崔弘毅，周克发编 译

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京，210029）

基于3D渗透分析的现场渗透系数评估
——伊朗Doyraj大坝的案例分析

崔弘毅1，周克发2编 译

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京，210029）

Doyraj大坝是分区土石坝，坝高65 m，坝基为相对透水构造。选择截渗墙作为坝基防渗系统。为可靠估算坝基渗透系数，进行了现场渗透测试和3D渗透反分析。计算中考虑3个水平渗透系数和垂直渗透系数的比值。估算的坝基现场渗透系数还被应用于其他3D渗透分析中，以研究截渗墙延伸进坝肩长度对渗透量的影响情况。

渗透系数；评估；防水系统；3D渗透反分析

1 工程概况

Doyraj大坝是一个带心墙的分区土石坝，位于伊朗西南部的Ilam省，目前正在建设过程中。大坝坝高为65 m，坝顶长度约1 170 m。大坝坝基为巴赫蒂亚里组中相对较薄弱的砾岩。地质研究阶段试验灌浆的综合项目表明，灌浆不能对渗漏水形成很好的密封帷幕，最后选择截渗墙作为坝基防水的最合适的方式。在坝基透水的巴赫蒂亚里砾岩下面有相对不透水的拉巴里组，它由泥岩和粉砂岩融合而成。根据坝基防水系统的设计，塑性混凝土截渗墙应深入不透水的拉巴里组至少2 m。沿坝轴线的纵向地质剖面见图1所示。

在施工阶段，对大坝右坝肩内部截渗墙的几何尺寸和深度问题存在疑虑，另外几个疑问是关于巴赫蒂亚里组现场渗透系数的具体数值。因此，为了更好地明确坝基渗透系数的真实数值并解答疑问，决定在现场开展渗透测试。

图1 沿坝轴线的纵向地质剖面图Fig.1 Longitudinal geological section along dam axis

2 现场渗透测试

在坝基的巴赫蒂亚里组实施了两个现场渗透测试。测试采用的基本方法都是往一定尺寸的孔中以固定流量加入清水，在预先设定的一段时间内都将液面保持在固定的高程，最后通过对解析系统进行3D反分析计算现场渗透系数。

第一个测试在一个截渗墙开挖面上进行，其厚度为1 m，宽度为2.4 m，总深度（从导墙顶部）为38 m。注入开挖面的清水最大流量可达8.5 L/s，孔内水位升高了19 m。水流持续了72 h以克服坝基最初的不饱和状态并达到一基本稳定渗漏量。在这72 h中，孔内水位始终保持稳定。在第一个测试中，可用水流量不能完全填满测试孔，因此需要测试坝基的上部。

为对坝基上部进行测试，决定开挖一个比截渗墙开挖面测试孔直径稍小的井，以使所需的水量稍少。该井直径为0.8 m，总深度（从导墙顶部）为27 m。测试中增大了供水量，最大流量增大至12 L/s。井内水位上升了24.5 m，并且水流持续了72 h，井内水位保持稳定。

这两个渗透测试的示意图见图2所示。图中清楚显示出，两个测试中重叠段有8 m。由于截渗墙的操作要求，测试孔的上部4 m包括3 m的粘土和上端1 m的导墙。

图2 巴赫蒂亚里组中两个渗透测试的示意图Fig.2 Schematic view of two permeability tests in the Bakhtiari formation

3 3D渗透反分析

为评估巴赫蒂亚里组的渗透系数，用SEEP3D有限元编码来模拟这两个被解析的测试。分析中，研究人员精确地模拟了几何造型和边界条件，试验和误差处理过程中，材料（巴赫蒂亚里组）的渗透系数在发生变化，对流出孔外的总流量也进行了计算。这一过程持续到流出孔外的总流量（在一定的渗透系数下）等于注水流量。该系数被认为是现场测试介质渗透系数的平均值。

为评估结果对水平渗透系数与垂直渗透系数比率（Kx/Ky）的敏感度，分析中考虑了三个比率：1、10和100。

在与第一个测试相关的分析中，模型尺寸为80 m×80 m×23 m，中间有一1 m×2.4 m×22 m的测试孔。模型下半部分位于相对不透水的拉巴里组中，其渗透系数为1×10-5cm/s。测试孔内总水头为19m，对不同的渗透系数值进行了反复分析，计算了测试孔的总流出水量。最终，总流出量为8.5 L/s时的渗透系数被选为现场巴赫蒂亚里组的渗透系数值。这个过程是采用之前提及的3个Kx/Ky比值演算的。该模型和相关的有限元网格透视图分别见图3和图4。

图3 第一个测试模型的透视图Fig.3 Perspective view of the first test model

图4 第一个测试模型的有限元网格图Fig.4 Finite element mesh of the first test model

第二个测试中，模型尺寸为80 m×80 m×42 m，模型中间设置一口井。井深为24.5 m，在这个深度下，对15 m巴赫蒂亚里组进行建模。由于软件的局限，模型模拟中用一个尺寸为0.63 m×0.63 m的拥有相同内表面积的方形孔来替代直径为0.8 m的圆形井。模型的下半部位于拉巴里组中。井内部总水头为24.5 m，对不同的渗透系数值和3个不同的Kx/Ky比值进行了反复分析，如同第一个测试中说明的情况一样。第二个分析中，总出流量12 L/s为目标值。该模型的透视图见图5。

图5 第二个测试模型的透视图Fig.5 Perspective view of the second test model

第一个和第二个测试模型分析得出的总水头数值和浸润面（水位）分别见图6和图7所示。

图6 第一个测试模型的总水头数值和浸润面（Kx/Ky=1）Fig.6 Total head counters and phreatic surface for the first test model（Kx/Ky=1）

图7 第二个测试模型的总水头数值和浸润面（Kx/Ky=1）Fig.7 Total head counters and phreatic surface for the second test model（Kx/Ky=1）

根据上述分析，对3个不同的Kx/Ky比值（分别为1、10和100），巴赫蒂亚里组现场渗透系数的计算值结果见表1所示。

表1 巴赫蒂亚里组现场渗透系数的计算值结果表Table 1 Calculated values of in-situ permeability coefficient of Bakhtiari formation

基于分析结果，在第一个测试分析中，测试孔底端位于相对不透水的拉巴里组，因此，溢出测试孔的水流其主要流向为水平向，计算出的渗透系数和Kx/Ky的比值不相关。在第二个测试分析中，测试井底端仍在透水的巴赫蒂亚里组，拉巴里组在测试井底下15 m处，溢出水垂直流向是存在的，但主要流向仍为水平向渗透，因此，计算的渗透系数数值与Kx/Ky的比值相关性较小。

根据测试和反分析结果，同时考虑坝基地质条件的不确定性，认为巴赫蒂亚里组（在水平和垂直方向）的渗透系数为6×10-3cm/s，在其后坝基防渗系统的设计和分析中也使用的是该数值。

4 防渗系统的分析和设计

为减少大坝右坝肩的渗透，决定将截渗墙延伸进坝肩里。截渗墙延伸进坝肩的合理长度需要通过可靠的分析来获得。因此，通过SEEP 3D模型来模拟右坝肩的简化几何造型，并且，对截渗墙不同的延伸长度也进行了分析。

分析中共考虑过7个截渗墙延伸进坝肩的延伸长度，分别为0、150、250、350、450、550和650。在最初的设计中，截渗墙有一个向上游约60°的旋转值。分析中，巴赫蒂亚里组的渗透系数为6×10-3cm/s，截渗墙的渗透系数为5×10-7cm/s。模型和相关有限元网格透视图分别见图8和图9。

图8 右坝肩模型透视图Fig.8 A perspective view of the right abutment model

图9 右坝肩模型的有限元网格图Fig.9 Finite element mesh of the right abutment model

为简化问题，未对坝体进行建模模拟，并将正常蓄水位作为总水头作用在水库上游面上。

图10和图11分别为截渗墙延伸进右坝肩长度为150 m和650 m时，分析获得的总水头线。

图10 右坝肩模型中的总水头线（截渗墙延伸长度为150 m）Fig.10 Total head counters for the right abutment model（cut⁃off wall extension of 150 m）

图11 右坝肩模型中的总水头线（截渗墙延伸长度为650 m）Fig.11 Total head counters for the right abutment model（cut⁃off wall extension of 650 m）

根据这些分析结果，计算不同截渗墙延伸长度条件下的右坝肩总渗流量，结果见图12。

图12 不同截渗墙延伸长度条件下的右坝肩总渗透量变化曲线Fig.12 Variation of total flux from the right abutment against cutoff extension length

与预想一致，随着截渗墙延伸长度的增加，右坝肩的总渗透量逐渐减小。但是，随着截渗墙延伸长度的增加，其防渗效率在逐渐降低，因此，渗透量减少率即曲线斜率表现为前半段（截渗墙延伸长度为0～250 m）比后半段（截渗墙延伸长度为350～650 m）更大。比如，截渗墙延伸长度从0 m增加到100 m时，总渗透量减小了约20 L/s（从130 L/s减小到110L/s），但若要将渗透量从73L/s减小到53L/s，则需要将截渗墙延伸长度增加300 m（即350～650 m）。这就意味着，将截渗墙延伸进右坝肩的长度增加到非常大且接受由此带来的高成本并不能得到太多回报，即使从经济的角度看，截渗墙延伸长度非常大的方案也不合理。于是，考虑右坝肩总渗透量100 L/s为可接受数值，最终确定截渗墙延伸至右坝肩内的长度为150 m。

5 结语

通过进行现场渗透测试和3D渗透反分析，对坝基渗透系数值进行了可靠的评估。选定的坝基现场渗透系数后来被应用到右坝肩的另一系列3D渗透分析中，以得到最佳的截渗墙延伸长度。该研究的主要结论如下：

（1）为可靠估算相对透水组的渗透系数，进行现场测试并通过3D渗透反分析计算渗透系数值是合理的实施方式。

（2）水平渗透系数和垂直渗透系数的比值（Kx/Ky）对上面提及的反分析结果的影响取决于主要的渗透水流流向，并且在计算中必须考虑该比值的影响。

（3）为减少渗透，将截渗墙建入右坝肩，但随着截渗墙延伸长度的增加，其防渗效率逐渐减小，因此，从技术和经济的角度看，防渗设施（如截渗墙）都存在最佳延伸长度值。 ■

[1]Tabibnejad A R.Evaluation of in-situ permeability coeffi⁃cient using 3d seepage analysis,case study of Doyraj dam [C].Proceedings of ICOLD 2013 International Symposium. Seattle,Washington USA,2013.

Doyraj dam is a zoned embankment dam with a height of 65 m,laid on a relatively permeable formation.The selected type of foundation water tightening system is a cutoff wall.In order to make a re⁃liable estimation of the foundation permeability coefficient in-situ permeability tests has been per⁃formed in conjunction with 3D seepage back analysis.Three different ratios of horizontal to vertical per⁃meability coefficients have been considered in the calculations.The evaluated in-situ permeability coef⁃ficient of the foundation has been used in other 3D seepage analyses to study the effect of the extension length of the cutoff wall into the abutment on the amount of seepage.

permeability coefficient;evaluation;water tightening system;3D seepage back analysis

TV698.1

B

1671-1092（2014）02-0067-04

2014-02-12

崔弘毅（1983-），女，重庆人，助理工程师，主要从事大坝安全方面的研究。

Title:Evaluation of in-situ permeability coefficient using 3D seepage analysis,case study of Doyraj dam//by CUI Hong-yi and ZHOU Ke-fa//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Ad⁃ministration