杨 帆，池苗苗
(塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000)
现代大坝有两种类型，即土石坝和混凝土坝。土石坝约占全世界大坝的85%。在选择土石坝类型时需要考虑几个因素，例如：地形、基础条件、环境影响、施工设施和社会经济研究。希尼尔水库位于新疆库尔勒市境内，以农业灌溉为主，兼顾下游生态输水、水力发电、水产养殖与旅游等功能，坝体为土工膜斜墙防渗碾压式土石坝。
多孔介质渗流基本定律被许多学者用于研究渗流和边坡稳定性失效问题[1-2]。孙文杰[3]使用ANSYS计算机程序中的热模式对土石坝中无固定自由面的情况进行了数值模拟。卢茜等[4]使用Geostudio软件计算了不同运行工况下通过的流量网和总体稳定时的边坡稳定系数。王开拓等[5]使用Geostudio软件研究了水平排水沟在水位快速下降过程对土石坝上游边坡的影响。王宁[6]为评估网格划分对结果精度的影响，对青海大寺沟土石坝的渗流分析进行了研究。齐晓华[7]研究了渗流和边坡稳定性组合对典型土石坝破坏和稳定性的影响。
本研究采用Geostudio软件模拟了希尼尔土石坝的渗流和稳定性分析。有限元法的基本概念是将问题区域划分为在其公共节点处连接的子域(有限元)，并在每个单元内近似定义场变量的未知函数。
潜水面渗流问题的解决需要对潜水面位置和有限元网格大小进行连续调整，直到达到水头H所需的收敛程度。在所有迭代方法中，通过对未知值进行初始猜测开始求解，然后,通过递推关系连续重复方程组的解来更新旧值，直到解在规定的误差范围内足够接近地收敛，从而获得解。
本研究采用GeoStudio模拟了希尼尔土石坝的渗流和稳定性分析。将该模型用于边坡稳定性分析的分区土石坝进行求解。用毕肖普方法对3例操作案例进行验证。在这种情况下，使用数学方程的解析解与GeoStudio软件的数值结果进行了比较。采用毕肖普法得出上游边坡的FS为2.253。
获得的结果汇总在表1中。结果显示了所有运行情况下上游和下游边坡的安全系数FS模拟。对于上游边坡，绝对平均误差AME约为0.16，平均绝对百分比差AAPD约为8.8%。对于下游边坡，AME约为0.075，而AAPD约为4.1%，对于所有操作情况，数学方程的解析解和模型分析数值结果都取得了良好的一致性。
表1 安全系数最小计算结果
希尼尔大坝右侧桥台上有一个不受控制的混凝土溢洪道，有三个出口工程，河流出口位于靠近大坝中心的路堤底部，东渠道出口靠近左坝肩，西渠道出口靠近右坝肩。大坝的横截面如图1所示，各区域的材料渗透系数如表2所示。1区是低渗透岩心，由选定的淤泥、砾石组成，压实在15 cm 的地层中。2区是坝壳材料区，由砾石、砂和鹅卵石组成，压实在20 cm厚的地层中。3区是坝基层，由冲积层(淤泥)组成，厚度为34 m。大坝上游边坡为1垂直至3水平方向倾斜，下游边坡为1垂直至2水平方向倾斜。表3给出了大坝的几何特性。
表2 希尼尔大坝的材料渗透系数
图1 希尼尔大坝横截面
2003年3月，希尼尔水库主体工程建成并开始初期蓄水。到2017年，大坝渗漏严重，下游坡局部坝段出现滑坡，侧溢洪道附近的堤坝约有一半出现渗漏，大约8027.8 m3的材料在路堤上被侵蚀，已通过出口降低水库水位采取紧急措施。坝脚附近多处曾出现管涌，经复核，正常蓄水位工况下坝后渗透压力大，下游坝坡出溢点高，下游坝坡及坝脚附近渗透稳定性不满足规范要求。特别是在径流量较大时，由于出口工程消力池受损，此时通过出口工程的水流受到限制，水库很快高出溢洪道顶部152.4 cm，仅比设计高程低61 cm。因此，基础层接缝灌浆工作决定着坝体性能。当通过坝体和基础层的渗流量增加时，坝基深层渗透屏障的使用起到了决定性作用。
3.1 大坝安全标准和规范
希尼尔大坝的几何特性如表3所示。可以看出，大坝的几何设计是可以接受的。
表3 希尼尔大坝原始断面与标准安全限值之间的比较
3.2 渗流分析
本文编制了GooStudio程序以模拟坝体及其坝基的渗流特性。节点数为1026，单元数为1938。图2显示了通过坝体的水头变化和流线。图3(a)显示了大坝下游通过坝体的孔隙水压力以及下游边坡附近危及下游边坡稳定性的水头等值线。图3(b)显示了通过坝体的平均流速(1.6014×10-4(m3/s)/m)。图4显示了水平和垂直水力梯度与距坝基距离之间的关系。可以看出，核心区水平水力坡降平均值为0.53，核心区垂直水力坡降平均值为0.52。大坝出口水平方向和垂直方向的水力坡降分别为0.40和0.30。很明显，坝体和坝基渗漏过多，坝体下游出现溃坝现象，属于渗流溃坝类型。
表4 希尼尔大坝的水力安全标准
图2 通过坝体的水头变化和流线
图3 通过坝体的潜水面和孔隙水压力与希尼尔大坝坝体的流速
3.3 故障预防方案
该大坝的破坏是由于渗流造成的，图5显示了防止坝体过度渗流的情况。图6(a)显示，混凝土地下连续墙有效降低了浸润线。此外，流线从大坝下游趾部发散，排水过滤器最大限度地减少了过度发达的孔隙水压力，从而确保下游边坡的稳定性。图6(b)显示了屏障后通过坝体的平均流速，最大值为7.4079×10-8(m3/s)/m。
图5 缓解方案的横截面
图6 通过坝体的水头变化与平均流速
(1)水位快速下降是坝坡失稳的关键条件。
(2)建议在远离下游边坡和流线的较低潜水面上设置黏土心墙或地下连续墙。
(3)建议使用排水设施、过滤器，以避免高孔隙水压力集中在下游边坡附近。
(4)希尼尔大坝坝基渗透量由1.6014×10-4(m3/s)/m 降至7.4079×10-8(m3/s)/m。
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