魏 光 輝（新疆塔里木河流域管理局，新疆庫(kù)爾勒 841000）

?

復(fù)合土工膜防滲體系下的希尼爾水庫(kù)大壩滲流分析

魏 光 輝
（新疆塔里木河流域管理局，新疆庫(kù)爾勒 841000）

摘 要：滲流監(jiān)測(cè)是水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)大壩的安全運(yùn)行具有重要意義。本文以希尼爾水庫(kù)主壩復(fù)合土工膜壩基防滲段為例，對(duì)典型斷面2＋600、3＋125與3＋575進(jìn)行滲流性態(tài)分析，結(jié)果表明：主壩2＋600斷面壩基在高庫(kù)水位時(shí)滲壓水位較低、滲透壓力較小，壩基滲流位勢(shì)較小、變化正常，水平向滲透坡降小于允許值；主壩3＋125斷面壩基透水性較強(qiáng)，壩基與壩體復(fù)合土工膜防滲體系防滲效果不佳，應(yīng)加強(qiáng)滲流觀測(cè)；主壩3＋575斷面壩基及壩體滲流位勢(shì)變化基本正常，壩體砂礫石滲透坡降小于允許值，壩基透水性較強(qiáng)，在高庫(kù)水運(yùn)行期壩基滲壓水位高、滲透壓力較大，研究結(jié)果為指導(dǎo)水庫(kù)的安全運(yùn)行提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：土石壩；安全監(jiān)測(cè)；復(fù)合土工膜；滲流分析；希尼爾水庫(kù)

1 工程概況

希尼爾水庫(kù)位于新疆庫(kù)爾勒市西尼爾鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N。該水庫(kù)為《孔雀河流域規(guī)劃報(bào)告》中確定的骨干調(diào)蓄工程，同時(shí)也是塔里木河流域近期綜合治理工程中實(shí)現(xiàn)從孔雀河向塔里木河下游輸水的重要調(diào)蓄工程。水庫(kù)是從孔雀河第一分水樞紐引水，經(jīng)庫(kù)塔干渠輸水進(jìn)入水庫(kù)的中型平原水庫(kù)［1］，總庫(kù)容為9 800 萬(wàn)m3。水庫(kù)工程主要包括大壩、引水閘、引水渠、放水閘、放水渠、壩后排水護(hù)坡及附屬設(shè)施等。大壩全長(zhǎng)7．65 km，最大壩高20 m，壩體防滲采取斜鋪復(fù)合膜（兩布一膜）結(jié)構(gòu)，其中膜厚0．75 mm，無(wú)紡布規(guī)格為200 g／m2；壩基防滲，根據(jù)地質(zhì)情況的不同，分別采取PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土攪拌樁防滲墻三種不同形式。

本文以主壩2＋600、3＋125與3＋575這3處典型斷面為例，對(duì)壩基采用復(fù)合土工膜明槽防滲下的水庫(kù)壩體、壩基滲流情況進(jìn)行分析，取得了一些有價(jià)值的成果。

2 復(fù)合土工膜防滲體系設(shè)計(jì)與滲流反演分析

2．1 壩體、壩基防滲設(shè)計(jì)

大壩壩體防滲采用斜鋪復(fù)合土工膜（兩布一膜，其中PE膜厚度0．75 mm，無(wú)紡織布規(guī)格為200 g／ m2）。壩基防滲采用垂直防滲與水平防滲相結(jié)合的型式，壩基防滲墻與壩體防滲復(fù)合土工膜之間設(shè)水平鋪蓋段壩基防滲結(jié)構(gòu)，即鋪設(shè)與壩體防滲復(fù)合土工膜規(guī)格及連接方式相同的復(fù)合土工膜（兩布一膜結(jié)構(gòu)），與壩體防滲復(fù)合土工膜、壩基垂直防滲墻共同組成一道封閉的整體防滲體系。

壩基復(fù)合土工膜垂直防滲墻長(zhǎng)度4 350 m（樁號(hào)0＋000～4＋350），壩基垂直防滲墻開挖深度3．5～14．5 m不等，槽底設(shè)計(jì)高程以上4 m為垂直開挖，底寬1．5 m，4 m以上按照底寬5．0 m，邊坡1∶0．4的梯形槽開挖。開槽按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成后，經(jīng)檢查確認(rèn)達(dá)到弱透水層或相對(duì)不透水層時(shí)，進(jìn)行垂直防滲膜鋪設(shè)。

2．2 滲流反演計(jì)算斷面

計(jì)算時(shí)，假定壩基防滲墻、壩體防滲復(fù)合土工膜在運(yùn)行過程中均未出現(xiàn)防滲明顯失效部位；結(jié)合防滲形式和地勘情況以及滲流觀測(cè)資料分析，選取能夠代表大壩復(fù)合土工膜防滲體系滲流性態(tài)的3＋575斷面（壩基PE復(fù)合土工膜明槽防滲墻）作為滲流有限元計(jì)算斷面。

2．3 初始反演參數(shù)選取

3＋575斷面滲透系數(shù)初始值根據(jù)工程地質(zhì)條件及施工檢測(cè)資料確定［2］（見表1、圖1）。

2．4 滲流反演分析結(jié)果

以3＋575斷面測(cè)壓管水位進(jìn)行反演計(jì)算。反演計(jì)算庫(kù)水位取2011年2月16日～2011年3月4日期間的平均值912．16 m，測(cè)壓管水位同取該時(shí)段的平均值。滲流計(jì)算采用南京水科院二維滲流有限元數(shù)值模擬計(jì)算程序UNSST2，計(jì)算方法和詳細(xì)推導(dǎo)參見文獻(xiàn)［3］。將表1中的初始滲透系數(shù)和庫(kù)水位912．16 m時(shí)測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位作為參照標(biāo)準(zhǔn)，逐步調(diào)整滲透系數(shù)的反演計(jì)算值，直至計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近為止，有限元計(jì)算網(wǎng)格計(jì)剖分結(jié)點(diǎn)1 228個(gè)，單元1 936個(gè)。經(jīng)滲流反演計(jì)算調(diào)整后的滲透系數(shù)見表1。有限元法計(jì)算值與實(shí)測(cè)水位值對(duì)比結(jié)果見表2、滲透有限元計(jì)算流網(wǎng)見圖2。

表1 大壩滲流場(chǎng)各區(qū)滲透系數(shù)初始值

表2 有限元法計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由表2可知，反演計(jì)算值與壩體、壩基水位實(shí)測(cè)值基本吻合。

3 大壩典型斷面滲流分析

3．1 主壩2＋600斷面

該斷面埋設(shè)有6支測(cè)壓管，分別為位于壩軸線上游2．51 m處的UP9、UP10，位于壩軸線下游10．07 m處的UP11、UP12，以及27．75 m、46．77 m處的UP13、UP14；埋設(shè)高程分別為900．80 m、905．10 m、901．12 m、905．42 m、899．60 m、898．20 m（儀器布設(shè)情況見圖3）。由于該斷面位于主壩第三系臺(tái)地，壩后地面高程較高，下游壩腳排水溝底實(shí)測(cè)高程為904．99 m，運(yùn)行期間溝內(nèi)未見滲水或積水，壩基滲流表現(xiàn)為潛流，因此，計(jì)算滲流位勢(shì)采用壩軸線下游側(cè)壩基UP13測(cè)壓管水位測(cè)值作為下游水位。斷面測(cè)壓管水位過程線與滲流位勢(shì)過程線見圖4、5。

該斷面壩基采用防滲深度約12．7 m的PE復(fù)合土工膜明槽防滲墻，明槽防滲墻底板坐落在厚約3．7 m、透水率約5～10 Lu第三系砂巖層上，砂巖層以下為第三系泥巖。

由圖4與圖5可知：

（1）壩基UP9、UP11、UP13和UP14這4支測(cè)壓管水位受庫(kù)水位變化的影響較明顯，與庫(kù)水位相關(guān)性較好。但該四支測(cè)壓管水位均較低，位于壩軸線上游2．51 m處UP9以及位于壩軸線下游10．07 m 處UP11兩測(cè)點(diǎn)的滲流位勢(shì)變化正常，運(yùn)行過程中未見明顯異常現(xiàn)象。

（2）壩基UP9、UP11、UP13和UP14這4支測(cè)壓管水位較接近，隨著壩軸距的增加，管水位削減幅度很小。在庫(kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，據(jù)UP11、UP13兩支測(cè)壓管水位測(cè)值計(jì)算得到該兩個(gè)測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降均不超過0．06（見表3）。該斷面清基后的壩基表層為遇水后呈散砂狀的第三系含礫砂巖，臨界坡降Jcr＝1．069；考慮到該斷面所處壩段的重要性，壩基巖土體的允許滲透坡降J允許可以臨界滲透坡降除以3．0的安全系數(shù)，計(jì)算得0．356?？梢?，在庫(kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，壩基水平滲透坡降均小于允許值，滿足規(guī)范要求。

3．2 主壩3＋125斷面

該斷面埋設(shè)有5支測(cè)壓管，分別為位于壩軸線上游1．61 m處的UP15、UP16，位于壩軸線下游9．72 m處的UP17、UP18，以及25．45 m處的UP19；埋設(shè)高程分別為895．25 m、905．25 m、896．34 m、905．54 m、894．80 m（儀器布設(shè)情況見圖6）。3＋125斷面測(cè)壓管水位過程線與滲流位勢(shì)過程分別見圖7、8。

該斷面壩基采用防滲深度約5．8 m的PE復(fù)合土工膜明槽防滲墻，明槽防滲墻底板坐落在厚約6．4 m、透水率約5～10Lu第三系砂巖層上，砂巖層以下為厚約2 m的第三系泥巖。

圖4 2＋600斷面測(cè)壓管水位過程線（壩基）

圖5 2＋600斷面測(cè)壓管水位過程線（壩體）

表3 壩基UP9、UP11、UP13測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及水平滲透坡降

由圖7、8可知：

（1）壩基UP15、UP17、UP19這3支測(cè)壓管水位受庫(kù)水位變化的影響較明顯，與庫(kù)水位相關(guān)性較好。在高庫(kù)水位912．26 m時(shí)壩軸線上游側(cè)的壩基UP15、UP17兩支測(cè)壓管水位高于設(shè)置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程，已超過設(shè)計(jì)要求，反映該斷面壩基土存在滲水現(xiàn)象。壩基、壩體滲流位勢(shì)均趨向平穩(wěn)。目前，在庫(kù)水位911．00 m左右及912．26 m時(shí)，壩軸線上游側(cè)1．61 m處的壩基UP15測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)在28%～36．5%之間，位于壩軸線下游側(cè)9．72 m、25．45 m處的壩基UP17、UP19兩測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)分別在24%～30．5%、21．5%～28%之間（見表4）?？梢姡瑝位杆暂^強(qiáng)、滲透壓力較大。

圖6 3＋125斷面儀器布設(shè)及庫(kù)水位912．26 m壩基滲壓水位線

圖7 3＋125斷面測(cè)壓管水位過程線（壩基）

圖8 3＋125斷面測(cè)壓管水位過程線（壩體）

表4 壩基UP15、UP17、UP19測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及水平滲透坡降

（2）壩基UP15、UP17、UP19這3支測(cè)壓管水位較接近，隨著壩軸距的增加，該三支測(cè)壓管水位削減幅度較小。在庫(kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，據(jù)UP17、UP19兩支測(cè)壓管水位測(cè)值計(jì)算得到的該兩個(gè)測(cè)點(diǎn)壩基水平滲透坡降（見表4）均不超過0．06；據(jù)UP19測(cè)壓管水位測(cè)值及排水溝內(nèi)水位計(jì)算得到的排水溝處壩基水平滲透坡降在0．090～0．110之間。該斷面清基后的壩基表層主要為遇水后呈散砂狀的第三系含礫砂巖，在砂巖上部夾有較密實(shí)、密實(shí)但遇水后呈變軟的第三系堅(jiān)硬泥巖，因此，可以第三系含礫砂巖為主進(jìn)行臨界滲透坡降分析。經(jīng)計(jì)算，壩基臨界滲透坡降Jcr為1．069，取允許滲透坡降J允許為0．356。在庫(kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，壩基水平滲透坡降均小于允許值，滿足規(guī)范要求［4］。

3．3 主壩3＋575斷面

該斷面埋設(shè)有5支測(cè)壓管，分別為位于壩軸線上游1．90 m處的UP20、UP21，位于壩軸線下游18．90 m處的UP22、UP23，以及44．08 m處的UP24；埋設(shè)高程分別為894．71 m、898．23 m、894．30 m、898．31 m、894．51 m（儀器布設(shè)情況見圖9）。3＋575斷面測(cè)壓管水位過程線見圖10、11。

該斷面壩基采用防滲深度約7．8 m的PE復(fù)合土工膜明槽防滲墻，明槽防滲墻底板坐落在厚約2．0 m、弱微透水性第三系泥巖層上，泥巖層以下為厚約6 m、透水率約5～10Lu第三系砂巖。

圖9 3＋575斷面儀器布設(shè)及庫(kù)水位912．26 m時(shí)壩基滲壓水位線及壩體水位線

圖10 3＋575斷面測(cè)壓管水位過程線（壩基）

由圖10、11可知：

（1）壩基UP20、UP22、UP24三支測(cè)壓管及壩體UP21、UP23兩支測(cè)壓管水位均受庫(kù)水位變化的影響較明顯，與庫(kù)水位的相關(guān)性均較好。在高庫(kù)水位912．26 m時(shí)，壩基、壩體測(cè)壓管水位均較高（見表5、6），分別高出設(shè)置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程約1．3 m、1．6 m，超過設(shè)計(jì)要求。

在庫(kù)水位911．00 m左右及912．26 m時(shí)，壩軸線上游側(cè)1．90 m處的壩基UP20測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)在17．64%～23．30%之間，位于壩軸線下游側(cè)18．90 m、44．08 m處的壩基UP22、UP24兩測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)分別在18．03%～21．22%、11．30%～12．97%之間；位于壩軸線上游1．90 m、下游18．90 m處的壩體UP21、UP23兩測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)分別在19．86%～23．23%、15．77%～23．63%之間?？梢姡摂嗝鎵位杆暂^強(qiáng)、滲透壓力較大，壩體內(nèi)水位也較高。

（2）壩基UP20、UP22、UP24這3支測(cè)壓管水位隨著壩軸距的增加，削減幅度較小，其中UP22與UP20水位基本持平。在庫(kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，據(jù)UP22、UP24兩支測(cè)壓管水位測(cè)值（見表5）計(jì)算得到的該兩個(gè)測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降均小于0．10；據(jù)UP24測(cè)壓管水位測(cè)值及排水溝內(nèi)水位計(jì)算得到的排水溝處壩基水平向滲透坡降在0．16～0．20之間。該斷面清基后的壩基表層為遇水后呈散砂狀的第三系含礫砂巖，根據(jù)前述分析，臨界坡降Jcr為1．069；考慮到主壩該斷面壩段的重要性，壩基巖土體的允許滲透坡降J允許以臨界滲透坡降除以3．0的安全系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得0．356?？梢姡趲?kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，壩基水平滲透坡降小于允許值。

圖11 3＋575斷面測(cè)壓管水位過程線（壩體）

表5 壩基UP20、UP22、UP24測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及滲透坡降

表6 壩體UP21、UP23測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及滲透坡降

（3）壩體UP21、UP23這2支測(cè)壓管水位較接近，隨著壩軸距的增加，削減幅度較小。在庫(kù)水位911．00 m及912．26 m時(shí)，據(jù)UP21、UP23兩支測(cè)壓管水位測(cè)值（見表6）計(jì)算得到的UP23測(cè)點(diǎn)壩體水平滲透坡降均小于0．035。

經(jīng)計(jì)算，壩體Ⅱ區(qū)砂礫料的臨界滲透坡降Jcr為0．499，Ⅰ區(qū)砂礫料臨界滲透坡降Jcr為0．501；Ⅰ區(qū)砂礫料的允許滲透坡降為0．167，Ⅱ區(qū)砂礫料允許滲透坡降為0．166，UP23測(cè)點(diǎn)壩體水平滲透坡降小于允許值，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本文以希尼爾水庫(kù)大壩2＋600、3＋125與3＋575這3處斷面為例，對(duì)壩體、壩基采用復(fù)合土工膜防滲下的大壩滲流情況進(jìn)行分析，得到如下研究結(jié)果：

（1）主壩2＋600斷面壩基在高庫(kù)水位時(shí)滲壓水位較低、滲透壓力較小，反映了由壩前PE復(fù)合土工膜明槽防滲墻及壩體PE復(fù)合土工膜組成的防滲體系防滲能力較好；壩基滲流位勢(shì)較小、變化正常，且在高庫(kù)水位時(shí)壩基水平滲透坡降小于允許值，滿足規(guī)范要求。

（2）主壩3＋125斷面壩基透水性較強(qiáng)，在高庫(kù)水運(yùn)行期壩基滲壓水位較高、滲透壓力較大，反映壩基PE復(fù)合土工膜明槽防滲墻及壩體復(fù)合土工膜組成的防滲體系防滲效果不佳；在高庫(kù)水位時(shí)，壩基水平滲透坡降小于允許值，但仍應(yīng)加強(qiáng)滲流觀測(cè)，確保大壩安全。

（3）主壩3＋575斷面壩基及壩體滲流位勢(shì)變化基本正常，壩體滲透坡降小于允許值；壩基在高庫(kù)水運(yùn)行期滲壓水位高、滲透壓力較大，壩體水位及下游壩后回填清基料出逸點(diǎn)高程較高，不利于下游壩坡、壩后回填清基料及排水溝開挖回填料的滲透穩(wěn)定，存在滲流安全隱患，表明壩基復(fù)合土工膜明槽防滲墻及壩體復(fù)合土工膜組成的防滲體系防滲效果不佳。建議加強(qiáng)滲流觀測(cè)，并進(jìn)行必要的防滲處理，以減小壩基滲透壓力，確保大壩安全。

參考文獻(xiàn)：

［1］ SL252－2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2000．

［2］ 嚴(yán)敏，王金龍，田甜．新疆希尼爾水庫(kù)大壩滲流安全評(píng)價(jià)［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009：89－92．

［3］ 毛昶熙，段祥寶．滲流數(shù)值計(jì)算及程序應(yīng)用［M］．河海大學(xué)出版社，1999．

［4］ SL274－2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2002．

作者簡(jiǎn)介：魏光輝（1981－），男，新疆石河子人，高級(jí)工程師，從事干旱區(qū)水資源利用研究工作。

收稿日期：2014-10-13

中圖分類號(hào)：TV223．4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1003－9805（2016）01－0020－08