周 亮

(吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000)

大河沿引水工程位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市高昌區(qū)大河沿鎮(zhèn)北部山區(qū)，大河沿河上游。擬建壩址距烏魯木齊120km，距吐魯番市60km，距大河沿鎮(zhèn)17km。工程主要由擋水大壩、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞組成，是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和重點(diǎn)工業(yè)供水任務(wù)的綜合性水利樞紐工程。

大河沿引水工程水庫(kù)總庫(kù)容3024萬(wàn)m3，為Ⅲ等中型工程，擋水建筑物采用瀝青混凝土心墻壩，最大壩高75.00m，大壩級(jí)別為2級(jí)，永久建筑物溢洪道、灌溉洞和泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞級(jí)別3級(jí)，邊坡級(jí)別為4級(jí)、公路等建筑物級(jí)別為4級(jí)。擋水建筑物土石壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇；消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。各永久建筑物合理使用年限為50年。

1 工程地質(zhì)條件

大河沿引水工程位于大河沿河中游河段的中低山峽谷區(qū)，山頂海拔高程在2200～3000m之間，峰巒迭嶂，多為圓頂山、豬背山，山勢(shì)較陡峻，沖溝發(fā)育，山體總體走向近南北向。

庫(kù)區(qū)河段為基本對(duì)稱(chēng)的“U”型河谷，河床寬度一般300～400m，最寬處約500m，河流坡降陡，平均坡降29.3‰，由北東流向南西，平均年逕流量約0.94×108m3/a，干流自三岔口由支流匯入后，四季水流不斷；三岔口以上支流與干流平時(shí)均為伏流，河床表面只有洪流通過(guò)，平時(shí)無(wú)明流。

河床砂卵石厚一般大于100m，兩岸山坡一般基巖裸露，沿河分布有Ⅰ～Ⅳ級(jí)堆積階地，其中Ⅰ～Ⅱ階地僅零星殘留，Ⅲ～Ⅳ級(jí)階地分布較連續(xù)。

庫(kù)區(qū)兩岸山體切割較劇，地形較零亂、單薄。庫(kù)首兩岸均為由上、下游沖溝切割的條形山脊。其中左岸條形山脊長(zhǎng)約4km，水庫(kù)正常蓄水位以下山體基巖厚度大于1km，分水嶺高程1710～1946m，高于水庫(kù)正常蓄水位95m以上；右岸條形山脊長(zhǎng)約5km，水庫(kù)正常蓄水位以下山體基巖厚度大于1.4km，分水嶺高程1715～1800m，高于水庫(kù)正常蓄水位約100m以上。

2 壩體滲流穩(wěn)定分析計(jì)算

對(duì)本工程全防滲墻防滲方案壩坡滲流和穩(wěn)定分析分別采用理正、GEO-STUDIO(SEEP/W)、CNPM3D(河海大學(xué)三維滲流分析軟件)三種軟件進(jìn)行分別計(jì)算對(duì)比，成果如下：

(1)理正滲流分析軟件.對(duì)上述3種封閉式垂直防滲方案進(jìn)行有限元滲流分析，各方案下準(zhǔn)流網(wǎng)如圖1—3所示，其滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 壩基170m封閉式防滲墻防滲工況下準(zhǔn)流網(wǎng)圖

圖2 壩基封閉式防滲墻防滲工況下位勢(shì)分布圖

圖3 壩基封閉式防滲墻防滲工況下滲透坡降等值線圖

方案防滲深度單寬滲漏量/推測(cè)水庫(kù)日均滲漏量占多年平均日徑流量比值下游出逸比降(允/m/(m3/d)(m3/d)/%許值0.1)理正1704.018000.65%0.018GEO1703.817100.62%0.021CNPM3D1506.2227991.01%0.045

(2)GEO-SEEP/W滲流軟件。SEEP/W是加拿大GEO-SLOPE公司巖土分析軟件GeoStudio下的一個(gè)滲流分析模塊。通過(guò)計(jì)算，各方案下位勢(shì)分布如圖4—6所示，滲透坡降等值線圖如圖7所示，各方案壩體和壩基各分區(qū)的最大滲透坡降見(jiàn)表1，其滲流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 三維有限元網(wǎng)格圖

圖5 防滲帷幕及防滲墻有限元網(wǎng)格圖

圖6 正常蓄水位工況地下水位等值線圖

方案工況壩體總滲漏量/(m3/t)瀝青混凝土全防滲墻1×10-827991×10-72911

(3)河海大學(xué)CNPM3D三維滲流軟件。CNPM3D計(jì)算程序是河海大學(xué)根據(jù)有限元計(jì)算原理、收斂準(zhǔn)則以及邊界條件的處理方法，用Visual C++開(kāi)發(fā)了三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元計(jì)算分析程序。該三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元計(jì)算分析程序是在原三維穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算分析程序NP3的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而來(lái)的。

經(jīng)過(guò)20多年的不斷完善和拓展，計(jì)算程序已能夠求解穩(wěn)定滲流問(wèn)題、非穩(wěn)定滲流問(wèn)題和飽和-非飽和滲流問(wèn)題，并可適用于巖體的等效連續(xù)介質(zhì)，增加了處理斷層、溶洞、排水孔(井)等結(jié)構(gòu)的功能，可以計(jì)算分析絕大多數(shù)復(fù)雜滲流場(chǎng)的工程滲流問(wèn)題。同時(shí)前后處理功能也逐步完善，開(kāi)發(fā)了一系列圖形接口、分析整理等前后處理軟件。20多年來(lái)，利用滲流分析軟件包，結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐，已完成了三峽、水布埡、拉西瓦、察汗烏蘇、斜卡、溪洛渡、糯扎渡、錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)、小灣、老虎嘴、羊曲、馬來(lái)西亞巴貢(Bakun)、巴基斯坦真納(Jinnah)、剛果英布魯(Imboulou)、粵贛高速公路高邊坡等60余個(gè)國(guó)內(nèi)外大中小型水利水電樞紐工程、交通工程的滲流計(jì)算分析任務(wù)，計(jì)算成果符合實(shí)際情況。

通過(guò)表1分析可知，3種軟件計(jì)算成果略有不同，但基本趨勢(shì)一致，下壩體和壩基各區(qū)滲透坡降均小于材料允許值，水庫(kù)滲漏量都在1%的允許范圍之內(nèi)。3種封閉式防滲方案均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 正常工況下剖面y=500.12m位勢(shì)分布圖

通過(guò)理正和GEO軟件計(jì)算對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)深度由150m調(diào)整到174m后，其單寬滲流量是減少的趨勢(shì)，通過(guò)分析其主要原因是由于防滲墻的滲透系數(shù)遠(yuǎn)低于基巖的滲透系數(shù)。

(4)在正常蓄水位工況下對(duì)推薦方案進(jìn)行覆蓋層滲透系數(shù)敏感性分析，分別考慮將覆蓋層滲透系數(shù)縮小10倍和放大10倍進(jìn)行敏感性分析。

覆蓋層滲透系數(shù)減小，其阻滲能力增強(qiáng)，覆蓋層滲透系數(shù)增大，其阻滲能力減弱。覆蓋層滲透系數(shù)較防滲墻滲透系數(shù)相差很大，壩體和壩基主要以瀝青心墻和防滲墻作為防滲系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算分析，覆蓋層滲透系數(shù)的變化，對(duì)面板、瀝青心墻及防滲墻的滲透坡降影響微小，對(duì)滲透流量的影響也很微小，可以忽略。

對(duì)瀝青心墻防滲方案，瀝青心墻按照1×10-7的滲透系數(shù)作敏感性分析

心墻滲透系數(shù)改為1×10-7cm/s時(shí)，和壩體材料相比依然很小，因此防滲效果仍然很好，通過(guò)壩體滲透流量很小，對(duì)總滲流量影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

軟件計(jì)算方法在解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題中的地位顯得越來(lái)越重要。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件數(shù)值模擬，在原有的滲流穩(wěn)定分析方法的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件數(shù)值模擬，能夠更精確的模擬出工程實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果。本文通過(guò)3種軟件對(duì)新疆吐魯番市大河沿引水工程壩體滲流穩(wěn)定分析計(jì)算成果對(duì)比，可優(yōu)化工程方案減少工程投資提供了理論依據(jù)。