复合土工膜防渗体系下的希尼尔水库大坝渗流分析

魏 光 辉（新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒 841000）



复合土工膜防渗体系下的希尼尔水库大坝渗流分析

魏 光 辉
（新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒 841000）

摘 要：渗流监测是水库大坝安全监测的一项重要内容，其结果对于指导大坝的安全运行具有重要意义。本文以希尼尔水库主坝复合土工膜坝基防渗段为例，对典型断面2＋600、3＋125与3＋575进行渗流性态分析，结果表明：主坝2＋600断面坝基在高库水位时渗压水位较低、渗透压力较小，坝基渗流位势较小、变化正常，水平向渗透坡降小于允许值；主坝3＋125断面坝基透水性较强，坝基与坝体复合土工膜防渗体系防渗效果不佳，应加强渗流观测；主坝3＋575断面坝基及坝体渗流位势变化基本正常，坝体砂砾石渗透坡降小于允许值，坝基透水性较强，在高库水运行期坝基渗压水位高、渗透压力较大，研究结果为指导水库的安全运行提供了重要参考。

关键词：土石坝；安全监测；复合土工膜；渗流分析；希尼尔水库

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆库尔勒市西尼尔镇境内，地理坐标为86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N。该水库为《孔雀河流域规划报告》中确定的骨干调蓄工程，同时也是塔里木河流域近期综合治理工程中实现从孔雀河向塔里木河下游输水的重要调蓄工程。水库是从孔雀河第一分水枢纽引水，经库塔干渠输水进入水库的中型平原水库［1］，总库容为9 800 万m3。水库工程主要包括大坝、引水闸、引水渠、放水闸、放水渠、坝后排水护坡及附属设施等。大坝全长7．65 km，最大坝高20 m，坝体防渗采取斜铺复合膜（两布一膜）结构，其中膜厚0．75 mm，无纺布规格为200 g／m2；坝基防渗，根据地质情况的不同，分别采取PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩防渗墙三种不同形式。

本文以主坝2＋600、3＋125与3＋575这3处典型断面为例，对坝基采用复合土工膜明槽防渗下的水库坝体、坝基渗流情况进行分析，取得了一些有价值的成果。

2 复合土工膜防渗体系设计与渗流反演分析

2．1 坝体、坝基防渗设计

大坝坝体防渗采用斜铺复合土工膜（两布一膜，其中PE膜厚度0．75 mm，无纺织布规格为200 g／ m2）。坝基防渗采用垂直防渗与水平防渗相结合的型式，坝基防渗墙与坝体防渗复合土工膜之间设水平铺盖段坝基防渗结构，即铺设与坝体防渗复合土工膜规格及连接方式相同的复合土工膜（两布一膜结构），与坝体防渗复合土工膜、坝基垂直防渗墙共同组成一道封闭的整体防渗体系。

坝基复合土工膜垂直防渗墙长度4 350 m（桩号0＋000～4＋350），坝基垂直防渗墙开挖深度3．5～14．5 m不等，槽底设计高程以上4 m为垂直开挖，底宽1．5 m，4 m以上按照底宽5．0 m，边坡1∶0．4的梯形槽开挖。开槽按设计标准完成后，经检查确认达到弱透水层或相对不透水层时，进行垂直防渗膜铺设。

2．2 渗流反演计算断面

计算时，假定坝基防渗墙、坝体防渗复合土工膜在运行过程中均未出现防渗明显失效部位；结合防渗形式和地勘情况以及渗流观测资料分析，选取能够代表大坝复合土工膜防渗体系渗流性态的3＋575断面（坝基PE复合土工膜明槽防渗墙）作为渗流有限元计算断面。

2．3 初始反演参数选取

3＋575断面渗透系数初始值根据工程地质条件及施工检测资料确定［2］（见表1、图1）。

2．4 渗流反演分析结果

以3＋575断面测压管水位进行反演计算。反演计算库水位取2011年2月16日～2011年3月4日期间的平均值912．16 m，测压管水位同取该时段的平均值。渗流计算采用南京水科院二维渗流有限元数值模拟计算程序UNSST2，计算方法和详细推导参见文献［3］。将表1中的初始渗透系数和库水位912．16 m时测压管实测水位作为参照标准，逐步调整渗透系数的反演计算值，直至计算值与实测值比较接近为止，有限元计算网格计剖分结点1 228个，单元1 936个。经渗流反演计算调整后的渗透系数见表1。有限元法计算值与实测水位值对比结果见表2、渗透有限元计算流网见图2。

表1 大坝渗流场各区渗透系数初始值

表2 有限元法计算值与实测值对比

由表2可知，反演计算值与坝体、坝基水位实测值基本吻合。

3 大坝典型断面渗流分析

3．1 主坝2＋600断面

该断面埋设有6支测压管，分别为位于坝轴线上游2．51 m处的UP9、UP10，位于坝轴线下游10．07 m处的UP11、UP12，以及27．75 m、46．77 m处的UP13、UP14；埋设高程分别为900．80 m、905．10 m、901．12 m、905．42 m、899．60 m、898．20 m（仪器布设情况见图3）。由于该断面位于主坝第三系台地，坝后地面高程较高，下游坝脚排水沟底实测高程为904．99 m，运行期间沟内未见渗水或积水，坝基渗流表现为潜流，因此，计算渗流位势采用坝轴线下游侧坝基UP13测压管水位测值作为下游水位。断面测压管水位过程线与渗流位势过程线见图4、5。

该断面坝基采用防渗深度约12．7 m的PE复合土工膜明槽防渗墙，明槽防渗墙底板坐落在厚约3．7 m、透水率约5～10 Lu第三系砂岩层上，砂岩层以下为第三系泥岩。

由图4与图5可知：

（1）坝基UP9、UP11、UP13和UP14这4支测压管水位受库水位变化的影响较明显，与库水位相关性较好。但该四支测压管水位均较低，位于坝轴线上游2．51 m处UP9以及位于坝轴线下游10．07 m 处UP11两测点的渗流位势变化正常，运行过程中未见明显异常现象。

（2）坝基UP9、UP11、UP13和UP14这4支测压管水位较接近，随着坝轴距的增加，管水位削减幅度很小。在库水位911．00 m及912．26 m时，据UP11、UP13两支测压管水位测值计算得到该两个测点坝基水平向渗透坡降均不超过0．06（见表3）。该断面清基后的坝基表层为遇水后呈散砂状的第三系含砾砂岩，临界坡降Jcr＝1．069；考虑到该断面所处坝段的重要性，坝基岩土体的允许渗透坡降J允许可以临界渗透坡降除以3．0的安全系数，计算得0．356。可见，在库水位911．00 m及912．26 m时，坝基水平渗透坡降均小于允许值，满足规范要求。

3．2 主坝3＋125断面

该断面埋设有5支测压管，分别为位于坝轴线上游1．61 m处的UP15、UP16，位于坝轴线下游9．72 m处的UP17、UP18，以及25．45 m处的UP19；埋设高程分别为895．25 m、905．25 m、896．34 m、905．54 m、894．80 m（仪器布设情况见图6）。3＋125断面测压管水位过程线与渗流位势过程分别见图7、8。

该断面坝基采用防渗深度约5．8 m的PE复合土工膜明槽防渗墙，明槽防渗墙底板坐落在厚约6．4 m、透水率约5～10Lu第三系砂岩层上，砂岩层以下为厚约2 m的第三系泥岩。

图4 2＋600断面测压管水位过程线（坝基）

图5 2＋600断面测压管水位过程线（坝体）

表3 坝基UP9、UP11、UP13测压管水位、渗流位势及水平渗透坡降

由图7、8可知：

（1）坝基UP15、UP17、UP19这3支测压管水位受库水位变化的影响较明显，与库水位相关性较好。在高库水位912．26 m时坝轴线上游侧的坝基UP15、UP17两支测压管水位高于设置在建基面以上的坝体横向排水体顶高程，已超过设计要求，反映该断面坝基土存在渗水现象。坝基、坝体渗流位势均趋向平稳。目前，在库水位911．00 m左右及912．26 m时，坝轴线上游侧1．61 m处的坝基UP15测点渗流位势在28%～36．5%之间，位于坝轴线下游侧9．72 m、25．45 m处的坝基UP17、UP19两测点渗流位势分别在24%～30．5%、21．5%～28%之间（见表4）。可见，坝基透水性较强、渗透压力较大。

图6 3＋125断面仪器布设及库水位912．26 m坝基渗压水位线

图7 3＋125断面测压管水位过程线（坝基）

图8 3＋125断面测压管水位过程线（坝体）

表4 坝基UP15、UP17、UP19测压管水位、渗流位势及水平渗透坡降

（2）坝基UP15、UP17、UP19这3支测压管水位较接近，随着坝轴距的增加，该三支测压管水位削减幅度较小。在库水位911．00 m及912．26 m时，据UP17、UP19两支测压管水位测值计算得到的该两个测点坝基水平渗透坡降（见表4）均不超过0．06；据UP19测压管水位测值及排水沟内水位计算得到的排水沟处坝基水平渗透坡降在0．090～0．110之间。该断面清基后的坝基表层主要为遇水后呈散砂状的第三系含砾砂岩，在砂岩上部夹有较密实、密实但遇水后呈变软的第三系坚硬泥岩，因此，可以第三系含砾砂岩为主进行临界渗透坡降分析。经计算，坝基临界渗透坡降Jcr为1．069，取允许渗透坡降J允许为0．356。在库水位911．00 m及912．26 m时，坝基水平渗透坡降均小于允许值，满足规范要求［4］。

3．3 主坝3＋575断面

该断面埋设有5支测压管，分别为位于坝轴线上游1．90 m处的UP20、UP21，位于坝轴线下游18．90 m处的UP22、UP23，以及44．08 m处的UP24；埋设高程分别为894．71 m、898．23 m、894．30 m、898．31 m、894．51 m（仪器布设情况见图9）。3＋575断面测压管水位过程线见图10、11。

该断面坝基采用防渗深度约7．8 m的PE复合土工膜明槽防渗墙，明槽防渗墙底板坐落在厚约2．0 m、弱微透水性第三系泥岩层上，泥岩层以下为厚约6 m、透水率约5～10Lu第三系砂岩。

图9 3＋575断面仪器布设及库水位912．26 m时坝基渗压水位线及坝体水位线

图10 3＋575断面测压管水位过程线（坝基）

由图10、11可知：

（1）坝基UP20、UP22、UP24三支测压管及坝体UP21、UP23两支测压管水位均受库水位变化的影响较明显，与库水位的相关性均较好。在高库水位912．26 m时，坝基、坝体测压管水位均较高（见表5、6），分别高出设置在建基面以上的坝体横向排水体顶高程约1．3 m、1．6 m，超过设计要求。

在库水位911．00 m左右及912．26 m时，坝轴线上游侧1．90 m处的坝基UP20测点渗流位势在17．64%～23．30%之间，位于坝轴线下游侧18．90 m、44．08 m处的坝基UP22、UP24两测点渗流位势分别在18．03%～21．22%、11．30%～12．97%之间；位于坝轴线上游1．90 m、下游18．90 m处的坝体UP21、UP23两测点渗流位势分别在19．86%～23．23%、15．77%～23．63%之间。可见，该断面坝基透水性较强、渗透压力较大，坝体内水位也较高。

（2）坝基UP20、UP22、UP24这3支测压管水位随着坝轴距的增加，削减幅度较小，其中UP22与UP20水位基本持平。在库水位911．00 m及912．26 m时，据UP22、UP24两支测压管水位测值（见表5）计算得到的该两个测点坝基水平向渗透坡降均小于0．10；据UP24测压管水位测值及排水沟内水位计算得到的排水沟处坝基水平向渗透坡降在0．16～0．20之间。该断面清基后的坝基表层为遇水后呈散砂状的第三系含砾砂岩，根据前述分析，临界坡降Jcr为1．069；考虑到主坝该断面坝段的重要性，坝基岩土体的允许渗透坡降J允许以临界渗透坡降除以3．0的安全系数为标准，计算得0．356。可见，在库水位911．00 m及912．26 m时，坝基水平渗透坡降小于允许值。

图11 3＋575断面测压管水位过程线（坝体）

表5 坝基UP20、UP22、UP24测压管水位、渗流位势及渗透坡降

表6 坝体UP21、UP23测压管水位、渗流位势及渗透坡降

（3）坝体UP21、UP23这2支测压管水位较接近，随着坝轴距的增加，削减幅度较小。在库水位911．00 m及912．26 m时，据UP21、UP23两支测压管水位测值（见表6）计算得到的UP23测点坝体水平渗透坡降均小于0．035。

经计算，坝体Ⅱ区砂砾料的临界渗透坡降Jcr为0．499，Ⅰ区砂砾料临界渗透坡降Jcr为0．501；Ⅰ区砂砾料的允许渗透坡降为0．167，Ⅱ区砂砾料允许渗透坡降为0．166，UP23测点坝体水平渗透坡降小于允许值，满足规范要求。

4 结 论

本文以希尼尔水库大坝2＋600、3＋125与3＋575这3处断面为例，对坝体、坝基采用复合土工膜防渗下的大坝渗流情况进行分析，得到如下研究结果：

（1）主坝2＋600断面坝基在高库水位时渗压水位较低、渗透压力较小，反映了由坝前PE复合土工膜明槽防渗墙及坝体PE复合土工膜组成的防渗体系防渗能力较好；坝基渗流位势较小、变化正常，且在高库水位时坝基水平渗透坡降小于允许值，满足规范要求。

（2）主坝3＋125断面坝基透水性较强，在高库水运行期坝基渗压水位较高、渗透压力较大，反映坝基PE复合土工膜明槽防渗墙及坝体复合土工膜组成的防渗体系防渗效果不佳；在高库水位时，坝基水平渗透坡降小于允许值，但仍应加强渗流观测，确保大坝安全。

（3）主坝3＋575断面坝基及坝体渗流位势变化基本正常，坝体渗透坡降小于允许值；坝基在高库水运行期渗压水位高、渗透压力较大，坝体水位及下游坝后回填清基料出逸点高程较高，不利于下游坝坡、坝后回填清基料及排水沟开挖回填料的渗透稳定，存在渗流安全隐患，表明坝基复合土工膜明槽防渗墙及坝体复合土工膜组成的防渗体系防渗效果不佳。建议加强渗流观测，并进行必要的防渗处理，以减小坝基渗透压力，确保大坝安全。

参考文献：

［1］ SL252－2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》［S］．北京：中国水利水电出版社，2000．

［2］ 严敏，王金龙，田甜．新疆希尼尔水库大坝渗流安全评价［J］．长江科学院院报，2009：89－92．

［3］ 毛昶熙，段祥宝．渗流数值计算及程序应用［M］．河海大学出版社，1999．

［4］ SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》［S］．北京：中国水利水电出版社，2002．

作者简介：魏光辉（1981－），男，新疆石河子人，高级工程师，从事干旱区水资源利用研究工作。

收稿日期：2014-10-13

中图分类号：TV223．4

文献标志码：B

文章编号：1003－9805（2016）01－0020－08