玉滩水库坝址渗漏对水库安全的影响研究

廖方元

（四川省水利水电勘测设计研究院勘测分院，四川 成都 610500）

随着水库蓄水后，水库水位升高，水库内外的水力坡度逐渐增大，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。坝址渗漏是玉滩水库工程主要的地质问题，坝址渗漏不仅影响玉滩水库工程的效益、坝体的稳定性，还会产生环境问题[1]。

玉滩水库坝址渗漏是建设过程中主要关注的问题，现在，坝基渗漏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。数值法主要采用二维渗流模型和三维渗流模型[2]进行模拟计算。

玉滩水库区覆盖层与基岩均属透水岩体，水库蓄水后库区水位随即抬升，增大了水库水力坡度，由此导致坝址渗漏，渗透不仅影响水库整体的安全性和稳定性，还会对水库坝址环境的水文、地质等产生后遗问题，从而降低到水库的整体效益。本文利用MODFLOW地下水模拟软件对水库坝址渗漏进行模拟分析。

1 工程概况

玉滩水库位于重庆市大足区境内，灌溉面积为32.84万亩，是重庆市境内的一座大（二型）水库。玉滩水库工程的主要任务是农业灌溉及城乡供水。2011年，玉滩水库工程实现下闸蓄水；2012年9月，枢纽工程以优良的评价完成竣工及水保、档案等全部单项验收。

水库总库容量由2360万m3扩建至14960万m3（大二型水库）。灌溉面积为32.84万亩，其中改善灌溉面积18.27万亩，新增灌溉面积14.57万亩。供水人口59.1万人，按95%的保证率供生活和工业用水6118万m3。玉滩水库正常蓄水位海拔高度358.5 m，相应库容1.321亿m3，校核洪水位353.31 m，总库容1.496亿m3。水库设计洪水标准为100年一遇洪水，洪峰流量为2230 m3/s；校核洪水标准为2000年一遇洪水，洪峰流量为4270m3/s。

玉滩水库枢纽建筑物主要由主坝、副坝、溢洪道及左、右岸灌溉引水隧洞组成。水库工程主坝推荐坝型为沥青心墙石渣坝，泄洪建筑物布置于左岸香炉石山左侧垭口处，灌溉引水隧洞分别布置在主坝左、右两岸，主坝坝址右岸垭口处布置7座浆砌石副坝。枢纽主要建筑物主坝、副坝、溢洪道、右岸灌溉引水隧洞为2级建筑物，其他次要建筑物为3级，左岸灌溉引水隧洞及其进水口按3级建筑物设计，泵站工程等别为Ⅳ等，建筑物级别为4级。

2 水库坝址区地质条件

玉滩水库位于四川盆地东南部，水库坝址以出露为主要的基岩构成，其出露基岩地层主要是中生界侏罗系中统上沙溪庙组上段红色碎屑岩，根据岩性组合特征可以划分为7层，而坝址区出露第2至第5层。该水库坝址含水层地下水为基岩下的地下裂隙水，而且形成这种基岩下的地下裂隙水的主要原因是因为基岩风化带开裂，进而导致水库区地下水源集成[3]。

3 坝址渗漏计算

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。

3.1 坝址坝基渗漏量计算

水库坝址坝基渗漏量计算公式为：

式中：Q为水库坝址渗漏量，m3/d；K为岩体渗漏系数，m/d，取0.1 m/d；b1为过水断面宽度，m，取5 m；H为水库坝址渗漏水头损失，m，为27.8 m；H1为过水断面最大值，m，取40 m；h1为过水断面最小值，m，取0 m；J为水库坝址水力坡度，m；L为水库坝址渗漏净长，m，约为9.7 m。

水库的正常蓄水位(海拔高度)是358.5 m,下游河水位是330.7 m；根据现场钻孔资料,经计算，四川红层区玉滩水库的坝址坝基渗漏量Q为121.3 m3/d，,约4.4×10 m4/a。

3.2 坝址绕坝渗漏量计算

水库坝址绕坝渗漏量计算公式为：

式中：Q为水库坝址渗漏量，m3/d；K为岩体渗漏系数，取0.1 m/d；H为有效水头高度，为27.8 m；H1为水库水位高出隔水层的高度，为45m；h1为河流水边线的含水层厚度，为5 m；r为水库坝址绕坝渗流半径，为10 m；b为水库坝址沿岸渗流长度，m，b＝L／π，L 取 65 m，。

经计算，坝址绕坝肩渗漏量Q为16.1 m3/d，即0.59X104m/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=5.60×104m/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=1063 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Q=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》(SL 373-2007)的规定，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 水库坝址区渗漏分析

4.1 建模

MODFLOW地下水模拟软件是三维地下水计算模拟软件之一，展示出来的有限差分法便于人们对水库坝址区渗漏情况进行了解，使水库坝址区渗漏在现实条件下模拟软件中得到建设。

通过MODFLOW地下水模拟软件建设出天然水流状态时的蓄水情况以及水库坝址建成后的蓄水情况，将模拟区的边界抽象条件变化为直观可见的概念结构。天然水流边界概化，见图1，水库坝址建成后的边界概化，见图2。

图1 天然水流边界概化

图2 水库坝址建成后的边界概化

地下水模拟软件清晰的展示了水库坝址建成后正常的蓄水工作状况，由图2反应了四川红层区玉滩水库的坝址低渗的区域，集中在坝上边墙体边界。

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3）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3 坝区地下水渗流场平面图（模型第2层）

由图4、图5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1.0 m～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4 天然条件下渗流场剖面图（模型第15列）

图5 正常蓄水工况下渗流场剖面图（模型第15列）

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6)。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7。

图6 水均横区设置平面示意图

图7 模拟渗流量柱状图

对比解析法与数值法2种方法计算得到的渗漏量（表1）,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[4]。

表1 两种方法渗透量对比 单位：(m3/d)

5 结论

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，表明在均质介质中能较好地预测水库渗漏量。计算该水库总渗漏量为（5.60～6.86）×104m3/a，四川红层区水库坝址的渗漏占所在河流平均量的3%，水库坝址存在轻微的渗漏情况，不会对水库坝基的稳定性、安全性造成不可逆转的影响。