阿尔塔什水利枢纽工程坝体三维渗流有限元计算分析

吴俊杰，马洪玉，袁 磊

(新疆水利水电勘测设计研究院中国，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

混凝土面板堆石坝因具有对地形地质条件适应性强、经济安全、施工快捷等诸多优点，日益受到水利工程建设者的青睐。随着大型施工机械以及科学管理方式被引入水利工程建设中，混凝土面板堆石坝无论在数量还是高度上屡有突破[1]。在取得成功及宝贵经验的同时，也出现了部分工程运行期发生坝体、坝基、山体及岸坡接触部位渗漏量较大等一系列问题[2]。水库蓄水后，水流绕过防渗系统、岸坡渗往下游，使坝体内部、两岸山体的浸润面上升，轻度的绕渗对坝体与山体影响不大，当防渗系统设计有缺陷或施工过程中出现质量缺陷，将导致更严重的绕坝渗漏，形成渗漏通道，造成两岸山体岩石软化，也有可能引起库岸坍塌、山体塌陷和滑坡、坝体出逸点管涌或流土，威胁坝体的安全运行，甚至造成人员伤亡[3- 7]。

根据规范要求[8- 9]，高山峡谷地区的高土石坝需要进行三维渗流分析计算，计算坝体内部浸润面与下游坝坡出逸点的具体位置、渗流量、出逸点与不同土层之间水力梯度及绕坝渗流情况。然而，以往的渗流计算分析常针对坝体、坝基最大剖面进行简单的二维渗流评价，无法考虑两岸山体以及坝体、坝基、两岸岸坡段整个防渗系统在各个水位下的渗流情况[10- 15]。一直以来，国内外专家学者通过众多方式来解决三维绕坝渗流计算分析问题，随着计算机仿真技术水平的不断提高，在水利工程中有限元数值分析方法得到了广泛应用。因此，目前在诸多方法中，使用最为快捷、成熟的分析办法是采用数值仿真分析法解决此类问题[16- 18]。

阿尔塔什水利枢纽工程有“新疆三峡”称号，工程建设将对南疆莎车县脱贫工作起到积极推进作用，水库安全运行显得十分重要。阿尔塔什混凝土面板堆石坝存在着 “三高一深”的设计难题，即最大坝高为164.8m，抗震设计烈度最高为Ⅸ度，坝体右岸高边坡为610m左右，河床坝基覆盖层为94m。以上工程难点在一个项目中出现的案例在国内、外也比较少见，这无形中加重了坝体防渗控制设计的难度[19]。

为了全面、完整地掌握大坝各分区渗流场状况[20- 21]，本文采用商用软件中的三维有限元渗流计算分析模块，求解阿尔塔什混凝土面板堆石坝、山体、坝基的渗流分析问题，评价本次渗控设计是否满足规范要求。

2 工程概况及渗控系统设计

2.1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆莎车县，承担灌溉、防洪、发电等综合任务，并且每年向塔里木河进行3.3亿m3的生态供水。工程为大(1)型Ⅰ等工程，水库总库容为22.40亿m3，正常蓄水位1820m，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高164.8m，装机总量为690MW，设计年发电量为22.65亿kW.h，控制灌溉土地面积为412.7万亩。阿尔塔什混凝土面板堆石坝坝体横剖面如图1所示。

图1 混凝土面板堆石坝标准横剖面图

2.2 坝址工程地质条件

坝址区河谷呈不对称宽“U”型，两岸基岩裸露，河谷底宽260～450m，正常蓄水位1820m时谷宽695m，两岸地形不对称。

左岸山体大部分基岩裸露，岩石为中硬岩。左岸岩层产状345°～355°SW∠70°～85°，走向与河谷基本正交，倾角陡。断层以中、陡倾角的F3和F16规模最大，破碎带宽0.5～2m，对坝肩边坡稳定无大的影响。左岸岩体透水率较大且极不均一，透水率q≤3Lu的下限埋深大于80m，透水率q≤5Lu的弱透水岩体垂直埋深一般为93～110m。

右岸山体基岩较宽厚，最高610m左右，坝肩有断层F9、F10出露，断层倾向岸里不影响右岸山体稳定性。山体基岩强风化层水平深度一般1～2m，弱风化层水平深度15～20m。基岩裂隙发育，并有微岩溶和古岩溶现象，古岩溶主要沿F9断层带分布，溶洞内充填粘土岩。岩体透水率较大，透水率q≤3Lu的下限埋深一般为75～120m，基岩透水率q≤5Lu下限埋深在45～105m左右。

F9断层破碎带宽1～5m，影响带宽20m左右，断层带岩体透水性较强，断层向下游尖灭，须加强断层带的防渗处理。

河床段的坝基地形较为平缓，覆盖层主要由砂卵砾石构成，厚度在50～94m左右，河床深槽位于河床中部偏右侧。

2.3 坝体防渗系统

2.3.1坝顶结构

本工程最顶端挡水结构采用“L”形防浪墙，混凝土标号为C25，抗冻等级为F200，抗渗等级为W6，墙顶高出坝顶1.2m。防浪墙顶高程1827.00m，为排除雨水，采用厚度0.2m混凝土路面，采用向下游坡度为2%单向倾斜。由于坝体沉降会使防浪墙与面板衔接处产生张拉或挤压变形，因此，在该处相接位置设沉降缝，此缝与面板分缝错开布置，每段12m，缝内设止水。

2.3.2坝料分区设计

为了保证大坝防渗系统在运行期的抗渗要求，依据坝址区材料的特性及储量，确保坝体在各个工况下安全运行及经济合理。按照规范要求设计大坝各个断面并进行分区，坝体分区为：1A区为铺盖、1B区为盖重、混凝土面板、2A区是垫层料、2B区是特殊垫层料、3A区是过渡料、3B区是砂砾料、3C区是爆破料、3D区是排水料。1B铺盖区顶高程1710.00m，顶部宽度5.0m，坡比为1∶2，1A盖重区顶高程与1B区一致，顶部宽度为10m，坡比为1∶2.5。2A垫层料区水平宽度为3m，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s，设计相对紧密度Dr≥0.9。3A过渡料区水平宽4m，过渡料采用C3料场筛除150mm以上颗粒的砂砾料，级配连续，填筑标准要求相对紧密度Dr≥0.9。3B砂砾料区位于过渡料区下游，填筑标准要求相对紧密度大于0.9。3C堆石料区位于砂砾料区下游，堆石料由P1、P2石料场爆破开采或采用枢纽开挖利用料，要求Dmax≤800mm。设计孔隙率取n≤19%。

2.3.3坝基处理设计

(1)河床深厚覆盖层防渗处理

坝基河床覆盖层Ⅰ岩组为含漂石砂卵砾石层，颗粒粗大，Ⅱ岩组为砂卵砾石层夹有多层缺细粒充填卵砾石(强渗层)，均属强透水层，渗透破坏形式以管涌为主。河床覆盖层下伏基岩为灰岩、白云质灰岩，岩体中属于Ⅴ级结构面的微裂隙发育，透水率q≤5Lu界线埋深为基岩面以下10～60m。坝基河床段覆盖层最深达到94m，且抗渗稳定性较差，因此在河床深覆盖层段即趾0+386.207m～趾0+688.575m(坝0+235.692m～坝0+543.546m)段设置一道宽1.2m的混凝土防渗墙防渗，截断河槽中的砂卵砾石，墙底深入基岩内0.5～1.2m。由于上部变形较大，防渗墙上部10m采用钢筋混凝土防渗墙。防渗墙墙后进行固结灌浆，灌浆深度10m，提高墙体的整体抵抗变形能力。

(2)混凝土趾板基础处理

左岸基岩强风化层厚2～3m，弱风化层厚16～22m。右岸趾板基岩强风化层厚2～3m，弱风化层厚15m。左、右岸岸坡坝段趾板基础置于弱风化层岩石上，对断层设置混凝土塞。

(3)基础灌浆

为了提高表层基岩的整体刚度性以及便于帷幕灌浆施工，对趾板地基进行固结灌浆，深度为8m。为了提高河床表层砂砾石的整体性，对河床趾板及连接板范围内的砂砾石层进行固结灌浆，深度10m。

由于3Lu线埋深较深，根据规范要求，坝基处帷幕灌浆的深度按照坝基透水率<5Lu或1/2坝高作为控制指标。左岸趾板帷幕深度为38～74m，右岸趾板下帷幕深度为44～82m。在坝顶两端设置廊道进行两岸的防渗帷幕灌浆，其中左坝端灌浆廊道长30m，灌浆深度再20～38m左右，右坝端廊道长38m，灌浆深度在20～42m左右。河床混凝土防渗墙段墙下各设1排帷幕灌浆，孔距2m，帷幕灌浆最大深度为69m，按5lu线控制。

(4)断层处理

左岸在高程1830m处有F3断层出露，与坡面走向近与平行，与趾板开挖剖面交角68°左右。该断层属张性断层，宽0.3～0.5m，上盘岩体较破碎，且有卸荷迹象，可能产生绕坝渗漏，应加强断层带的处理，以防渗透破坏。高程1772m处有F16断层出露，产状为78°SE∠63°，规模较小，加强灌浆处理即可。

右岸高程1710m和1830m处分别分布有F7和F9断层，断层破碎带宽1～5m，主要以角砾岩，胶结的糜棱岩为主。目前国内外对较宽的断层处理基本上还是以置换和封闭为主，对断层核部进行混凝土洞塞进行置换，采用的混凝土洞塞封闭深度为1.5m，高度为断层核部的高度为2m，边壁设置2根4.5m长、直径25mm、间距1.5m砂浆锚杆，断层影响带范围进行10m深度的固结灌浆处理，范围为坝轴线至上游280m。

右岸出露的F10断层，规模不大，破碎带宽0.3～0.5m，断层与岸坡近于平行，倾向岸里，对断层带采用开挖后回填混凝土及加强灌浆处理。

在趾板基础出露的辉绿岩脉其风化破碎呈碎块状，不能满足趾板基础要求，须开挖回填混凝土及进行灌浆处理。

3 坝体绕坝渗流三维有限元分析

3.1 有限元计算模型及网格剖分

根据阿尔塔什水利枢纽工程坝址地质、水工及水文地质资料，建立完整防渗系统的三维有限元模型，如图2—3所示。模型以坝轴线为中心，向上、下游及两岸延伸超过2～3倍坝高，并考虑到上、下游地形特点，向上游延伸超过1500m，向下游超过1200m，向左、右岸延伸最少300m。模型向上取至坝顶防浪墙顶高程1827.00m，底部高程为1451.00m，覆盖层最大厚度为94m。模型中包含强风化、弱风化及微新鲜岩体，河床覆盖层，各分区坝体及由防浪墙、面板、趾板、连接板、防渗墙、固结灌浆、帷幕灌浆组成的防渗系统。模型X-轴指向右岸，Y-轴指向下游，Z-轴垂直向上。

图2 三维有限元整体模型图

根据以上三维模型进行网格划分，采用四面体等参单元，有限元网格共有单元890226个。

3.2 渗流计算理论

当不考虑液体与土质材料的压缩性时，三维各向异性非均质介质的稳定渗流方程如下式：

422 Senescence-associated secretory phenotype and its complex regulation networks: a review of molecular mechanisms

(1)

在三维渗流场的计算分析过程中，主要采用以下三种边界条件：

(1)初始条件给定，给定水头：H=H0。

(2)不透水边界条件Γ2：∂H/∂n=0。

(3)出渗面Γ3：H(x，y，z)=Z(x，y)， ∂H/∂n>0

式中，n—边界外法线方向，

3.3 计算参数

本次计算的各种材料渗透系数为施工图纸阶段的现场试验参数，具体见表1。

表1 材料参数表

3.4 计算工况

通过三维绕坝渗流计算可以更全面、更完整地了解并掌握大坝各分区渗流场状况，评价防渗系统是否满足设计要求。本次计算采用以下3种工况：

(1)工况1，正常蓄水位(1820.00m)与相应下游尾水位(1661.00m)。

(2)工况2，设计洪水位(1821.75m)与相应下游尾水位(1669.80m)。

(3)工况3，校核洪水位(1823.69m)与相应下游尾水位(1670.22m)。

3.5 三维渗流计算成果

通过三维有限元渗流计算成果可知，正常蓄水位时坝体、两岸、坝基总的渗漏量是0.553m3/s，其中左岸绕坝渗漏量为0.141m3/s，河床段和混凝土面板总的渗流量为0.273m3/s，右岸绕坝渗漏量为0.139m3/s，两坝肩渗漏量很小，绕坝渗流并不明显。渗流过面板的水在经垫层料区、砂砾料、堆石区至排水料时，水位降至1661.00m，覆盖层最大水力比降为0.072，坝体溢出点最大水力比降0.068，其余各填筑分区水力比降均小于破坏水力比降0.1，表明坝壳料、排水料、覆盖层没有出现渗透破坏。渗流场的分布规律比较合理，水头等值线在趾板、连接板、混凝土面板、混凝土防渗墙、固结灌浆、帷幕灌浆等防渗系统内部非常密集，并且在混凝土面板迎水面与背水面水位差最大，可见设计的防渗系基本承担了上游水头，防渗效果明显。各个工况计算结果见表2。由于设计洪水位、校核洪水位情况下的计算结果与正常蓄水位基本一致，这里只列出正常蓄水位工况下的主要计算成果，如图4—7所示。

图3 最大剖面典型剖面图及防渗系统几何模型

表2 三维绕坝渗流各个工况计算成果表

图4 正常蓄水位时坝体最大剖面孔隙压力等值线图(单位：m)

图5 正常蓄水位时孔隙压力等值线图及压力水头等值线分布图(单位：m)

图6 正常蓄水位对应高程1687.20剖面绕坝渗流等值线云图(单位：m)

4 结论

(1)本文采用某商用软件中的稳态渗流模块计算分析了阿尔塔什水利枢纽工程面板堆石坝坝体、山体、坝基三维绕坝渗流情况。计算结果表明：正常蓄水位、设计水位、校核水位的防渗系统孔隙压力等值线、水头等值线及流速矢量场的分布规律基本合理，水头等值线在防渗系统等处较为密集，水流在通过防渗系统后上游水头明显折减，最大水头为159m左右，坝体、山体、坝基整体最大渗漏量占径流量的0.776%，表明大坝设计的防渗系统正常发挥了作用，防渗效果明显，面板对坝体渗流场起到控制作用。在经垫层料区、砂砾料堆石区至排水料后水力比降0.031，各填筑分区水力比降均小于允许水力比降，表明灌浆帷幕伸入两岸的长度符合规范要求。可见当满足设计要求的渗控标准后，上述三个工况下对应的计算成果无明显渗漏及绕坝渗流现象。

图7 正常蓄水位面板迎水面、背水面渗流场压力水头等值线

(2)与传统二维渗流计算相比，三维有限元法计算可以更直观、更全面、更详细地评价坝体、坝基、岸边绕坝渗流，为今后坝体渗控设计提供借鉴。