲流分析，得到了大壩浸潤線位置、等勢線滲透坡降等[6]。居鋒采用河海大學(xué)的AutoBank軟件，對某一水庫土石壩進(jìn)行了滲流分析[7]。徐毅等人利用有限元法對無限深透水地基上的土石壩模型進(jìn)行理論計算[8]。

文中利用Geostudio軟件中SEEP/W模塊，對西藏某水利工程大壩滲流場進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并對灌漿層深度進(jìn)行了敏感性分析，研究結(jié)果可為工程設(shè)計提供一定的借鑒和參考。

1 基本原理

1856年法國工程師H.Darcy在裝滿砂的圓筒中進(jìn)行滲透實(shí)驗。從實(shí)驗中得通過該截面的滲流量Q(單位時間的水體積)與橫截面面積A及水頭差(H1-H2)成正比，與滲透路徑成反比，可由式(1)表示：

(1)

其中，Q為滲流量；L為流經(jīng)路徑長度的水頭損失；k為比例系數(shù)，也稱滲透系數(shù)；H1，H2分別為兩點(diǎn)的水頭。

兩邊同時除以橫截面面積A，公式變?yōu)椋?/p>

(2)

其中，v為斷面A上平均滲透速度；J為水力坡度，即流經(jīng)路徑長度L的水頭損失。

考慮二維平面穩(wěn)定滲流情況，并假定流體是不可壓縮的，滲透系數(shù)各向同性，即kx=ky=k，滲流過程中土壤的孔隙保持不變，則有：

(3)

其中，H為滲透水頭。

2 計算工況及模型建立情況

2.1 計算工況

計算工況如表1所示，其中，正常蓄水位為4 176.65 m，設(shè)計洪水位4 177.84 m，校核洪水位4 178.22 m，死水位4 119.67 m。

表1 計算工況

2.2 模型建立

二維滲流分析計算中，計算模型采用最大截面位置，即樁號壩0+100位置剖面，所建立模型如圖1所示。

坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)的方向規(guī)定：以順河向為x軸，其中指向下游為正；豎直向為y軸，向上為正?？紤]到模型邊界的影響，模型左右邊界及下邊界均進(jìn)行了一定的延伸，其中模型x方向長約2 000 m，y方向高約250 m，將該區(qū)域進(jìn)行有限元單元離散，共劃分22 420個單元，節(jié)點(diǎn)21 987個。

2.3 滲透系數(shù)

各層滲透系數(shù)如表2所示，其中臨界滲透比降為0.10。

表2 地層滲透系數(shù) m/s

3 計算結(jié)果分析

3.1 工況1

工況1下滲流場分布特征如圖2所示。

由圖2可知，采用綜合滲控措施后，水頭降低明顯，即該措施對于該水庫滲流場的有效控制作用較為明顯。浸潤線子瀝青混凝土心墻發(fā)生Z字型轉(zhuǎn)折，壩后心墻后基本無滲流路徑存在。此時單寬滲流量為1.53×10-5m3/(m·s)，占壩址處多年平均徑流量0.46%，滿足設(shè)計要求。壩基部位滲透比降變化如圖3所示。

由圖3可知，壩基下游最大滲透比降遠(yuǎn)低于0.10，壩基處發(fā)生滲流破壞可能性較低。

3.2 工況2

水庫設(shè)計中擬采用的滲控措施為：瀝青混凝土心墻+防滲墻以及灌漿層，對于工況2，則主要是取消花崗巖地層中灌漿帷幕，主要分三種情況，即：1)取消5 Lu線與弱透水層間灌漿帷幕；2)取消5 Lu線至強(qiáng)透水層間灌漿帷幕；3)取消5 Lu線至第四紀(jì)地層間灌漿帷幕，其中工況2中取消5 Lu線與弱透水層間灌漿帷幕時滲流場分布特征如圖4所示。

由圖4可知，這一工況下，取消5 Lu線與弱透水層間灌漿帷幕，由于滲流路徑相比較工況1減短，相應(yīng)總水頭值位置發(fā)生一定變化，此時單寬滲流量為3.10×10-5m3/(m·s)，占壩址處多年平均徑流量0.95%，不存在滲透破壞可能性。取消5 Lu線至強(qiáng)透水層間灌漿帷幕時，單寬滲流量為9.86×10-5m3/(m·s)，占壩址處多年平均徑流量3.01%，壩基發(fā)生滲流破壞可能性較低。取消5 Lu線至第四紀(jì)地層間灌漿帷幕時，單寬滲流量為2.63×10-3m3/(m·s)，占壩址處多年平均徑流量80.3%。

其中取消5 Lu線至第四紀(jì)地層間灌漿帷幕時，壩基滲流比降變化情況如圖5所示。

由圖5可知，取消5 Lu線至第四紀(jì)地層間灌漿帷幕時，壩基下游監(jiān)測線中一半點(diǎn)處滲透比降均不小于臨界0.10滲透比降，壩基具有較大的滲流破壞可能性。

3.3 工況3

工況3是指上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位情況，此時滲流場分布特征如圖6所示。

由總水頭分布可以得知，對于這一工況總水頭分布與工況1，即正常蓄水位時宏觀分布相近。此時單寬滲流量為1.57×10-5m3/(m·s)，占壩址處多年平均徑流量的0.48%，滿足設(shè)計要求。壩基發(fā)生滲流破壞可能性較低。

4 結(jié)語

采用Geostudio軟件中SEEP/W軟件對西藏某水利水庫工程大壩區(qū)域三中不同工況下二維滲流場進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，采用現(xiàn)有的滲控措施，在不同水位下均具有很好的防滲效果，大壩滲流量及滲透比降均符合設(shè)計要求，如果減小灌漿帷幕深度，則滲流量較大的同時，壩基下游具有較大的滲透破壞可能性。

[1] 毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[2] 劉 杰,謝定松.我國土石壩滲流控制理論發(fā)展現(xiàn)狀[J].巖土工程學(xué)報,2011,33(5):714-718.

[3] 涂揚(yáng)舉,王文濤,薛新華.瀑布溝高心墻土石壩滲流分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2013(5):77-82.

[4] 劉曉慶,肖大偉.排滲系統(tǒng)對土石壩滲流的影響[J].甘肅水利水電技術(shù),2013,49(6):10-13.

[5] 倪沙沙,張小飛.庫水位升降對那板心墻土石壩滲流場及壩坡穩(wěn)定性的影響[J].水電能源科學(xué),2016,34(3):84-87.

[6] 鮑呈蒼.基于SEEP/W分析土石壩滲流穩(wěn)定[J].中國水運(yùn),2011,11(6):147-149.

[7] 居 鋒.實(shí)例分析Autobank在小型水庫土石壩滲流穩(wěn)定計算中的運(yùn)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2015,21(11):115-118.

[8] 徐 毅,侍克斌,毛海濤.懸掛式微透水防滲墻的土石壩滲流計算[J].水資源與水工程學(xué)報,2014,25(4):138-141.The analysis and research of two-dimensional seepage stability of a reservoir project in Tibet

Li Bingni1Bai Xingfeng1Liu Lipeng2

(1.TibetHydropowerPlanningandDesignInstitute,Lhasa850000,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100000,China)

Using the SEEP/W module of Geostudio, the two-dimensional seepage stability of a reservoir project in Tibet with rolled asphalt concrete core wall dam were studied under different water levels. The flow field and possibility of seepage with different grout curtain depth was analyzed also. The results show that the current settings are reasonable seepage control, reducing the depth of grout curtain, at the same time increase the amount of leakage, has a high possibility of infiltration and sabotage.

reservoir, seepage stability, seepage flow, grout curtain

1009-6825(2016)18-0221-03

2016-04-17

李冰妮(1983- )，女，助理工程師； 白興鋒(1978- )，男，工程師； 劉立鵬(1983- )，男，高級工程師

TV221

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