南门外水库防渗加固必要性与方案选择的探讨

纪 源 ， 袁 哲

（1.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006；2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866）

0 引言

水库作为一项重要的水利工程设施， 库区的面积一般较大、地质构造及运行环境都比较复杂，其特点决定了完全不漏水的水库是不存在的。 但是， 一旦渗漏问题严重就会影响水库的正常蓄水与兴利运用， 造成水资源的无故浪费并影响坝基稳定。 一般来说，水库的渗漏总量（包括坝区的渗漏量）小于该河流多年平均流量的5%，或渗漏量小于该河流段平水期流量的1%—3%[1]， 就能够保证水库的正常兴利运用， 对于渗漏量过大的水库则需要通过防渗加固工程来保证水库的正常运行。

南门外水库上一次除险加固工程于2010 年竣工，工程建设完成后进行了一次蓄水，因渗漏原因未能成功。 由于该水库不具备渗流量监测设施，因此采用渗流的有限元数值方法对其渗流量进行计算分析， 做为南门外水库防渗加固必要性与防渗加固型式选择的依据。

1 工程概况

南门外水库坝址建于林西县林西镇东南6km河沿村， 坐落在辽河流域西拉木伦河水系查干沐沦河支流嘎斯汰河右岸， 为嘎斯汰河中下游一座拦河蓄水及旁引屯蓄相结合的小（1）型水库。 水库以上流域地形属低山丘陵区和沙丘区， 林草覆盖率较低，植被条件一般，地形变化不大，多为沙丘、沙包，丘陵起伏，径流的主要来源为降水，水土流失较为严重。 水库引水渠由嘎斯汰河1#橡胶坝上游延伸至库尾，全长4.5km，现状为梯形断面明渠。大坝型式为土石坝，防渗体为上游坝坡15cm 厚的混凝土防渗板， 同时坝脚设水平土工膜防渗铺盖长度为45m。

南门外水库兴利调度的任务主要是利用水库来调蓄水量， 该水库的运行模式为拦河蓄水及旁引屯蓄相结合， 水库引水口在嘎斯汰河1＃ 橡胶坝，利用1# 橡胶坝上游进水闸按计划旁引屯蓄嘎斯汰河水。 每年5 月中旬，橡胶坝充水起坝袋，汛期6 月20 日至8 月20 日橡胶坝塌坝度汛， 这期间水库基本不在引水，8 月20 日至9 月20 日如河道有来水橡胶坝再次起坝引水， 汛期期间水库补水根据天气预报和雨情情况择机起坝引水。 汛期雨量充沛时水位最大蓄至784.02m，多余水量倾泻至下游。 水库渗漏问题得到解决后，通过拦河蓄水及旁引屯蓄相结合的方式，可以有效节约资源，缓解该地区水资源的供需矛盾。

2 地质条件概况

南门外水库坝址区河谷为不对称的U 型谷，河谷平坦、开阔，宽约750m。 两岸山坡较缓，岸坡岩性主要为第四系坡洪积砂土、黏性土等。 工程水文地质勘察期属平水期， 天然地面以下地下水埋深约5—6m。 地下水类型为第四系潜水，主要接受大气降水补给，并以地下径流的方式排泄，主要含水层为卵石层，属强透水。

根据南门外水库现场钻探成果显示， 坝址区域地层岩性主要包括第四系全新统冲洪积（Q4apl）砂土、中更新统冰积（Q2gl）砂卵砾石及黏性土、侏罗系上统吐呼噜组（J3t）凝灰岩等，且水库大坝基础存在孔隙率大的松散砂、 卵砾石层以及其他强透水带， 地基的水文地质条件和工程地质条件就地面蓄水来说存在天然缺陷。 同时，南门外水库大坝采用的是土石坝， 当前大坝上游防渗面板厚度已不满足现行规范要求，构成坝体的介质主要是碎石，在应力和水库蓄水的作用下极易发生坝体和坝基的渗漏，且存在使水库大量漏失、扬压力超限和软弱透水层出现管涌等渗透变形的风险[2]。

3 渗流问题的有限元计算

3.1 渗流基本定律

实际的地下水流只出现于固态的石头以及岩土粒子之间的孔隙之内， 因此深入研究大坝地基的空隙以及裂缝中的地下水运动状况是非常艰难的。 为了方便科学研究，我们便把对坝基渗流介质的研究简化为对连续性多孔介质的研究， 探究均匀渗透规律的特征。 达西最早是在圆管中开展的有关渗流量实验的科学研究， 并提出了有名的达西定律： 渗透速率与断面积和水头损失成正比率关系，与渗透路线长度成反比率关系。

式中：v渗透速度，m/s；Q渗透流量，m3/s；J—J=H/L，H为水头，L为渗径长度，m；A渗流方向的截面积，m2；k土的渗透系数。

达西定律研究的这种假想流动形式叫做渗透性流动，又称渗流假想流动，所占有的空隙范围叫做渗流范围或者渗流场，关于这种流动有如下假定：

（1）它经过任何断面的流速，和实际水流经过同一断面的流速都相同；

（2） 它在任何断面上的压强或水头应小于其实际流动的压强或水头；

（3） 它在任何介质孔隙内所受到的阻碍都应小于在实际流动中受到的阻碍。

3.2 有限元计算方法

土石坝渗流问题的有限元计算采用单元离散化方法。 首先将计算区域划分为多个相互关联的子区域（即受限单元），然后将要计算的水头函数替换为单元内连续的子分区近似函数， 结合多项式插值法，来构造单元的近似水头函数表达式。

求解表达式时先将区域离散化， 然后再分成若干个单元，以建立等参数有限元的流形函数，然后针对任何一个未知节点， 都能够建立一个代数方程组。 如此一来，求解水头函数的微分方程问题也将变成求解线性代数方程的问题。

目前对渗流问题的解决算法和软件系统也有很多，如Ansys、flac、理正岩土等计算分析软件系统等等。 本文采用理正岩土计算分析软件 （学习版）， 应用二维有限元模型进行相关数值运算，对解析对象的特性以及工程设计的合理化等作出剖析、评价，并进行适当的改进与优化，这也正是开展有限元分析的主要目的所在。 计算过程中先进行.dxf 格式模型的绘制，然后再读进渗流模块计算软件中；自动生成浸润曲线（面）等势线、流线、浸染线及其彩色应力场、 计算结果曲线面积和渗流量、渗流出口比降等。

3.3 计算边界参数界定

南门外水库大坝防渗体为上游坝坡15cm 厚的混凝土防渗板，属于非土质防渗体，同时坝脚设水平土工膜防渗铺盖。 根据现场勘查结果，大坝主体填筑土为非防渗体，渗透系数较大，结合原位测试成果和室内试验统计成果，依据现行规范，给出填筑土内摩擦角建议值为29°，渗透系数建议值为2.315×10-2cm/s（20m/d）＞1×10-4cm/s。 大坝现状上游坝坡防渗混凝土板存在裂缝和孔洞， 部分混凝土板缝间止水缺失， 其防渗方式已不能满足土石坝或面板堆石坝现行规范的要求。 因此将混凝土防渗板渗透系数进行折减， 将防渗体的折减系数取为0.2 进行计算，根据现场钻探成果揭露，各岩土层渗透系数采用表1 中建议值， 各地层岩性详述如下：

表1 坝址各岩土层渗透系数建议值统计表

第①层：含细粒土砂（中砂），白色～黄褐色，稍湿，松散，主要矿物成分为石英和长石，含泥量较高，局部夹有泥块。分选性较好，级配较差。本层岩性成分与大坝填筑土相同。第①-1 层：低液限黏土（粉土），黄褐色，稍湿，密实。

第②层：含细粒土砂（中砂），白色-黄褐色，湿，中密-密实，主要矿物成分为石英和长石。 分选性较好，级配较差。

第③层：级配不良砾（卵石），杂色，湿～饱和，密实。 磨圆较差，砾石主要呈次棱角状，粒径多在5cm 以上，钻进过程中多见超径者，砾石岩性可见安山岩、英安岩和凝灰岩等。

第④层：低液限黏土（粉质黏土），黄褐色，硬塑，具中等压缩性，层间局部夹有砾石，粒径多不足2cm。

第④-1 层：含细粒土砂（细砂），黄褐色，饱和，密实，主要矿物成分为石英和长石。 分选性较好，级配较差。

第⑤层：凝灰岩，紫红色，凝灰结构，块状构造，矿物成分主要由火山灰组成。 强风化为主，呈碎块状。

4 结果与讨论

4.1 不同工况下渗流

将现状坝体计算参数带入有限元模型，区域离散化示意图见图1，流网计算结果示意图见图2。 根据渗流有限元的计算成果，坝基渗流量按正常蓄水水位计算为10.66×104m3/d（计算长度取垂直主河槽长度720m），而水库总库容为150.24×104m3，按照计算结果推算， 水库蓄水速度大于坝址渗流速度，但是渗流量极大，无法起到兴利运用的效果。 由于坝脚顺河铺设作为坝基防渗，土工膜长度为45.0m，所以工程现状渗流量大的原因可能是土工膜铺设长度不够，因此无法达到理想的防渗效果。

图1 区域离散化示意图

图2 流网计算结果示意图

为了验证这一假设， 将上游坝脚土工膜铺设长度分别取为100m、150m、200m， 带入有限元模型，进行正常蓄水位下渗流量的有限元计算。 然后明确需要对比的指标为坝基渗流量， 将不同工况下的布置型式绘制成.dxf 格式模型，分别带入相同的有限元计算模型与工程地质参数指标， 并对各个方案的计算渗流量占入库流量比例与占总库容比例进行计算、分析和比较，从而得到定性分析的结果，不同工况下渗流有限元计算成果见表2。

表2 不同工况下渗流计算成果表

4.2 不同水平防渗长度渗流量

根据水库兴利调度的任务， 南门外水库汛期利用1# 橡胶坝上游进水闸按计划旁引屯蓄嘎斯汰河水， 汛期雨量充沛时水位最大蓄至784.02m，多余水量倾泻至下游， 为拦河蓄水及旁引屯蓄相结合水库， 引水时需要橡胶坝坝袋充水后涌高河道水位进入引水口到渠道， 取水口进水闸为1 孔穿堤矩形涵闸结构，涵洞尺寸为0.8m×1.0m，嘎斯汰河干流设计洪水位洪峰流量13.84m3/s， 进水闸设计引水流量为8.64×104m3/d，水平防渗长度分别取为100m、150m、200m 时渗流量的计算成果。 计算成果的对比分析情况见表3。

表3 不同水平防渗长度渗流量计算成果表

通常来说， 正常运行的水库渗漏总量不小于该河流多年平均流量的5%，或小于该河流段平水期流量的1%～3%[1]。 经过对比判断，南门外水库现状坝基水平防渗长度不能满足正常运行的渗漏总量要求，理论分析结论与实际情况相符，对水库进行防渗加固是非常必要的。

4.3 水库防渗加固方案选择的探讨

南门外水库大坝为非土质防渗体低坝， 库区地质条件是低山丘陵区和沙丘区， 坝基防渗型式的选择是水库设计与除险加固的重点问题， 直接影响水库是否能够正常蓄水运行。 根据前文水库现状渗流有限元计算分析的结果可知， 坝基防水平防渗长度不能满足正常运行条件， 因此需要对坝基与库区进行防渗加固。 渗漏问题的处理比较麻烦，一旦选择的防渗方式不正确，资金的投入将非常大， 在南门外水库大坝坝基无相对隔水层的情况下，更应慎重对待，应在渗漏量、工程投资以及施工难易程度等诸多方面进行比较、分析，坝基防渗方案一般分为垂直防渗和水平防渗两种[3]。

垂直防渗的方式主要有：垂直铺塑、混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗墙等。 按防渗体形成原理不同，可分为防渗材料置换式和介入式。 置换式是指利用防渗材料代替原状地基材料， 如薄混凝土防渗墙、垂直铺塑等，一般需采取机械成槽后，再施工防渗体。 因此，对槽孔稳定性要求较高，墙底易出现落淤， 影响墙体与相对不透水层的衔接可靠性。 介入式是指采用防渗材料对原状地基直接改良使之具备防渗功能，如高喷板墙、深层搅拌桩等[4]。 由于南门外水库地基无相对不透水层，如果采用悬挂式帷幕的方式进行垂直防渗， 投资相对较高。

全库盆防渗处理方式主要有： 复合土工膜防渗、沥青砼防渗、钢筋砼防渗3 种方式，通过从渗漏风险、 方案投资与实施难度等方面进行工程的经济技术比较，3 种方式各有优缺点， 但采用复合土工膜防渗的方式更符合南门外水库的实际情况。 复合土工膜防渗的优点包括：自身变形模量较大，适应地基变形能力较好，对基础要求较低，施工工艺较简单，防渗性能可靠，投资相对较小。 缺点包括：对土工复合膜上下垫层要求高，铺设层数多，施工干扰大，接缝处理是渗漏的关键，因为接缝处理难于控制， 所以防渗效果的可控性仍有待检验[5]。

由于南门外水库库区工程地质及水文地质条件复杂，要查明所有的渗漏通道，摸清渗漏情况、渗流规律，存在相当大的技术难度。 在实际勘测过程中， 可能会存在渗漏通道未查明或在防渗工作中被遗漏而未做处理的隐患，当水库蓄水后，一旦发现渗漏严重的地段， 还需要采取工程措施进行封闭。 因此，初步拟定不采用垂直防渗的方式，采用全库盆表面防渗的处理方式更加稳妥可靠[6]。

5 结语

南门外水库地理位置临近林西县镇区， 根据城市规划与生态水利的建设需求， 其南侧的林西工业园区、 林西东山生态产业园区将陆续引进相关下游产业，园区内的通水、通电、通讯及路平等“七通一平”建设，亟待进一步完善。 水库渗漏问题得到解决后， 不但可以给市民提供一处旅游、休闲、娱乐的选择场所，并且可为工业园区提供可靠的补充水源， 使水库工程与该地区的经济社会发展相适应。

本文采用二维有限元模型对南门外水库的渗流场进行了计算分析，其不足之处在于：南门外水库大坝两侧坝肩位于沙丘坡地， 其坝肩渗流的封闭条件， 需要利用更加详实的地质勘察资料进行三维渗流场的有限元的模拟。 总体来说，采用二维有限元模型计算分析方法对大坝渗流安全性进行分析的方法是可行的， 但是该方法无法包含水库渗漏的全部因素， 所以仍需要在工程实施过程中补充足够的地质勘察工作。 同时，在防渗加固工程的实施过程中， 还应补充完善大坝的渗流安全监测系统，对浸润线、渗透压力（或渗透水头）、渗流量进行持续的观测与分析。 □