四川红层区某水库坝址渗漏影响因素

康小兵,许 模,夏 强,张世殊

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

水库蓄水后库区水位随即抬升，增大了水库内外的水力坡度，由此导致库水经坝基和坝肩岩体、土体中的裂隙、孔隙、破碎带或岩溶通道向坝下游渗漏，该现象称为坝基或绕坝(坝肩)渗漏。坝址渗漏是水库工程重要的水文地质问题之一，渗漏不仅影响水库工程的效益、大坝的稳定性，还会产生环境水文地质问题[1]。如广东省深圳市岭澳水库，大坝基岩为中泥盆统桂头组细粒长石石英砂岩夹泥岩，岩体风化强烈，渗透系数K=1×10-3～1×10-5cm/s，因左岸坝基全风化岩石未做帷幕灌浆，导致在正常水位条件下渗漏量达2×106m3/a，占其库容的40%[2]。因此分析坝址渗漏问题，估算渗漏量，提出合理的防治措施，对工程建设具有重要意义。

渗漏是水库建设过程中需重点关注的问题，目前坝基渗漏量计算方法主要有断面流量法和数值法。断面流量法是依据达西定律，计算通过坝下地基断面的流量。数值法主要采用剖面二维渗流模型和三维渗流模型[3]，已有众多科技工作者进行了实践与探讨。如李新民等人在中梁水电站用数值法和解析法计算坝区渗漏量，两种方法的计算结果均显示坝基帷幕防渗效果良好，是坝区岸坡岩体的风化对渗漏量的影响较大[4]；黄朝煊等基于复变函数的保角映射理论及数值分析法，推导了坝基渗漏及坝肩绕渗的解析解计算公式[5]；程春龙等人运用MODFLOW和LAK3结合模拟了某水库渗漏动态过程，计算得到该水库年渗漏量[6]。

结合实际工程，本文在现场查明潜在渗漏通道基础上，应用解析法和数值模拟法对水库坝址渗漏量进行预测分析，为水库防渗提供依据。

1 工程概况

四川省东部约有11.805×104km2的面积出露白垩系和侏罗系的红色砂、泥岩，地貌形态以丘陵为主，称之为“川东红层丘陵区”。川东红层区内水资源相对匮乏，同时由于气候原因，存在明显的周期性和区域性干旱。有效解决供需矛盾的措施之一就是修建水库。

拟建水库位于四川盆地南缘、岷江支流的溜根河上，设计的水库坝顶海拔高度361.0 m，最大坝高45.0 m，控制集水面积21.7 km2，河长13.8 km，正常蓄水位的海拔高度358.5 m，库容10.09×106m3，是一座以灌溉为主，兼顾灌区集镇和农村生活用水等综合水利工程。

据地质勘探资料，坝址谷底宽14.0～15.0 m，河床海拔高度323.0～325.0 m，河床覆盖层厚约3 m，为砂土，呈饱和、松散-稍密状，下伏基岩为下白垩统窝头山组(K1w)砂岩(图1)；两侧岸坡完整性较好，左岸坡角40°～45°，右岸坡角50°～55°，坝肩段基岩裸露或浅埋(埋深<0.5 m)。第四系与砂岩均属透水岩体，坝区存在渗漏的可能。

图1 坝址区工程地质剖面图Fig.1 Cross section of engineering geology for the dam site area

2 地质环境条件

2.1 地形地貌

坝址区位于四川盆地西南部，所处地貌分区属盆地内构造剥蚀低山丘陵区之构造剥蚀盆中方山丘陵亚区，地貌形态基本轮廓受地质构造控制，同时与地层岩性密切相关。丘陵区以剥蚀为主，山区及河谷区以侵蚀作用为主。区内地貌单元主要可划分为构造剥蚀地貌和侵蚀堆积地貌两大类型[7]。

2.2 地层岩性与地质构造

2.3 水文地质条件

根据含水层性质以及地下水在含水介质中的富集形式和分布特征，水库区地下水类型可分为两类：松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。

松散岩类孔隙水主要为第四系孔隙潜水。研究区域内第四系松散岩类残坡积层和崩坡积层并没有广泛分布，厚度1～3 m，较薄，基本不含水。沿溜根河分布的冲洪积层，以卵砾石夹砂为主要含水层，主要接受河水和大气降水补给，形成较稳定的地下水潜水面，埋藏浅，水量大，径流条件好，水位呈季节性变化。

红层区基岩裂隙水主要为风化带裂隙水。研究区基岩裂隙水赋存于白垩系巨厚层砂岩和侏罗系砂、泥岩地层中，砂岩、泥岩裂隙、孔隙发育，具有良好的储水空间及透水性。地下水接受大气降水及上覆第四系孔隙水补给，由高向低顺裂隙和孔隙径流，主要以泉、井形式排泄。受地形地貌和裂隙发育程度的限制，多就近补给、排泄于附近低洼地带或冲沟，径流途径较短。局部砂岩与泥岩的互层段，地下水具有一定承压性。

因此，为尽早发现急性重型减压病致肝内多发积气及其他消化道损害，建议在常规行胸部CT检查时加做腹部CT或腹部强化CT检查，甚至在急性减压病早期经再加压治疗好转后出现腹胀或腹部疼痛不适等消化系统症状时，应及时行腹部CT或腹部强化CT检查，明确诊断并采取综合治疗。

2.4 坝址渗漏通道分析

据“坝址(渠线)选择专题报告”、“正常蓄水位选择专题报告”资料，河床坝基及两岸坝肩岩体存在透水带，有坝基渗漏、渗透问题。

坝址河床覆盖层一般厚度2～3 m，厚度较薄，物质成分主要为孤块石夹砂土，松散-稍密状，透水性较强，据抽水试验，渗透系数平均为7.3×10-2cm/s，属强透水层。

红层丘陵区因侵蚀和剥蚀作用较弱，在物理风化、生物风化和化学风化综合作用下，地表以下普遍有30～50 m厚的风化裂隙带，是地下水运移、储存、埋藏的主要空间与通道。坝基岩体为窝头山组砂岩，风化岩体为弱-强透水层，新鲜岩体为微-中等透水层，坝基及坝肩存在渗漏与绕坝渗漏问题。

根据钻孔压水试验成果分析，坝址区岩体透水性与岩体风化状况、岩性、裂隙发育程度、张开宽度和连通性等有密切关系。坝址河床岩体透水带(透水率>5 Lu)厚度为46～49 m，左岸厚度为31～62 m，右岸厚度为60～63 m。强-弱风化岩体比新鲜岩体透水性强，岩层总体上具有随深度的增加透水性逐渐减弱的趋势。透水带的存在带来了水库渗漏的风险。

3 解析法估算渗漏量

坝址渗漏按其发生渗漏部位又可分为坝基渗漏和绕坝渗漏两种类型。其中坝基渗漏是指通过坝基覆盖层及透水岩体向下游发生渗漏；绕坝渗漏是指绕过两岸坝肩向下游发生渗漏。使用解析法可以计算得到坝基渗漏量和左右两岸绕坝肩渗漏量[8-9]。

3.1 坝基渗漏

根据《水利水电工程地质手册》，将水库区周边地下水考虑为潜水，采用水库渗漏量计算公式计算水库坝基渗漏情况[10]。

(1)

式中：Q为渗漏量；K为岩体渗透系数；b1为过水断面宽度；H为渗漏过程水头损失；H1为过水断面最大高度；h1为过水断面最小高度(本次计算均为0 m)；J为水力坡度；L为渗漏途径长度。过水断面b1取河床的平均宽度5 m；过水断面最大高度H1取40 m；过水断面最小高度取0 m；水库的正常蓄水位(海拔高度)是358.5 m，下游河水位(海拔高度)是330.7 m;渗漏过程中水头损失为27.8 m；渗漏途径长度从图中读取，约为9.7 m；根据《红层地下水勘查开发的理论及方法》[11]及现场钻孔资料，研究区渗透系数K取0.1 m/d。

计算得到坝基渗流量为121.3 m3/d，约4.4×104m3/a。

3.2 绕坝渗漏

采用《水利水电工程地质手册》中计算绕坝渗漏的公式

Q=0.366KH(H1+h1) lg(b/r)

(2)

式中：Q为渗漏量；K为岩体渗透系数；H为有效水头高度；H1为库水位高出隔水层的高度；h1为河流水边线的含水层厚度；r为绕坝渗流半径；b为水库沿岸渗漏长度，b=L/π(其中L为绕坝渗漏宽度)。有效水头高度为水库正常蓄水位与下游河水位之差，为27.8 m；H1取45 m；h1为5 m；绕坝肩渗流半径r取10 m；绕坝渗漏宽度L可以从图中读取，为65 m；渗透系数K仍然取0.1 m/d。计算得到绕坝肩渗流量为16.1 m3/d，即0.59×104m3/a，两坝肩总渗漏量总计为1.17×104m3/a。

3.3 坝址渗漏程度分析

由以上计算结果可知，该水库枢纽大坝的总渗漏量为坝基渗流量与绕坝渗流量之和QL= 5.60×104m3/a。

依据工程地形图，勾勒出库区四周的分水岭位置，得到库区汇水面积A= 755.4×104m2，而研究区年平均降雨量P=1 063 mm。在极限情况下，若认为所有降雨都形成产流，汇集后向出口排泄，则出口断面径流量Q0= 803.0×104m3/a。

坝渗流总量与径流量之比(QL/Q0)=0.7%，根据《水利水电工程水文地质勘察规范》(SL373-2007)的规定[12]，总渗流量小于河流多年平均流量的3%，为轻微渗漏水库，渗流对坝基稳定性影响较小。

4 数值法模拟预测渗漏量

4.1 模型概化及建立

基于国际通行的地下水模拟软件Visual MODFLOW，分别建立天然状态下和大坝建成后正常蓄水情况下的模型，以预测大坝修建对枢纽区地下水流场的影响[13,15]。

模拟区域东西长1 007 m，南北宽741 m，模拟区总面积为0.75 km2；模型顶部设置与地表海拔高度一致，一方面接受大气降雨的入渗补给，同时又有蒸发作用，将其概化为自由面边界；模型底部海拔高度设置为300 m，裂隙基本不发育，可概化为隔水边界。将冲沟概化为第二类的定水头边界，大坝用墙体边界刻画，并设置为渗透系数极小的渗透单元。

由此将模拟区域在平面上剖分为97×133个矩形网格单元，模拟过程中对坝址部位进行了细化处理，细化部分的网格大小为5 m×5 m，其余部分为10 m×10 m，每层单元数为12 901。垂向上自上而下共剖分为5层，整个模型网格总数为64 505(图2)。

图2 模型网格剖分示意图Fig.2 Sketch showing model mesh generation

将冲沟内水流概化为第二类定水头边界条件(图3)。天然条件下，设置冲沟内水位(海拔高度)为330.7 m，为区域地下水排泄基准面。大坝建成后，在正常蓄水工况下，坝上游定水头边界水位(海拔高度)为358.5 m，下游为330.7 m(图4)。坝体是模拟的关键，使用MODFLOW中的墙体边界(Wall Boundary)来刻画大坝。该边界又被称为水平流障碍边界，可用于模拟地下含水层系统中对地下水水平流具有障碍作用的物体。同时，将坝体所在单元的渗透系数取极小值10-10m/d。

图3 天然条件下边界条件概化Fig.3 Model boundary generalization under natural conditions

图4 正常蓄水工况下边界条件概化Fig.4 Model boundary generalization under normal water storage condition

4.2 模拟结果分析

4.2.1 地下水渗流场分析

对比天然状态和正常蓄水情况的渗流场平面等直线图(图5)可以看出：(1)天然无坝情况下，坝址区段河谷渗流场主要由两岸较高的地下水位向河谷渗透形成。渗流场受地形控制明显，近河谷地带坡度陡，水力梯度也较大，离河谷距离增加水力梯度变缓。(2)蓄水后在上、下游水位差的作用下，库水的渗漏主要是绕坝基渗漏，以及在大坝两侧产生的绕坝渗流。

图5 坝区地下水渗流场平面图(模型第2层)Fig.5 Plane showing simulated groundwater seepage field (second layer)(A)天然条件; (B)正常蓄水条件

由图6、图7可以看出，水库蓄水使得区域地下水水位总体上有一定抬升。模拟设置的观测孔抬升水位为1.0～6.7 m不等。总体上，上游抬升幅度大于坝轴线，而坝轴线又大于下游；坝右岸抬升幅度又大于左岸。从坝轴线和坝上游200 m剖面看，离冲沟越近水位抬升幅度越大；而坝下游200 m观测剖面，离冲沟越远水位抬升幅度越大。这是由于大坝挡水，地下水绕坝渗流的结果。

图6 天然条件下渗流场剖面图(模型第15列)Fig.6 Profile showing simulated groundwater seepage field under natural conditions (row 15)

图7 正常蓄水工况下渗流场剖面图(模型第15列)Fig.7 Profile showing simulated groundwater seepage field under normal water storage conditions (row 15)

4.2.2 渗漏量计算

在模型中，通过设置均衡域来进行渗流量的计算。分别设置了坝基渗流均衡域、左坝肩均衡域和右坝肩均衡域3个计算区域(图8)。其中坝基渗流均衡域贯穿模型，所以在模型的5个层上均有赋值；左右坝肩仅涉及到模拟的第1、第2层。模拟结果见图9。

图8 水均衡区设置平面示意图Fig.8 Schematic diagram of water balance zone

图9 模拟渗流量柱状图Fig.9 Column graph showing simulated seepage inflow

对比解析法与数值法2种方法计算得到的渗漏量(表1)，对于坝基渗漏数值模拟得到的结果偏大；而2种方法对左右坝肩渗漏量的计算总量一致，数值模拟结果右坝肩偏小，左坝肩偏大：所以总渗漏量数值模拟计算的结果大于解析法。但总体上误差较小，验证了模型的有效性。渗漏对于大坝稳定性影响有限。

表1 两种方法渗漏量(m3/d)对比Table 1 Comparison of seepage amount analyzed by two methods

5 结 论

本文运用解析法与数值法预测了坝址渗漏量，两者预测结果较为接近，可以相互印证；也表明在均质介质中能较好地预测水库渗漏量。计算结果显示，该水库坝址总渗漏量为(5.60～6.86)×104m3/a，在河流多年平均流量的3%以下，为轻微渗漏，渗流对坝基稳定性影响较小。

为保证水库安全有效运行，需对河床坝基及两岸坝肩岩体的透水带进行帷幕防渗处理，同时建议在大坝下游及水库周边邻谷区设置地下水位长观孔。