双河水库复合土工膜防渗特性分析

陈志惠

双河水库复合土工膜防渗特性分析

陈志惠

（新疆阜康市水利管理总站上户沟水管所，新疆阜康831500）

以新疆双河水库为例，运用数值模拟软件SEEP/W建立有限元模型，模拟坝体在铺设土工膜前后浸润线的变化情况以及土工膜施工缺陷对坝体渗流的影响，并将数值模拟结果与实测数据进行比较分析。结果显示，模拟计算结果与实测数值之间有较高的吻合度，坝体渗流情况得到明显改善，铺设土工膜后浸润线降低了4.0m左右，溢出点坡降和平均坡降下降明显，表明坝体防渗加固方案与数值模拟方法均可行、有效。

双河水库；土工膜；防渗特性

双河水库位于新疆阜康市滋泥泉子镇双河村境内，是一座以灌溉为主的平原注入式水库，属Ⅳ等小（1）型水库。水库原设计控制灌溉面积2.0万亩，但由于初期设计不够规范以及后期缺乏有效的管理维护，致使现状水库保灌面积仅为1.0万亩，属于病险水库，防洪能力严重不足。结合双河水库项目区土料少、砂砾料丰富的特性，并考虑工程地质条件以及水库整体防渗的需要，采用土工膜+砂壳的防渗形式，形成闭合的防渗体系。

1 水库土工膜防渗特性分析

以双河水库地质情况为基础，结合上述设计库盘防渗加固方案，运用SEEP/W软件建立渗流分析模型如图1所示。模型建立过程中，通过等效替换的方式对土工膜厚度与渗透系数进行同步扩大，以提升计算结果的准确度[1-3]。

图1 土工膜渗流分析模型

1.1 非饱和区域变化情况

当库水位与下游水位分别为22.50m和13.00m，通过饱和、饱和-非饱和两种渗流分析方法对水库渗流量进行计算[4-5]。运用饱和渗流计算方法计算得到单宽渗流量为0.43 m3/(s.m)，坝体溢出点高程为14.21 m，浸润线坡降0.19。运用饱和-非饱和渗流计算方法计算得到单宽渗流量为0.51 m3/(s.m)，坝体溢出点高程为14.95 m，浸润线坡降0.18。而如果忽略非饱和区域的影响，溢出点高程下降了近0.74 m，浸润线较实际下降0.80 m，单宽流量下降约15.7%。土工膜施工后，坝体非饱和区域增加明显，因此，模拟需采用饱和-非饱和渗流微分方程[6]。

1.2 浸润线变化情况

双河水库围坝土质条件较为均匀，选择设有渗压井的一处典型断面（桩号0+050）进行渗流分析。渗流计算工程有种，即工况一：坝体无防渗；工况二：坝体防渗；工况三：坝体坝基防渗。渗流计算中上下游水位设置分别为22.73 m和13.00 m。三种不同工况条件下坝体的浸润线计算结果如图2所示。

观察图2中浸润线位置形态得出，土工膜对于浸润线有着显著的影响，尤其在浸润线起点发生明显变化，较未防渗状态下降了约4.0 m；同时，浸润线形态亦有变化，坝体在实施土工膜防渗后的浸润线变得更加平缓。而从防渗效果分析，在未实施防渗加固前的坝体溢出点高程在18.2 m，而实施土工膜防渗后溢出点高程则为14.5 m，下降幅度达到了3.7 m。

1.3 浸润线实测值与计算值对比分析

双河水库围坝中选取四个关键位置布设渗压井，桩号分别为1+050、1+565、2+250、3+250和4+000，渗压井断面布置方式如图3所示。数据收集选择在水路防渗加固施工完毕后的第7月进行，观测内容主要为渗压井内水位的变化情况，用以掌握所铺设土工膜的防渗特性。

以断面1+565渗压井观测数据为例，将理论计算得到的结果与实际观测数据进行比较，如表1所示。分析表中数据得到，浸润线计算值与实测值之间的误差在可接受范围内，相对误差绝对值在1.7%～2.8%。这表明计算结果与实际情况有较高程度的吻合，渗流所建模型参数设置比较合理，计算结果能够有效反映坝体渗流情况。

图2 不同工况浸润线情况对比

图3 渗压井断面布置示意图

图3 浸润线实测值与计算值对比

当上下游水位分别为22.73 m和13.00 m时，得到实测和计算浸润线如图所示，其中浸润线1和3分别代表铺设土工膜前后的计算值，而浸润线代表实测数值。对比分析浸润线和得到，铺设土工膜能够明显改观坝体的渗流情况，土工膜后浸润线下降幅度达到了4.0 m，且溢出点坡降和平均坡降都有不同幅度的下降，这充分说明铺设土工膜能够有效控制坝体渗漏量。对比分析三条浸润线得到，计算值与实测值相差较小，本次设计防渗加固方案与模拟计算结果均可行、有效。

表1 不同水位情况下浸润线计算值与实测值对比

2 坝体渗流受土工膜缺陷的影响

土工膜的施工质量对于坝体防渗效果有着明显的影响，土工膜缺陷处的渗流量较大。水流会通过土工膜缺陷进入坝体，引起坝体内孔隙水压力的升高，进而造成坝体局部的浸润线偏高，对下游坝坡面的稳定性造成影响。因此，分析土工膜缺陷亦对坝体渗流特性研究有着重要的意义。本文在研究坝体渗流受土工膜缺陷的影响时，将上游坝坡当作不透水的边界，并在此边界上设置一土工膜缺陷。土工膜缺陷设置在两个位置，分别在坝坡的中部与下部。同时，在土工膜缺陷设定适宜的水头或者定流量边界条件。根据相关研究得出，坝体渗流受土工膜缺陷的影响主要包含三个要素，即缺陷位置、尺寸和数目，分析四种不同情况下渗流情况，具体方案如表2所示。

表2 土工膜缺陷对坝体渗流影响模拟方案

2.1 缺陷位置、尺寸和数目对浸润线影响

对比方案方案和可得到量化渗漏量的衡量值，进而分析土工膜缺陷位置对浸润线造成的影响，浸润线计算结果见图。土工膜缺陷位置对于坝体渗漏量的影响较大，且缺陷的渗漏量与缺陷数目之间并不存在一定同步倍数递增关系，而10 mm孔径的渗漏量钥匙2 mm孔径的7倍。

图5 不同缺陷位置坝体浸润线

表3 不同接触条件渗漏量

2.2 土工膜与其下垫层的接触情况对浸润线影响

土工膜缺陷渗漏量的影响因素除了上述所说的缺陷位置、尺寸和数目之外，还包括土工膜与其下垫层的接触情况。根据接触情况的不同，可以分为完全接触、接触良好和接触不良种情况[7-8]。设置分界面厚度为0.02～0.15 mm，接触良好和不良条件下的渗透系数分别为1×10-7m/s、1×10-4m/s，计算得到不同接触情况下渗漏量情况，如表3所示。

模拟结果显示，当接触情况较差时，即使土工膜缺陷较小，坝体的渗漏量仍较大；而土工膜与其下垫层接触良好时，即使缺陷规模和数量较大，坝体的渗漏量也保持在一个较小的范围内。土工膜与其下垫层的接触质量主要受施工质量的影响，因此，施工中应重点加强土工膜与垫层接触位置的质量控制。

3 结论

双河水库坝体防渗采用土工膜+砂壳的形式，形成了一个闭合的防渗体系。模拟结果表明，铺设土工膜后库盘渗流情况得到大为改观，浸润线下降明显，这与实测数据结果基本相同。土工膜缺陷对于坝体渗漏量有着较大的影响，包括缺陷位置、数目、尺寸以及土工膜与其下垫层的接触情况，土工膜与其下垫层的接触情况影响最为严重，施工中应加强其防控。

[1]顾淦臣.复合土工膜土石坝的设计和计算[J].水利规划设计,2000, (04):49-56.

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[4]岑威钧,沈长松,童建文.复合土工膜防渗堆石坝力学特性有限元分析[J].水电能源科学,2008,(05):110-112+165.

[5]GEO-SLOPEInternationalLtd.非饱和土体渗流分析软件SEEP /W用户指南[M].北京:冶金工业出版社，2011．

[6]李传奇,李超超,王帅,等.平原水库土工膜防渗特性分析[J].长江科学院院报,2016,(04):135-139.

[7]姜海波,侍克斌.坝坡复合土工膜防渗体的抗滑稳定分析[J].水资源与水工程学报,2010,(06):15-18.

[8]顾淦臣.复合土工膜土石坝的设计和计算[J].水利规划设计,2000, (04):49-56.

TV697.32；TV49

B

1673-9000（2017）02-0141-03

2016-02-03

陈志惠（1975-），男，新疆阜康人，工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。