西北某注入式水库库盘防渗方案比选研究

何 潇

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

西北某水库是一座以灌溉、农村人畜饮水兼顾防洪为主要功能的引水注入式水库，总库容为5.500×107m3，控制灌溉面积25.5万亩，供应15.4万人的人居饮水和30万头牲畜的生活用水。水库工程主要由引水工程与水库枢纽两部分组成，引水工程主要包括渠首(拦河闸)和引水干渠，水库主要包括大坝、供水灌溉洞、放水渠、溢洪道组成。

经调查库区地质，库盘及两侧岸坡覆盖层岩性以粉土、卵石混合土为主，透水性好，库盘封闭条件差，水库常年渗漏。经测算，库坝区日渗漏量约为4.8万m3/d，年内按200 d正常蓄水计算，水库年渗漏量约960万m3，约占总库容的34%，库水渗漏损失巨大。

1 库区地质概况

库区为宽浅U型斜坡洼地，南东高、北西低，地形坡降2°～3°。左岸坝址上游侧为缓坡，为山前洪积扇组成的洪积平原，岸坡坡度为3°～8°，岸坡顶(坝线处)地形微倾向下游；左岸坝址下游侧为一土垄，坡顶为平台，岸坡高15 m～25 m，岸坡坡度为8°～18°，局部有溪流冲刷淘蚀形成的陡立土坎；右岸为一长条形土垄，岸坡高10 m～47 m，岸坡坡度为10°～18°。

1.1 库坝区覆盖层及其渗透性

库盘及两侧岸坡均被第四系上更新统-全新统洪积物(Q3-4pl)覆盖，岩性主要为粉土、卵石混合土。粉土层厚1 m～20 m，覆盖在卵石混合土之上，在库区溪沟及右岸岸坡处缺失；下部卵石混合土层厚数米至数十米，分布连续稳定。

对库区上层粉土层取样进行10组渗水试验，粉土的渗透系数为1.0×10-4cm/s～9.9×10-4cm/s，平均值4.5×10-4cm/s，属中等透水性；在库区粉土层较薄处对卵石混合土进行试坑揭露并取样、对右岸岸坡卵石混合土出露处取样，共进行6组渗水试验，卵石混合土渗透系数为1.3×10-2cm/s～1.5×10-1cm/s，平均值5.0×10-2cm/s，属强等透水性。

1.2 库盘表层粉土厚度分区

经取样试验，粉土层的渗透性远小于卵石混合土层，是相对阻水层。经地质调查实地踏勘，在库区溪沟及右岸岸坡处，粉土层缺失，卵石混合土出露；靠近溪流处粉土层较薄；溪流以外随距离粉土层厚度逐渐增大。具体表现为：溪流两侧50 m～150 m处粉土厚度小于5 m；溪流两侧150 m以外部分粉土厚度一般大于5 m，其中库盘在靠近右岸处，微地貌显示为一凹槽，此处粉土层沉积厚度较大，厚度10 m～20 m。库盘表层粉土厚度分区面积统计见表1。其中，表1中括号内为上坝线库内面积；表内面积统计不包括右岸边坡。

表1 库盘表层粉土厚度分区面积统计表

库区右岸边坡处在正常蓄水位以下卵石混合土出露面积约4.4万m2，其中上坝线右岸卵石混合土出露面积约2.51万m2；溪沟处因流水冲刷切割，沟底已至卵石混合土顶面。右岸及西沟底卵石混合土层均通向库外，是库水良好的渗漏通道。

2 库盘土层间的反滤判别

库盘表层覆盖粉土，下伏巨厚的卵石混合土层。库区地下水除坝址区溪沟两侧埋深较浅外，库区其余部分埋深一般大于10 m。因此当水库蓄水时，库水将向土体深部渗漏，渗流方向由上向下，上部细颗粒有被水流带入下部粗颗粒的可能。为判别上部粉土是否产生流失破坏，对库内表层粉土层和卵石混合土层采取全分析样进行颗分试验，其成果见图1。

粉土小于0.075 mm颗粒含量大于85%。可采用下式判别，D15≤9×d85，式中：D15为卵石混合土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d85为粉土粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%。

可知，粉土d85最小粒径为0.034 mm，d85最大粒径为0.16 mm；卵石混合土上下包络线D15最小粒径为0.025 mm，D15最大粒径为0.58 mm。按上式判别，D15最小粒径与d85最小粒径满足反滤要求，即0.025≤9×0.034=0.306；D15最大粒径与d85最大粒径满足反滤要求，即0.58≤9×0.16=1.44；D15最大粒径与d85最小粒径不满足反滤要求，即0.58≥9×0.034=0.306。考虑土体的不均性，可认为库盘内局部地段下部卵石混合土不能对上部粉土起保护作用，水库蓄水时库区表层覆盖粉土会发生局部流失破坏，在库内高水头及粉土较薄处应采取必要的防渗措施。

3 库盘防渗方案比选

拟定2种库盘防渗方案进行比选：①粘土铺盖防渗；②复合土工膜防渗。

3.1 粘土铺盖防渗方案

库盆粘土铺盖防渗范围为坝趾前、库盆内的黄土层分布不均匀且天然铺盖折算为人工铺盖后厚度小于等坡降铺盖要求的区域及库盆内发育的几条常年流水的溪沟。等坡降铺盖采用人工铺盖与天然铺盖的组合铺盖考虑，组合铺盖厚度采用下式计算：

经计算，中坝段L1=680 m，t1=8.5 m，则等坡降粘土铺盖铺设厚度为8.5 m，铺设长度为680 m，铺盖末端铺设厚度为3.0 m。

3.2 复合土工膜防渗方案

复合土工膜防渗方案拟选用的复合土工膜为一布一膜，具体规格为公称厚度为0.6 mm厚的聚乙烯土工膜，耐静水压为1.0 MPa；土工布为总单位面积质量300 g/m2的非织造布，标称断裂强度为14 kN/m。铺设范围为坝址前及库盘黄土覆盖层内渗透比降超过临界水力比降的区域、卵石混合土出露的区域及库盘内发育的几条常年流水的溪沟。工艺要求为库盘清基0.5 m，清除尖硬杂物，膜上回填土料厚0.6 m；土工膜铺设时加稳定剂，确保清、污水下工作年限分别达到40年～50年、30年～40年；设置排水排气措施，防止水、气顶托造成膜材破坏，在坝址处压重厚5 m防渗土料，周边接界采用截水槽处理，将土工膜埋入槽内，封堵渗流入口，截断侧向的渗漏路径[1]。

3.3 二维渗流分析比选

3.3.1 计算理论

渗流分析针对以上2种库盆防渗方案分别开展，分析水库正常运行条件下的坝体和坝基渗流情况。渗流计算理论选用达西稳定渗流控制方程，即：

式中：h为总水头，即压力水头与位置高度之和；kx、ky、kz为沿x、y、z方向得渗透系数，此计算中kx=ky=kz，n为边界的法线方向。

3.3.2 计算模型

采用通用有限元程序Abaqus中的渗流应力耦合计算模块，计算时将所有结点的位移进行约束，只进行渗流计算。计算中取坝体4个断面进行计算，分别为中坝段断面1+170、1+440、1+700和左坝段断面0+560，模型区域涵盖上下游坝体、覆盖层及沥青混凝土面板坝。计算模型+X轴对应顺河流方向，-Y轴对应重力方向，+Z轴对应坝轴线坝段编号方向。模型中坝体顶部高程为1126.2 m，上游坡比1∶1.9，下游坡比1∶1.8；底部边界取至高程996.2 m处，即坝基开挖底线以下约80 m处，上游边界取至坝轴线上1567.4 m处，即坝轴线上874.3 m处。考虑不同材料的分布以及地层的分界情况，建立有限元计算网格。此处以中坝段断面1+440为例，其整体模型见图2，坝体附近模型见图3，覆盖层区域(以方案二为例)模型见图4。

图2 整体模型(断面1+440)

图3 坝体附近模型(断面1+440)

图4 覆盖层区域模型

3.3.3 计算成果

根据计算，得到断面1+440处，方案一正常蓄水位下粘土铺盖防渗方案最大断面孔压分布图、坝体附近区域孔压分布图及坝体附近区域的流速矢量分布图见图5～图7；方案二正常蓄水位下复合土工膜防渗方案最大断面孔压分布图、坝体附近区域孔压分布图及坝体附近区域的流速矢量分布图见图8～图10。

图5 断面1+440方案一最大断面孔压分布图(单位：kPa)

图6 断面1+440方案一坝体附近区域孔压分布图(单位：kPa)

图7 断面1+440方案一坝体附近区域的流速矢量分布图(单位：m/s)

图8 断面1+440方案二最大断面孔压分布图(单位：kPa)

图9 断面1+440方案二坝体附近区域孔压分布图(单位：kPa)

图10 断面1+440方案二坝体附近区域的流速矢量分布图(单位：m/s)

由图可以得出，方案一由于面板渗透系数较小，渗透水头大部分消耗在面板层内部，中坝段断面1+440每延米渗流量分别为0.44 L/s；方案二由于土工膜的防渗作用，坝体及覆盖层整体孔压值小于方案一，由于面板及土工膜渗透系数较小，渗透水头大部分消耗在面板层及土工膜内部，土工膜下黄土层内渗透比降接近0，断面1+440每延米渗流量分别为7.13 mL/s，为方案一渗流量的1.62%。

根据不同时段水位下渗流量加权求得全年渗流量见表2。可以得出，有方案二复合土工膜防渗方案条件下大坝全年渗流量为方案一粘土防渗方案条件下的0.85%。

4 结论

经地质调查和勘探工作，该库区地层较复杂，地层中存在透镜体及夹层，部分区域地层分布不均匀，砂砾石坝基渗流系数较大，且坝高超过50 m。砂砾石地基对粉土层缺少良好的反滤保护，容易出现渗透稳定性问题。防渗水平铺盖在蓄水过程中贴岸边坡处容易发生滑坡，导致防渗体系有效性发生破坏，需要对边缘进行密封和保护。经过方案一和方案二的二维渗流分析对比可知，有复合土工膜条件下大坝稳定性较好，同时可大大降低全库的渗流量，因此本工程防渗方案建议采用复合土工膜库盘防渗的方案。