水库防渗措施及坝后排水沟距离对周边农田地下水埋深的影响
2017-07-12毛海涛王正成王晓菊黄庆豪
毛海涛，王正成※，王晓菊,2，黄庆豪，刘 阳
（1. 重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404100；2. 河海大学环境学院，南京 210098；3. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）
水库防渗措施及坝后排水沟距离对周边农田地下水埋深的影响
毛海涛1，王正成1※，王晓菊1,2，黄庆豪3，刘 阳3
（1. 重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404100；2. 河海大学环境学院，南京 210098；3. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）
干旱区平原水库渗漏对下游农田土壤的水盐动态变化影响较大，易造成土壤的次生盐渍化和沼泽化。水库常采用“上防下排”措施来降低坝后农田地下水埋深，但排水沟参数如何选择，与坝基防渗体如何联合使用，治理效果如何等都值得深入研究。该文基于非饱和土体渗流理论，以恰拉水库周边农田为研究对象，针对“上防下排”措施进行数值模拟，分析恰拉水库采用水平铺盖、悬挂式防渗墙或无防渗措施时，坝后农田地下水埋深与坝后排水沟位置及深度的关系，并针对下游坝坡稳定及坝后积水进行分析，并通过田间试验进行验证。研究表明：在不同的渗流控制方案下，农田地下水埋深均以排水沟中轴线为对称轴呈现“漏斗形”降落趋势，排水沟前地下水埋深逐渐增大，排水沟后的地下水位有一小幅度的减小，因此，“上防下排措施”从“源头”处减小渗水进入坝后农田，增大农田地下水埋深。3种方案对比显示，不同“上防下排”渗流控制方案在遏制水库渗漏和减小坝后农田地下水的效果不同。悬挂式防渗墙和无防渗体工况不能有效减小水库的渗漏量，联合排水沟使用效果较差。22倍水头的水平铺盖在渗流控制方面优于悬挂式防渗墙和无防渗体时的工况，联合坝后排水沟及时排水后，可有效的将地下水埋深控制在2.72 m左右，大于当地的地下水临界水位2.45，有效遏制坝后土壤的盐渍化趋势。排水沟设置的位置和深度对大坝稳定存在一定影响，计算实际工况（22倍水平铺盖）时下游坝坡抗滑安全系数为1.358，大于下游坝坡最小抗滑安全系数1.242，下游坝坡处于安全状态。排水沟设置后，坝趾至沟间的积水长度是产生坝后沼泽化的主要原因。计算和实测实际情况下的积水长度为0.27 m，沼泽化面积较小。此外，计算还发现避免农田沼泽化对应的排水沟最小深度为5.18 m，实际工程中排水沟深度为6 m，可见当前的防渗形式以及排水沟至坝趾的距离及深度是合理的。库水位变动、排水沟排水的及时性对坝后地下水埋深也有较大的影响，排水沟作为辅助措施应与农田排水沟（渠）、水库防渗体以及农田灌溉制度配合使用，才能更加有效的发挥作用。
地下水；土壤；模型；土地盐渍化；水平铺盖；排水沟
0 引 言
为满足干旱、半干旱区耕地农业灌溉，需在耕地周边修建大量的平原注入式水库[1-2]。以新疆为例，修建平原水库多达600余座[3]。由于平原水库坝长、蓄水面积宽广，防渗工程难度大，渗漏问题较为严重[4]。渗漏导致水库周边农田地下水位抬升，加之干旱、半干旱地区的气候条件，土壤水分和潜水蒸发强烈，导致严重的土壤次生盐渍化[5-6]，中国第二次土壤普查数据显示，盐渍化土壤面积为3.6´107hm2，耕地中盐渍化面积达到9.209´106hm2，占总耕地面积的20.73%[7-8]，严重影响现代农业的可持续发展[9]。为了减小次生盐渍化的危害，干旱区平原水库依据“上防下排”的理念来控制地下水埋深。“上防”主要是指水库及坝基采用水平铺盖、垂直防渗墙等[10]进行防渗，“下排”是指坝后设置排水沟（井）截渗，二者联合使用来控制坝后地下水位。
干旱区平原水库下游排水沟分为农田排水沟和坝后排水沟。1）农田排水沟通常是指天然形成的裸露在地表或者是在农田内挖掘的水道[11-12]，其作用在于及时排走田间多余的水，从而降低地下水位。2）坝后排水沟是在坝后人工修建的水道，旨在截断水库渗水，从“源头”处减少渗漏水进入坝后农田。
近年来，国内外学者针对农田排水沟调节地下水开展大量的研究。如Armsirong等[13]提出农田排水沟能及时将田间过多的水分排出农田，起到排涝降渍的作用；潘延鑫等[14]针对卤泊滩盐碱地进行研究，提出干旱蒸发和上游灌区的退水会影响农田排水沟降低地下水位的效果；农田排水沟能有效控制地下水埋深，并排出淋洗土壤盐碱的水分，达到维持灌区水盐平衡、稳定粮食生产的目的[15]；彭世彰等[16]针对新疆巩留县团结灌区进行研究，得出农田排水沟能有效控制农田地下水埋深；赵晓宇等[17]针对华北平原农田排水沟进行研究，得出平填末级排水沟会导致农田排水体系贯通性下降，但由于该地区降水总量减少、地下水位下降，对农田洪涝灾害的发生影响不大；李山等[18]提出当排水沟中的水分反渗补给农田地下水，田间地下水中的盐分虽然有所增加，但作物根区没有出现严重的盐分累积，对田间地下水盐分浓度影响不大；潘延鑫等[19]研究表明相邻排水沟水位与农田地下水位变化基本一致，排水沟水位变化可以直接或间接地影响周围农田的地下水位和盐分含量；但关于坝后排水沟控制农田地下水埋深方面的研究成果鲜见，而坝后排水沟能从“源头”上减小进入农田的水量，对坝后农田的地下水升降更有指导意义，需深入研究。
本文以新疆内陆干旱区典型平原水库—恰拉水库坝后排水沟及坝后农田为研究对象，基于非饱和土体渗流理论进行数值建模计算，研究坝后排水沟（下文简称排水沟）在不同位置及深度的情况下对地下水埋深的影响，借助极限平衡理论分析下游坝坡稳定状况，并针对坝后积水进行分析。以期为干旱区平原水库防渗体及坝后排水沟的设置提供理论支撑，防止水库周边农田发生盐碱化及沼泽化。
1 理论基础
1.1 非饱和土体渗流理论
非饱和土体的体积含水率θw及渗透系数k均为基质吸力um的函数[20]，基质吸力由孔隙水压力及孔隙气压力共同决定。非饱和土体积含水率与基质吸力的关系曲线即为土水特征曲线，渗透系数与基质吸力的关系即为非饱和土渗流方程。本文采用Van Genuchten等[21-22]非饱和土水特征曲线方程和渗流方程。
非饱和土壤水分特征曲线方程为
式中um为基质吸力，kPa；ua为孔隙气压力，kPa；uw为孔隙水压力，kPa；θw为体积含水率；θs为土体饱和体积含水率；θr为土体残余体积含水率；αw为与进气值倒数相关的参数；nw为超过进气值后土水特征曲线斜率相关的模型参数，反应体积含水率变化速率；mw为与非饱和土残余状态相关的模型参数，其与nw的关系式为
Mualem Y[22]提出的非饱和土渗流方程为
式中k为土体渗透系数；ks为饱和渗透系数，与土体孔隙率的关系为
式中ks0为土体初始饱和渗透系数；n为土体孔隙率；n0为土体初始孔隙率。
1.2 坝坡抗滑稳定安全系数计算方法
在非饱和土渗流分析的基础上，进一步研究坝坡的稳定性，将计算得到的抗滑稳定安全系数k'与最小抗滑稳定安全系数kmin进行比较，分析坝坡的稳定状态[23]。坝坡抗滑稳定安全系数为
式中k′为坝坡抗滑稳定安全系数；li为土体滑弧穿过第i单元的长度， m；φi为第i单元土体的内摩擦角；ci为第i单元土体的凝聚力，kPa；τi、σni为第i单元圆弧滑面上的切向应力和法相应力，kPa，其表达式分别为
式中x为经验系数，它与饱和度、应力路径及土体类型有关；σix为水平应力，kPa；σiy为竖向应力，kPa；τixy为单元剪应力，kPa；α为滑动面切线与水平向的夹角，(°)。
2 数值模拟
2.1 工程概况
恰拉水库位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县境内，地理位置在东经86°36′～86°57′，北纬40°59′～40°04′范围内，属于典型的内陆干旱区平原水库。水库库容为1.61亿m3，根据水利水电枢纽工程的分等指标，当总库容在1～10亿m3时，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。库区气候属极端干旱的大陆性气候，多年平均降水量21.5 mm，多年平均蒸发量为2 680 mm，多年平均气温10.6 ℃，年极端最高气温达42.2 ℃[24]。水库建设前，周边农田地下水埋深接近3 m，盐碱化问题鲜见。建坝蓄水后，地下水位抬升，导致水库周边农田土壤盐碱化。
地下水位临界深度[25]计算表达式为
式中Z为作物根系层厚度，m；G为毛管水强烈上升高度，m；A为安全超高，m。
恰拉水库周围的主要作物为小麦、玉米和棉花，作物根系层厚度取0.3 m；土壤毛管水强烈上升高度为1.65 m[26]。根据新疆灌区的经验，安全超高通常取0.5 m[27]。由此可得，恰拉水库周边农田发生土壤盐渍化地下水位临界深度Hk=0.3+1.55 +0.6 =2.45 m。
恰拉水库、坝后排水沟和农田研究区域的分布，如图1所示。
图1 研究区域总体布置图Fig.1 Study area general layout
2.2 模型建立
恰拉水库典型断面如图2a所示，建基面高程为869 m，坝顶高程为877.3 m，最大坝高8.3 m，水库设计水位为875 m。黏土均质坝顶宽6 m，上下游坝坡均为1：2.5，坝基深100 m，以细砂为主。排水沟深度为6 m，底宽0.5 m，距离坝趾100 m。水库坝基采用土工膜水平铺盖防渗体，水平铺盖长度为坝前水头6 m的22倍，即132 m（下文简称水平铺盖）。
图2 模型断面图Fig.2 Model section map
本文为了研究不同“上防下排”方案对坝后农田地下水埋深的影响，在防渗体方面又假定了悬挂式防渗墙图2b和无防渗措施图2c的2种工况；混凝土防渗墙厚度为0.4 m，伸入坝基20 m，距坝踵23.6 m。在坝后排水沟方面，又假定增设了距坝趾S为20、60和140 m共3种工况。此外，为了能更好反映不同距离的地下水埋深，模型中在坝后0～500 m每隔50 m设置一个基点，编号为P0、P50……P500，共计11个。
2.3 计算参数
采用张力计法（张力计、陶土管）和垂直入渗剖面法[28-30]，测得坝体及坝基土样体积含水率θw和渗透系数k随基质吸力um的变化曲线，如图3－4所示。
图3 土体体积含水率及渗透系数随基质吸力的变化Fig.3 Variation of volumetric water content and permeability coefficient with matric suction
借助SYS数显液塑限测定仪测定土样的液塑限；三轴试验测定土体的凝聚力c、内摩擦角φ；将土样、悬挂式防渗墙和水平铺盖的基本物理性质列入表1。防渗墙的渗透系数为7.83´10-9m/s。
将体积含水率随基质吸力的变化曲线、土水特征曲线、基本物理指标输入到有限元软件Seep/w中，进行非饱和土渗流计算，得出基点的地下水埋深h1。渗流计算结果作为初始条件，采用渗流与极限平衡耦合的方法，对下游坝坡进行抗滑稳定分析[31]。
表1 试验土的基本物理指标Table 1 Basic physical property of test soil
3 数值模拟结果与分析
分别计算出水库无防渗措施、采用悬挂式防渗墙和水平铺盖时坝后农田地下水埋深。不同方案下排水沟对农田地下水埋深都有较为明显的影响，以无防渗措施时，排水沟距离坝趾140 m和排水沟深度为6 m为例，作农田地下水位线如图4所示。
图4 农田地下水埋深Fig.4 Farmland groundwater level
在上述3种防渗方案下，计算得到各基点地下水埋深h1的变化曲线，如图5所示。
由图4，图5可得，采用不同“上防下排”渗流控制方案时，地下水位的变化规律都是随着基点至坝趾距离的增大呈先增大后减小的趋势，最后趋于稳定。以图5a中h2=6m为例，当坝基无防渗措施时，P0～P500的地下水埋深分别为：2.16、3.01、2.23、2.1、2.08、2.08、2.06、…、2.06m。由此可得，当排水沟深度及位置一定时，地下水位以排水沟中轴线为对称轴呈现“漏斗形”降落趋势，排水沟前的农田地下水埋深逐渐增大，排水沟后水位小幅度降低，最终趋于稳定。对比沟前、沟后的地下水埋深可知，后者地下水埋深明显大于前者，可见地下水流经排水沟会产生较大的水头损失，其埋深将增大。
3.1 排水沟位置对地下水埋深的影响
由图5可得，当排水沟深度一定，排水沟至坝趾的距离S变化会影响坝后农田地下水埋深，因此有必要针对排水沟至坝趾的距离S对地下水埋深h1的影响进行探讨。
图5 地下水埋深的变化曲线Fig.5 Variation curves of groundwater level
作各方案下坝后农田内地下水埋随着距离不发生变化时的水深，即为稳定后的地下水埋深h1，其随排水沟至坝趾距离S变化如图6所示。
由图6a可得，不同排水沟深度下，稳定后的地下水埋深随排水沟至坝趾的距离的变化规律基本一致。以排水沟深度6 m为例，排水沟至坝趾的距离S分别为：20、60、100、140 m，稳定后的地下水埋深h1分别为：0.48、1.61、2.4、2.89 m，S由20 m增至140 m时，稳定后的地下水埋深h1增大2.41 m。同理可得，当h2=1、2、3、4、5 m时，S由20 m增至140 m时，h1分别增大0.03、0.52、1.03、1.63、2.24 m。可见，不同排水沟深度h2下，排水沟至坝趾的距离S越大，稳定后的地下水埋深h1越大。
采用悬挂式防渗墙防渗时如图6b，地下水埋深h1随S的变化规律与图6a一致；但其地下水埋深h1相比无防渗时有较小幅度的增大，以S=140 m、h2=5 m为例，采用悬挂式防渗墙时地下水埋深仅增大0.03 m。可见，悬挂式防渗墙在减少渗流量方面的效果较差，与排水沟联合使用控制农田地下水埋深的效果并不明显。而图6c显示采用水平铺盖时，其地下水埋深h1相比无防渗措施时存在明显的增大趋势，仍以S=140 m、h2=5 m为例，采用水平铺盖时地下水埋深增大0.4 m，能有效减小渗流量。
图6 稳定后的地下水埋深随排水沟至坝趾距离的变化Fig.6 Variation of groundwater level with distance between drain and toe
从上述分析中不难发现，采用不同“上防下排”措施时，稳定后的地下水埋深h1随排水沟至坝趾的距离S的增加而增大。对比3种防渗方案可得，水平铺盖在控制渗流量方面的效果优于悬挂式防渗墙。
3.2 排水沟深度对地下水埋深的影响
排水沟的深度变化会影响坝后农田地下水埋深，作坝后农田稳定后的地下水埋深h1随排水沟深度h2变化曲线如图7所示。
图7 稳定后的地下水埋深随排水沟深度的变化曲线Fig.7 Variation curves of groundwater level after stabilization with drain depth
由图7a可得，无防渗措施时，稳定后的坝后农田地下水埋深h1会随着排水沟深度h2而改变。以S=20 m为例，排水沟深度h2由1增至10 m时，地下水埋深h1增大3.07 m；同理，当S=60、100、140 m时，随着排水沟深度h2增大， h1分别增大2.78、3.05、2.89 m。采用悬挂式防渗墙和水平铺盖时如图7b、7c，地下水埋深h1的变化规律同图7a一致。但也存在一些差异，以S=100 m、 h2=6 m为例，无防渗措施、采用悬挂式防渗墙、水平铺盖时稳定后的地下水埋深分别为2.4、2.43、2.98 m。水平铺盖相比无防渗墙措施和悬挂式防渗墙，地下水埋深增大较为明显。
综上可得，水库采用不同“上防下排”措施时，坝后农田地下水埋深h1随着排水沟深度h2的增加而增大。同样，水平铺盖在控制渗流量方面的效果优于悬挂式防渗墙和无防渗措施。
4 排水沟最小深度的确定
恰拉水库周边农田土壤发生盐渍化的地下水临界水深Hk=2.45 m，排水沟要将农田地下水位控制在2.45 m时所需要的深度，定义为排水沟最小深度h2min。
图5中不同工况下线性规律明显，线条间距随排水沟深度变化均匀，因此可采用线性插值法得出排水沟在不同位置时对应的最小深度h2min，如图8所示。
图8 排水沟最小深度随排水沟至坝趾的距离的变化曲线Fig.8 Variation curves of minimum drain depth with distance between drain and toe
4.1 同种防渗方案下排水沟最小深度
无防渗措施时如图8中曲线Ⅰ所示；排水沟至坝趾的距离S由20 m增加到140 m时，排水沟最小深度h2min减小3.71 m。可见排水沟最小深度h2min随着至坝趾的距离S的增加逐渐减小。采用悬挂式防渗墙和水平铺盖时，如图8中Ⅱ、Ⅲ所示，h2min随S的变化规律同曲线Ⅰ一致；S由20 m增加至140 m时，h2min分别减小3.28、1.2 m。
综上所述，水库采用不同“上防下排”措施时，排水沟至坝趾的距离S增加，其最小深度h2min逐渐减小。即坝后农田地下水位达到临界深度时，距离坝趾较远的排水沟需要的深度较小。
4.2 不同种防渗方案下排水沟最小深度
当排水沟至坝趾的距离S=140 m，水库无防渗措施、采用悬挂式防渗墙和水平铺盖时，排水沟最小深度h2min分别为：5.32、5.31、4.71m。由此可得，排水沟位置一定时，无防渗措施时h2min最大，悬挂式防渗墙时次之，水平铺盖时最小。由此可得，采用水平铺盖与排水沟结合使用，能有效减少渗水进入坝后农田，其效果优于另外2种。实际工程中，当水库采用水平铺盖控渗，S=100 m时，排水沟最小深度h2min=5.18。
水库无防渗措施、垂直防渗墙和水平铺盖方案时，排水沟至坝趾距离S由20 m增大至140 m时，渠道最小深度分别减小3.71、3.28、1.2 m；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲线近似于线性变化，其斜率分别为0.031、0.027、0.01。由此可得，在3种工况中排水沟至坝趾的距离S对无防渗措施时的h2min影响最大。
5 积水长度及下游坝坡稳定
5.1 坝趾与排水沟间积水分析
当农田地下水埋深h1≥0 m时，地表积水、土地沼泽化，导致水库周边土地的利用率降低。根据农田地下水位线得出坝趾与排水沟间的积水长度L（下文简称积水长度），随排水沟深度h2的变化曲线，如图9所示。
图9 积水长度随排水沟深度的变化曲线Fig.9 Variation curves of seeper length with drain depth
无防渗措施时，如图9a所示。当S=20、60、100、140 m时，排水沟深度h1由1增至10 m时，积水长度分别缩短8.39、40.49、59.67、73.45 m。由此可得，当排水沟至坝趾的距离一定时，积水长度L随着排水沟深度h2增加而缩短。当h2=1～6 m时，S由20增大至140 m时，积水长度分别伸长96.33、72.25、56.02、45.43、40.02、31.27 m。当排水沟深度一定时，排水沟至坝趾的距离S越大，积水越长。3种方案积水长度L随S和h2的变化规律一致。
可见，水库采用不同“上防下排”措施，排水沟至坝趾的距离S一定时，积水长度L随着排水沟深度h2增大而缩短；当排水沟深度h2一定时，积水长度L随着排水沟至坝趾间距离S的增加而伸长。
5.2 下游坝坡抗滑稳定分析
坝后开挖排水沟后，下游坝坡抗滑阻力降低，抗滑安全系数k′减小，因此有必要针对采用不同排水沟时的下游坝坡抗滑稳定性进行分析。
采用不计条间作用力的瑞典圆弧法计算坝坡抗滑安全稳定系数时，大坝正常运行条件下的最小安全系数为规定值的0.92倍[32]；恰拉水库下游坝坡最小抗滑安全系数kmin=1.35×0.92=1.242。
借助渗流与极限平衡法（瑞典圆弧法）耦合计算方法[31]，得出排水沟至坝趾的不同距离S及深度h2时下游坝坡的抗滑安全系数k′。图10为排水沟距离坝基20、60 m，排水沟深度h2=4、5 m时，下游坝坡抗滑安全系数k′及其对应的滑弧。
图10 抗滑安全系数与潜在滑动面Fig.10 Resist slippage safety factor and potential sliding surface
由图10可得，当S=20 m、h2=4 m时，抗滑安全系数k′=1.313>kmin=1.242，坝坡处于稳定状态；h2=5m时，抗滑安全系数k′=1.236
对比图10a、10b可知，当排水沟至坝趾的距离一定时，排水沟深度越大，越不利于坝坡稳定。而图10b、图10c则反映出当排水沟深度一定时，排水沟距离坝趾越近，越不利于坝坡稳定。
无防渗措施时，作坝坡抗滑安全系数k'随排水沟至坝趾的距离S和深度h2变化的曲面图，如图11所示，采用悬挂式防渗墙和水平铺盖坝坡抗滑稳定安全系数的曲面图与之类似。
由图11可得，无防渗措施时，S=20 m、h2=5～10 m时，k'分别为：1.236、1.118、1.141、1.124、1.086、1.015
图11 无防渗措施下游坝坡抗滑安全系数随排水沟位置及深度的变化Fig.11 Variation of resist slippage safety factor with positin and depth of drain without seepage prevention measures
综上所述，采用不同“上防下排”措施时，排水沟至坝趾的距离S越小，深度h2越大，对下游坝坡的稳定越不利。
6 试验验证
6.1 地下水埋深
恰拉水库实际防渗措施是132 m的水平铺盖，和上述水平铺盖工况下仿真情况一致。为了验证数值模拟的正确性，与数值模拟中的基点位置对应，在恰拉水库下游试验区每隔50 m布设一个监测点，共计5个，编号为P50、P100、P150、P200和P250，如图12所示。
为了确保观测时水库运行工况与数值模拟边界条件的一致性。观测时间设在2014年和2015年的4月和7月，期间水库水位最接近设计水位，排水沟深度为6 m，排水沟及时排水，沟中无积水存在，通过田间试验，测得监测点P50～P250的地下水埋深，将试验结果列入表2。
图12 农田监测点布置图Fig.12 Layout drawing of monitoring points in farmland
表2 监测点的地下水埋深Table 2 Groundwater level of monitoring points
根据表2作农田地下水埋深h1随观测点至坝趾间距离S1的变化曲线，并与图7c中6 m的模拟值进行对比如图13所示。
图13 监测点的地下水埋深变化曲线Fig.13 Variation curves of groundwater level of monitoring points
分析图13可得，图13和图5中曲线的变化规律一致。如试验得出当h=874.8 m时，监测点P50、P100、P150、P200、P250的地下水埋深分别为1.78、6、3.21、3.09、3.04 m。模拟得出当h=875 m时，监测点P50、P100、P150、P200、P250的地下水埋深分别为1.71、6、3.16、3.04、2.99 m。对比数值模拟和试验结果，库水位仅相差0.2 m，各监测点的地下水埋深仅相差0～0.07 m。可见，数值模拟和试验可以互相验证。
试验结果还发现，水库水位对坝后地下水埋深也存在一定的影响。观测期间水库水位未达到设计水位875 m，监测点实测P50、P150、P200、P250的地下水埋深分别为1.78～2.42、3.21～3.62、3.09～3.49、3.04～3.47 m，略小于数值模拟得出的地下水埋深。
6.2 积水长度与坝坡稳定
试验观测结果发现，恰拉水库下游农田并无积水现象，而数值模拟计算有0.27 m的积水长度，存在较小误差。由图12可知，恰拉水库下游存在多条垂直坝轴线的“积水排水沟”，可将积水汇集至坝后排水沟（平行坝轴线），该排水系统能及时排走积水，避免坝后农田积水。而在数值模拟时，为简化计算模型，忽略了垂直坝轴线排水沟的作用，仅着重考虑了坝后排水沟，因此试验和模拟结果出现了较小的差异。
恰拉水库下游坝坡设置了大坝变形观测仪，水库自改建蓄水以来，下游坝坡沉降变形和水平位移分别为5.8和2.3 cm，满足碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）的变形稳定条件。根据观测数据计算得到的坝坡抗滑稳定安全系数1.358>1.242，坝坡处于稳定状态。试验和数值模拟得出的结果一致，从而验证了数值模拟的精确性。
需要说明的是，恰拉水库实际防渗体为水平铺盖，坝后排水沟深度为6 m，距离坝趾100 m。文中垂直防渗体和无防渗措施为假定方案，但各方案下排水沟位置和深度对坝后农田地下水埋深的影响规律基本一致，坝后积水和坝坡稳定总体规律相同，只是存在数值上的差异。因此，对实际工程的原位观测结果在总体上可以验证文中数值模拟的正确性。
7 讨 论
7.1 防渗方案对地下水埋深的影响
干旱区平原水库位于农田上游，蓄水后大量的渗漏水成为农田地下水的 “补给源”，导致下游农田出现沼泽化和盐渍化等生态问题。因此干旱区平原水库的渗流控制方案决定着坝后农田地下水位。文中对比了水库水平铺盖、垂直防渗墙和不设防渗体3种方案，结果显示前者优于后两者方案。这是因为22倍水头的水平铺盖在减小水库渗漏量方面的效果优于悬挂式防渗墙和无防渗情况。换言之，渗流控制方案减小水库渗流量越大，在遏制坝后及周边农田地下水位的效果就越好。
实际中干旱区平原水库往往坐落在透水性较大的深厚覆盖层甚至是无限深透水坝基上，加之大坝长度较大，采用全封闭式垂直防渗墙造价过高，难度较大，而水平铺盖施工简单，造价低，优势明显。文中将恰拉水库作为干旱区平原水库的典型，其水文、地质以及水库运行等均具有区域共性，计算结果也具有代表性，故文中推荐22倍水头的水平铺盖作为干旱区平原水库防渗方案。
7.2 库水位变化对地下水埋深的影响
数值模拟未考虑水位变化对坝后农田地下水埋深的影响，而是采用水库设计水位875 m，对坝后排水沟进行计算分析。如在该水位下农田地下水埋深为2.72 m，积水长度为0.27 m，实际上水库运行水位一般不大于设计水位，因此只要保证在设计水位下地下水埋深大于2.45 m，在其他运行工况也能满足要求。这样得到的排水沟深度、距离等也可作为设计参考值，具有代表性。
从第6节监测数据不难发现，水库水位与排水沟水位、坝后农田地下水埋深关系密切。当水库水位上升，渗漏损失加大导致农田地下水埋深减小，水库下游积水长度增加；当库水位下降时，效果相反。但只要运行水位低于设计水位，水位变动不会带来新的不利影响。
7.3 排水沟及时排水的必要性
坝后排水沟从农田地下水补给源头（平原水库）后进行截渗，从总水量上进行了削减，对坝后农田的生态环境改善起到了重要作用。文中数值模拟和实际监测均要求排水沟及时排出渗漏水，实际运行中排水沟及时排水对下游农田水盐动态变化影响较大。以试验区观测点P200为例，观测点周围沿地表垂直开挖地层剖面，分别采集不同埋深的土壤样品装入土样袋。根据国家标准《土工试验方法标准》测试土样含盐（%）并计算其脱盐率，在坝后排水沟排水和不排水情况土壤的脱盐率如下表3所示。
表3 不排水和排水时土壤脱盐率（P200）Table 3 Soil desalinization ratio under condition of no drain and drain (P200)
由此可见，排水沟及时排水是十分必要的。
8 结 论
本文基于非饱和土渗流机理、极限平衡与渗流耦合理论，以干旱区典型水利工程—恰拉水库为研究对象，通过数值模拟和农田试验，分析中国干旱、半干旱地区平原水库排水沟深度对周边农田地下水埋深的影响，得出以下几点结论。
1）水平铺盖、悬挂式防渗墙和无防渗措施分别与排水沟联合控渗减排的结果表明，不同“上防下排”渗流控制方案在遏制水库渗漏和减小坝后农田地下水的效果是不同的。悬挂式防渗墙和无防渗体工况不能有效减小水库的渗漏量，联合排水沟使用效果较差。
2）水库采用不同“上防下排”措施时，排水沟至坝趾的距离越大，排水沟需要的最小深度会减小。即控制坝后农田地下水位达到临界深度时，距离坝趾较远的排水沟需要的深度较小，但排水沟越远不利于农田的有效利用，此外，还发现坝后农田地下水埋深会随着排水沟深度的增加而增大。
3）恰拉水库目前采用22倍水头的水平铺盖和6 m排水沟联合使用，排水沟距离坝趾为100 m，该方案能有效降低坝后农田的地下水埋深至2.98 m，大于临界深度2.45 m，农田不会发生次生盐渍化。
4）恰拉水库下游坝坡抗滑安全系数为1.358>1.242（坝坡最小抗滑安全系数），坝坡处于安全状体；坝趾至渠道间的积水长度仅为0.27 m，沼泽化面积较小。避免农田沼泽化对应的排水沟最小深度为5.18 m，实际工程中排水沟深度为6 m。由此可见，排水沟的设计是合理的。
5）不同平原水库在确定坝后排水沟位置及深度时，应结合水库防渗措施、坝后农田需达到的地下水埋深、农田积水和下游坝坡抗滑稳定进行综合分析。排水沟作为辅助措施应与农田排水沟（渠）、水库防渗体以及农田灌溉制度配合使用，才能更加有效地发挥作用。
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Influence of reservoir seepage prevention measures and drainage ditch behind dam on groundwater depth of surrounding farmland
Mao Haitao1, Wang Zhengcheng1※, Wang Xiaoju1,2, Huang Qinghao3, Liu Yang3
(1. College of Civil Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China; 2. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3 College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China.)
Reservoir leakage has a great influence on water-salt dynamic, which is easy to cause soil secondary salinization and swamping in arid area. Groundwater depth of farmland behind dam is reduced by anti-seepage body and drain measure usually. Drainage ditches are set up behind dam, which can cut off seepage water and discharge water, therefore reducing the leakage loss. But how to choose parameters of drain, how to be combined with impervious body, and so on, these questions need to be studied further. Based on unsaturated soil seepage theory, aimed to the farmland around Qiala Reservoir, this paper calculated the combination measures by numerical simulation, and analyzed the relationship between groundwater depth and depth and position of drainage ditch by vertical cutoff wall, horizontal impervious blanket or non anti-seepage measures. Besides, we analyzed the downstream slope stability and adopted the field experiment to validate it. This research showed that the buried depth of farmland groundwater is characterized by a “funnel-shaped” downward trend taking the central axis of drainage ditch as a symmetrical axis in different seepage control schemes. The groundwater depth increased gradually before the drainage ditch, and decreased a little after the drainage ditch. Therefore, the “anti-seepage body and drain measure” reduce seepage into the farmland from the source, which can make farmland maintain a low groundwater depth. Different seepage control schemes of “anti-seepage body and drain measure” were different on the curbing and the effect of reducing the leakage of reservoir to farmland. The hanging cutoff wall and the non-impervious body cannot reduce the leakage of the reservoir effectively, and we found the combination of the former 2 ways has a weaker effect on anti-seepage. By comparing the 3 schemes, it was considered that the horizontal impervious blanket with a length of 22 times water head was better than the suspended cutoff wall and non-impervious body in seepage control. After combining it with the drainage ditch and the drainage in time, we controlled the groundwater depth at about 2.72 m effectively, which was greater than the local critical groundwater depth of 2.45 m, and curbed the trend of soil salinization after dam effectively. Drainage ditch position and depth had some effect on dam; we calculated the actual construction (length of 22 times water head) and found the downstream dam slope anti slide safety coefficient was 1.358, which was larger than the minimum slope anti slide safety coefficient of 1.242, so the downstream slope of the dam was in a safe state. After the drainage ditches were set up, the length of hydrops from the dam toe to drainage ditch was the main reason to the soil swamping. By calculating and measurement in the actual condition, we found the length of hydrops was 0.27 m, and the swamping area was smaller. In addition, calculations also revealed that the minimum depth of drainage ditches corresponding to avoiding field swamping was 5.18 m. Drain depth was 6 m in practical project, and thus the present cutoff wall, the distance between drainage ditch and dam toe, and the drain depth were reasonable. The study also found that water level changing and making sure draining timely have great effects on groundwater depth; drainage ditch was an auxiliary measure, and it can be combined with drainage and impervious body and farmland irrigation system, which can have a more effective influence.
groundwater; soils; models; soil salinization; horizontal impervious blanket; drainage ditch
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013
TU640.32
A
1002-6819(2017)-11-0098-10
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2016-11-25
2017-05-02
国家自然科学基金项目（51309262）；重庆市科委基础与前沿研究计划项目（cstc2015jcyjA0300、cstc2015jcyjA00022）；重庆市教委科学技术研究项目（KJ1601024）；重庆三峡学院校企合作项目（16PY03）
毛海涛，男，博士、副教授，主要从事干旱区节水灌溉及土壤次生盐渍化机理研究。重庆 重庆三峡学院土木工程学院，404100。
Email：maohaitao1234@163.com
※通信作者：王正成，男，主要从事干旱区土壤盐碱化及土石坝渗流机理研究。重庆 重庆三峡学院土木工程学院，404100。
Email：wangzhengcheng194@163.com
