深厚砂砾石覆盖层上平原水库空间组合渗流分级控制方案

王鹏全，吴元梅

(1.青海民族大学土木与交通工程学院，青海 西宁 810007；2.青海省水利水电科学研究院有限公司青海省流域水循环与生态重点试验室，青海 西宁 810001)

0 引 言

平原水库是我国西北内陆干旱区常见的灌溉水源工程，大多数属于低坝，坝基多处于第四纪松散深厚覆盖层上，且以十分复杂的天然砂砾石地基为主，其蒸发和渗漏损失都很大，渗流极大可能会破坏水库结构，给水库安全运行带来隐患[1-2]。其次，如果水库防渗措施设计不合理，会造成水资源大量渗漏，不但降低水库的兴利效益，而且会引起水库下游地下水位抬升，造成大面积土地盐渍化[3]。因此，渗流控制是深厚松散覆盖层上平原水库设计的关键问题。

西北内陆平原水库坝基多为深厚砂砾石，透水层强，如采用悬挂式防渗墙、水平铺盖、复合土工膜等单一防渗措施，在改善控渗效果、防治渗透破坏、降低工程造价和保证防渗体质量等诸多方面均不能协同最优[4- 6]。本文针对深厚砂砾石强透水覆盖层上的灌区平原水库，提出“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙”空间组合防渗体系，以提高防渗体工作的可靠性和经济性。以西北内陆区某灌区平原水库工程为例，利用Geo-studio软件Seep/w模块进行多方案饱和-非饱和渗流模拟计算，最后基于技术经济比较提出比较科学合理的推荐方案，可为类似地质条件下土石坝渗流控制提供一定的技术参考。

1 基本资料与渗控方案

1.1 工程背景

甘肃河西走廊冲洪积戈壁平原灌区某水库坝体为碾压均质砂砾石坝，以防洪、灌溉为主，控制灌溉面积0.613万hm2，正常蓄水位为1 670.20 m，死水位1 659.20 m，兴利库容206.30万m3，灌溉期水库平均入库流量15.80 m3/s，水库坝顶高程1 671.20 m，库底高程1 657.20 m，坝顶宽8 m，坝轴线长1 360 m，最大坝高14.00 m，上游坝坡1∶3.00，下游坝坡1∶2.75。

据地质勘察，该工程在大地构造上属于北祁连边缘凹陷带，不均匀沉降引起的第四系松散覆盖层厚度30～300 m，库盘下部及四周地层均为冲洪积砂砾卵石层，勘探深度内地层结构单一且分布连续，未见有连续的隔水层分布，为坝基主要渗漏通道。库盆下部地层为单层透水坝基，渗透系数12～26 m/d，属强透水层，砾砂层呈中密～密实状态，不存在液化问题。根据试验资料，坝基砂砾卵石层的允许水力坡降[J]=0.14。按照水库兴利要求，渗漏损失应控制在5%以下，即50.20 m3/(d·m)。

1.2 渗控方案

本文针对深厚强透水坝基提出“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑+坝基垂直截渗”的空间正交组合防渗体系(见图1)，强透水天然砂砾石层形成天然排水褥垫，实现对渗流的分级控制。库盘水平铺塑和坝坡斜墙铺塑均采用PE土工膜材料(厚度0.5 mm、渗透系数10-13m/s)，可对整体下渗量进行有效控制，坝体上游坡脚设混凝土垂直防渗墙(厚度0.5 m、渗透系数10-9m/s)进一步延长渗径，以减小渗流总量和渗流坡降，最后渗流在坝基下游天然砂砾石层排出[7]。

图1 空间组合防渗体系

2 数值建模与计算方案

2.1 数学模型

由于降水蒸发、水库蓄水、泄水经常导致库水位变化，坝体中土壤含水量相互补给使渗流场随之也发生改变。因此，考虑饱和-非饱和渗流理论分析土石坝渗流场更接近于实际情况，采用二维饱和-非饱和渗流控制方程[8]

(1)

式中，H为总水头；kwx(ua-uw)、kwy(ua-uw)分别为x方向和y方向随基质吸力而变化的非饱和土渗流系数；kwx、kwy分别为x方向和y方向饱和土渗流系数；ua为空气压力；uw为水压力；q为边界流量，其法向流量为0；n为边界Γ2的外法线方向，Γ1、Γ2分别为第一类边界和第二类边界。

2.2 有限元模型与材料属性

本文采用Geo-studio软件Seep/w模块进行饱和-非饱和渗流模拟计算，坝基上游段计算长度取360 m，下游段延伸120 m，坝基持力层覆盖层厚度取T=90 m，上游水头102 m，下游水头90 m，相对不透水层边界法向流量取0。有限元网格模式以四边形为主，三边形为辅，共剖分2 145个单元，6 537个节点。坝体和坝基有限元模型见图2。

图2 坝体和坝基有限元分析模型

采用VG模型闭合方程[9]估算土-水特征曲线以及非饱和土体的渗透系数。

(2)

式中，kw为非饱和土体渗透系数；ks为饱和土体渗透系数；基质吸力ψ=ua-uw；a，n，m为拟合参数，可基于土的体积含水量函数确定。

根据工程试验资料，坝体和坝基砂砾石饱和平均渗透系数为0.02 cm/s，饱和含水量为0.35 m3/s，残余含水量取饱和含水量的10%，利用Seep/w模块内置的样本函数估算单位体积含水量函数，采用VG模型估算渗透系数曲线。本次采用PE土工膜厚度0.5 mm，Seep/w建立模型时不易划分网格，为避免计算出现不收敛、误差大等问题，采用土工膜厚度等效变换原理[10]，将PE土工膜换算成厚度为2 m、渗透系数为4×10-10m/s的等效土层进行建模。

2.3 计算方案

方案1～4考虑“无防渗”、“坝坡土工膜斜墙铺塑”、“坝坡土工膜斜墙铺塑+库盘水平铺塑”、“坝坡土工膜斜墙铺塑+混凝土防渗墙”4种情况，主要考查渗流量、出逸比降、浸润线高度对上游铺塑长度Ln及防渗墙贯入深度S的敏感性。方案5考虑水平防渗体、垂直防渗体在控制渗流量和渗透坡降效果的差异性及技术经济性提出“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙”组合方案，且Ln=3S。方案6基于莱茵法“1m深垂直防渗的渗径约相当于3 m长水平方向渗径作用”的学术思想，按照水平铺塑和垂直防渗墙等渗径长度的方法，即Ln/3=2S，取Ln=6S。

选用6组计算方案，细化为34个子方案，方案的控制评价指标选用渗流量、渗流出逸比降、防渗墙底渗透坡降、浸润线高度、坝体平均渗流坡降等：方案1，无防渗措施(对照组)；方案2，坝坡土工膜斜墙铺塑；方案3，坝坡土工膜斜墙铺塑+库盘水平铺塑，子方案中库盘水平铺塑长度Ln/H=18，20，22，…，28(考虑上游接近半无限渗流，不采用全库盘覆盖)；方案4：坝坡土工膜斜墙铺塑+混凝土防渗墙，子方案中防渗墙贯入深度S/H=1，2，3，…，7(考虑透水层巨厚，采用悬挂式防渗墙)；方案5：坝坡土工膜斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙，子方案中Ln=3S，S/H=1，2，3，…，7(悬挂式防渗墙)；方案6，坝坡土工膜斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙，子方案中Ln=6S，S/H=1，2，3，4(悬挂式防渗墙)。

3 结果与分析

3.1 单一渗控方案分析

通过Seep/w模块针对各具体方案进行模拟计算，方案1(无防渗措施)单宽渗流量为155.52 m3/(d·m)，出逸点渗透坡降为0.389，坝体平均坡降为0.225，坝体浸润线起点坐标(396.0，102.0)。方案2采用“坝坡斜墙铺塑”有效降低了浸润线标高，浸润线起点比方案1降低4.3 m，渗漏量为120.96 m3/(d·m)，较方案1减少约23%，渗流出逸坡降为0.266，较方案1减少约32%。

方案3“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑”渗流控制参数变化见图3。从图3可以看出，随着水平铺塑向上游延伸，渗流量、出逸比降和坝体平均坡降均呈递减趋势且减小梯度逐渐变小。当Ln=18S时，渗流量满足控制要求，浸润线起点比方案1降低8.6 m；当Ln=28S时，出逸比降满足控制要求，浸润线起点比方案1降低9.5 m，浸润线更趋平缓。库盘水平铺塑在减少渗流流量方面效果更加显著。

图3 方案3控制参数变化

方案4“坝坡斜墙铺塑+混凝土防渗墙”渗流控制参数变化见图4。从图4可以看出，坝基渗流量、出逸比降、坝体平均坡降均随防渗墙贯入深度增加而减少，满足渗透坡降的防渗墙深度为60 m(S=5H)，而满足渗流量控制的防渗墙深度为84 m(S=7H)，显然垂直防渗墙在减小渗透坡降方面效果更加显著。当防渗墙贯入深度S=6H时，即贯入比S/T≥0.8时，防渗墙底部渗流面积不断缩小，墙体两侧压差增大导致坡降急剧增大，墙底容易形成局部冲蚀，形成渗漏通道。

图4 方案4控制参数变化

由以上分析可知：①渗透坡降对防渗墙深度变化比较敏感，渗流量则对水平铺塑长度变化比较敏感；②深厚强透水坝基上单一采用悬挂式防渗墙方案能有效降低下游浸润线高度，但对坝基渗流量的控制效果较差；③采用PE土工膜水平铺塑防渗时，渗流流量主要取决于上游入渗长度，控制渗流量和渗透坡降满足要求需要的铺塑长度过长，而河道型平原水库坝基上游更接近于半无限渗流，若水平铺塑要完全覆盖透水范围，不经济也没必要。

因此，本文提出的空间组合分级渗控体系具有一定的合理性和可行性，库盘水平铺塑和坝坡斜墙铺塑均采用PE土工膜材料，其渗透系数极小，相对强透水坝体和坝基可将其视为弱透水层。坝体土工膜斜墙铺塑对绕坝渗流和坝体渗流削减约20%，形成对渗流的第一级控制，库盘水平铺塑可对坝基下渗量和渗透坡降形成第二级控制，混凝土防渗墙将坝基渗径进一步延长，渗流得到第三级控制。通过“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙”空间组合防渗体系，能够达到逐级控制渗流，延长渗径长度，减小渗透比降的效果。

3.2 组合渗控方案分析

方案5和方案6计算渗流控制参数变化见图5、6。

图5 方案5控制参数变化

图6 方案6控制参数变化

从图5可以看出，方案5满足渗流量和渗透比降的最优子方案为库盘水平铺塑长度Ln=12H，防渗墙深度S=4H，即Ln=144 m、S=48 m，单宽渗流量为50.09 m3/(d·m)，出逸点渗透坡降为0.112，坝体平均坡降为0.037，防渗墙底部坡降为0.219，坝体浸润线起点坐标为(370.5，92.9)。

从图6可以看出，方案6满足渗流流量和渗透坡降的最优子方案为库盘水平铺塑长度Ln=18H，防渗墙深度S=3H，即Ln=216 m、S=36 m，单宽渗流流量为44.93 m3/(d·m)，出逸点渗透坡降为0.100，坝体平均坡降为0.033，防渗墙底部坡降为0.156，坝体浸润线起点坐标为(370.0，92.6)。

此外，还可以看出，方案5防渗墙贯入比S/T≥0.7(S/H≥5)时，防渗墙底部坡降急剧增大，最大坡降0.397，但远小于混凝土的渗流允许坡降；方案6受库盘水平铺塑长度影响，渗透坡降第二级控制效果较明显，浸润线起点比方案5较低，防渗墙底部渗透坡降较小且变化趋势平缓，有利于防渗墙底部局部稳定。显然，基于莱茵法学术思想采用坝基水平铺塑和垂直防渗墙等渗径长度法设计坝基正交组合防渗体系，在同时减少渗流量和渗透坡降方面优势更明显。

3.3 组合渗控方案优选

通过对比方案5和方案6，满足渗流稳定性态约束条件和经济技术条件的推荐子方案是：①坝坡斜墙铺塑+48 m垂直防渗墙+144 m库盘水平铺塑；②坝坡斜墙铺塑+36 m垂直防渗墙+216 m库盘水平铺塑。本次方案优选经济性评价参考同类地区某工程混凝土防渗墙单价927元/m3，PE土工膜单价25元/m2，推荐子方案①坝基防渗投资3 515.33万元，推荐子方案②坝基防渗投资3 003.70万元。

经渗流稳定性态约束条件和经济技术条件比较分析，推荐方案②为最优组合渗控方案。最优方案坝体渗流水头分布图、孔隙水压力分布见图7、8。Seep/w模块饱和-非饱和分析的渗流场总水头等值线、孔隙水压力等值线和渗透流速矢量分布基本合理，库盘水平铺塑区渗流为垂直下渗，坝基渗流为水平流动，流网能够较准确反映渗流场情况和特点。通过随机拾取渗流场中高斯点的渗流流速和渗流坡降，线性拟合发现渗流特性符合达西定律，拟合方程斜率与坝基砂砾石渗透系数一致，k=2×10-4m/s。由于最优推荐方案空间组合防渗体系的分级控制，渗流流量、渗透坡降及浸润线标高均得到了有效控制，满足该平原水库的运行管理要求和技术经济要求。

图7 渗流水头分布(单位：m)

图8 孔隙水压力分布(单位：kPa)

4 结 论

本文针对深厚强透水地基上平原水库提出“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙”空间组合渗流分级控制体系，并将其应用于某灌区平原水库，利用Seep/w模块对方案进行饱和-非饱和渗流模拟计算，其成果及推荐方案具有一定的合理性与科学性。本次研究表明，基于莱茵法学术思想采用坝基水平铺塑和垂直防渗墙等渗径长度法设计坝基正交组合防渗体系可有效延长渗径长度，减小渗流总量，提高防渗的可靠性和经济性。

“坝坡斜墙铺塑+库盘水平铺塑+混凝土防渗墙”三级渗流控制体系中，PE土工膜材料的质量及缺陷对防渗效果的影响、混凝土垂直防渗墙底部的局部冲蚀发展问题等还需进一步研究。其次，对于河道型平原水库上游入渗边界更接近于半无限渗流，模型上游边界条件对渗流的影响需进一步讨论。