康小兵,許 模,夏 強,張世殊

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059;2.中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072)

水庫蓄水后庫區(qū)水位隨即抬升，增大了水庫內外的水力坡度，由此導致庫水經(jīng)壩基和壩肩巖體、土體中的裂隙、孔隙、破碎帶或巖溶通道向壩下游滲漏，該現(xiàn)象稱為壩基或繞壩(壩肩)滲漏。壩址滲漏是水庫工程重要的水文地質問題之一，滲漏不僅影響水庫工程的效益、大壩的穩(wěn)定性，還會產(chǎn)生環(huán)境水文地質問題[1]。如廣東省深圳市嶺澳水庫，大壩基巖為中泥盆統(tǒng)桂頭組細粒長石石英砂巖夾泥巖，巖體風化強烈，滲透系數(shù)K=1×10-3～1×10-5cm/s，因左岸壩基全風化巖石未做帷幕灌漿，導致在正常水位條件下滲漏量達2×106m3/a，占其庫容的40%[2]。因此分析壩址滲漏問題，估算滲漏量，提出合理的防治措施，對工程建設具有重要意義。

滲漏是水庫建設過程中需重點關注的問題，目前壩基滲漏量計算方法主要有斷面流量法和數(shù)值法。斷面流量法是依據(jù)達西定律，計算通過壩下地基斷面的流量。數(shù)值法主要采用剖面二維滲流模型和三維滲流模型[3]，已有眾多科技工作者進行了實踐與探討。如李新民等人在中梁水電站用數(shù)值法和解析法計算壩區(qū)滲漏量，兩種方法的計算結果均顯示壩基帷幕防滲效果良好，是壩區(qū)岸坡巖體的風化對滲漏量的影響較大[4]；黃朝煊等基于復變函數(shù)的保角映射理論及數(shù)值分析法，推導了壩基滲漏及壩肩繞滲的解析解計算公式[5]；程春龍等人運用MODFLOW和LAK3結合模擬了某水庫滲漏動態(tài)過程，計算得到該水庫年滲漏量[6]。

結合實際工程，本文在現(xiàn)場查明潛在滲漏通道基礎上，應用解析法和數(shù)值模擬法對水庫壩址滲漏量進行預測分析，為水庫防滲提供依據(jù)。

1 工程概況

四川省東部約有11.805×104km2的面積出露白堊系和侏羅系的紅色砂、泥巖，地貌形態(tài)以丘陵為主，稱之為“川東紅層丘陵區(qū)”。川東紅層區(qū)內水資源相對匱乏，同時由于氣候原因，存在明顯的周期性和區(qū)域性干旱。有效解決供需矛盾的措施之一就是修建水庫。

擬建水庫位于四川盆地南緣、岷江支流的溜根河上，設計的水庫壩頂海拔高度361.0 m，最大壩高45.0 m，控制集水面積21.7 km2，河長13.8 km，正常蓄水位的海拔高度358.5 m，庫容10.09×106m3，是一座以灌溉為主，兼顧灌區(qū)集鎮(zhèn)和農村生活用水等綜合水利工程。

據(jù)地質勘探資料，壩址谷底寬14.0～15.0 m，河床海拔高度323.0～325.0 m，河床覆蓋層厚約3 m，為砂土，呈飽和、松散-稍密狀，下伏基巖為下白堊統(tǒng)窩頭山組(K1w)砂巖(圖1)；兩側岸坡完整性較好，左岸坡角40°～45°，右岸坡角50°～55°，壩肩段基巖裸露或淺埋(埋深<0.5 m)。第四系與砂巖均屬透水巖體，壩區(qū)存在滲漏的可能。

圖1 壩址區(qū)工程地質剖面圖Fig.1 Cross section of engineering geology for the dam site area

2 地質環(huán)境條件

2.1 地形地貌

壩址區(qū)位于四川盆地西南部，所處地貌分區(qū)屬盆地內構造剝蝕低山丘陵區(qū)之構造剝蝕盆中方山丘陵亞區(qū)，地貌形態(tài)基本輪廓受地質構造控制，同時與地層巖性密切相關。丘陵區(qū)以剝蝕為主，山區(qū)及河谷區(qū)以侵蝕作用為主。區(qū)內地貌單元主要可劃分為構造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌兩大類型[7]。

2.2 地層巖性與地質構造

2.3 水文地質條件

根據(jù)含水層性質以及地下水在含水介質中的富集形式和分布特征，水庫區(qū)地下水類型可分為兩類：松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。

松散巖類孔隙水主要為第四系孔隙潛水。研究區(qū)域內第四系松散巖類殘坡積層和崩坡積層并沒有廣泛分布，厚度1～3 m，較薄，基本不含水。沿溜根河分布的沖洪積層，以卵礫石夾砂為主要含水層，主要接受河水和大氣降水補給，形成較穩(wěn)定的地下水潛水面，埋藏淺，水量大，徑流條件好，水位呈季節(jié)性變化。

紅層區(qū)基巖裂隙水主要為風化帶裂隙水。研究區(qū)基巖裂隙水賦存于白堊系巨厚層砂巖和侏羅系砂、泥巖地層中，砂巖、泥巖裂隙、孔隙發(fā)育，具有良好的儲水空間及透水性。地下水接受大氣降水及上覆第四系孔隙水補給，由高向低順裂隙和孔隙徑流，主要以泉、井形式排泄。受地形地貌和裂隙發(fā)育程度的限制，多就近補給、排泄于附近低洼地帶或沖溝，徑流途徑較短。局部砂巖與泥巖的互層段，地下水具有一定承壓性。

因此，為盡早發(fā)現(xiàn)急性重型減壓病致肝內多發(fā)積氣及其他消化道損害，建議在常規(guī)行胸部CT檢查時加做腹部CT或腹部強化CT檢查，甚至在急性減壓病早期經(jīng)再加壓治療好轉后出現(xiàn)腹脹或腹部疼痛不適等消化系統(tǒng)癥狀時，應及時行腹部CT或腹部強化CT檢查，明確診斷并采取綜合治療。

2.4 壩址滲漏通道分析

據(jù)“壩址(渠線)選擇專題報告”、“正常蓄水位選擇專題報告”資料，河床壩基及兩岸壩肩巖體存在透水帶，有壩基滲漏、滲透問題。

壩址河床覆蓋層一般厚度2～3 m，厚度較薄，物質成分主要為孤塊石夾砂土，松散-稍密狀，透水性較強，據(jù)抽水試驗，滲透系數(shù)平均為7.3×10-2cm/s，屬強透水層。

紅層丘陵區(qū)因侵蝕和剝蝕作用較弱，在物理風化、生物風化和化學風化綜合作用下，地表以下普遍有30～50 m厚的風化裂隙帶，是地下水運移、儲存、埋藏的主要空間與通道。壩基巖體為窩頭山組砂巖，風化巖體為弱-強透水層，新鮮巖體為微-中等透水層，壩基及壩肩存在滲漏與繞壩滲漏問題。

根據(jù)鉆孔壓水試驗成果分析，壩址區(qū)巖體透水性與巖體風化狀況、巖性、裂隙發(fā)育程度、張開寬度和連通性等有密切關系。壩址河床巖體透水帶(透水率>5 Lu)厚度為46～49 m，左岸厚度為31～62 m，右岸厚度為60～63 m。強-弱風化巖體比新鮮巖體透水性強，巖層總體上具有隨深度的增加透水性逐漸減弱的趨勢。透水帶的存在帶來了水庫滲漏的風險。

3 解析法估算滲漏量

壩址滲漏按其發(fā)生滲漏部位又可分為壩基滲漏和繞壩滲漏兩種類型。其中壩基滲漏是指通過壩基覆蓋層及透水巖體向下游發(fā)生滲漏；繞壩滲漏是指繞過兩岸壩肩向下游發(fā)生滲漏。使用解析法可以計算得到壩基滲漏量和左右兩岸繞壩肩滲漏量[8-9]。

3.1 壩基滲漏

根據(jù)《水利水電工程地質手冊》，將水庫區(qū)周邊地下水考慮為潛水，采用水庫滲漏量計算公式計算水庫壩基滲漏情況[10]。

(1)

式中：Q為滲漏量；K為巖體滲透系數(shù)；b1為過水斷面寬度；H為滲漏過程水頭損失；H1為過水斷面最大高度；h1為過水斷面最小高度(本次計算均為0 m)；J為水力坡度；L為滲漏途徑長度。過水斷面b1取河床的平均寬度5 m；過水斷面最大高度H1取40 m；過水斷面最小高度取0 m；水庫的正常蓄水位(海拔高度)是358.5 m，下游河水位(海拔高度)是330.7 m;滲漏過程中水頭損失為27.8 m；滲漏途徑長度從圖中讀取，約為9.7 m；根據(jù)《紅層地下水勘查開發(fā)的理論及方法》[11]及現(xiàn)場鉆孔資料，研究區(qū)滲透系數(shù)K取0.1 m/d。

計算得到壩基滲流量為121.3 m3/d，約4.4×104m3/a。

3.2 繞壩滲漏

采用《水利水電工程地質手冊》中計算繞壩滲漏的公式

Q=0.366KH(H1+h1) lg(b/r)

(2)

式中：Q為滲漏量；K為巖體滲透系數(shù)；H為有效水頭高度；H1為庫水位高出隔水層的高度；h1為河流水邊線的含水層厚度；r為繞壩滲流半徑；b為水庫沿岸滲漏長度，b=L/π(其中L為繞壩滲漏寬度)。有效水頭高度為水庫正常蓄水位與下游河水位之差，為27.8 m；H1取45 m；h1為5 m；繞壩肩滲流半徑r取10 m；繞壩滲漏寬度L可以從圖中讀取，為65 m；滲透系數(shù)K仍然取0.1 m/d。計算得到繞壩肩滲流量為16.1 m3/d，即0.59×104m3/a，兩壩肩總滲漏量總計為1.17×104m3/a。

3.3 壩址滲漏程度分析

由以上計算結果可知，該水庫樞紐大壩的總滲漏量為壩基滲流量與繞壩滲流量之和QL= 5.60×104m3/a。

依據(jù)工程地形圖，勾勒出庫區(qū)四周的分水嶺位置，得到庫區(qū)匯水面積A= 755.4×104m2，而研究區(qū)年平均降雨量P=1 063 mm。在極限情況下，若認為所有降雨都形成產(chǎn)流，匯集后向出口排泄，則出口斷面徑流量Q0= 803.0×104m3/a。

壩滲流總量與徑流量之比(QL/Q0)=0.7%，根據(jù)《水利水電工程水文地質勘察規(guī)范》(SL373-2007)的規(guī)定[12]，總滲流量小于河流多年平均流量的3%，為輕微滲漏水庫，滲流對壩基穩(wěn)定性影響較小。

4 數(shù)值法模擬預測滲漏量

4.1 模型概化及建立

基于國際通行的地下水模擬軟件Visual MODFLOW，分別建立天然狀態(tài)下和大壩建成后正常蓄水情況下的模型，以預測大壩修建對樞紐區(qū)地下水流場的影響[13,15]。

模擬區(qū)域東西長1 007 m，南北寬741 m，模擬區(qū)總面積為0.75 km2；模型頂部設置與地表海拔高度一致，一方面接受大氣降雨的入滲補給，同時又有蒸發(fā)作用，將其概化為自由面邊界；模型底部海拔高度設置為300 m，裂隙基本不發(fā)育，可概化為隔水邊界。將沖溝概化為第二類的定水頭邊界，大壩用墻體邊界刻畫，并設置為滲透系數(shù)極小的滲透單元。

由此將模擬區(qū)域在平面上剖分為97×133個矩形網(wǎng)格單元，模擬過程中對壩址部位進行了細化處理，細化部分的網(wǎng)格大小為5 m×5 m，其余部分為10 m×10 m，每層單元數(shù)為12 901。垂向上自上而下共剖分為5層，整個模型網(wǎng)格總數(shù)為64 505(圖2)。

圖2 模型網(wǎng)格剖分示意圖Fig.2 Sketch showing model mesh generation

將沖溝內水流概化為第二類定水頭邊界條件(圖3)。天然條件下，設置沖溝內水位(海拔高度)為330.7 m，為區(qū)域地下水排泄基準面。大壩建成后，在正常蓄水工況下，壩上游定水頭邊界水位(海拔高度)為358.5 m，下游為330.7 m(圖4)。壩體是模擬的關鍵，使用MODFLOW中的墻體邊界(Wall Boundary)來刻畫大壩。該邊界又被稱為水平流障礙邊界，可用于模擬地下含水層系統(tǒng)中對地下水水平流具有障礙作用的物體。同時，將壩體所在單元的滲透系數(shù)取極小值10-10m/d。

圖3 天然條件下邊界條件概化Fig.3 Model boundary generalization under natural conditions

圖4 正常蓄水工況下邊界條件概化Fig.4 Model boundary generalization under normal water storage condition

4.2 模擬結果分析

4.2.1 地下水滲流場分析

對比天然狀態(tài)和正常蓄水情況的滲流場平面等直線圖(圖5)可以看出：(1)天然無壩情況下，壩址區(qū)段河谷滲流場主要由兩岸較高的地下水位向河谷滲透形成。滲流場受地形控制明顯，近河谷地帶坡度陡，水力梯度也較大，離河谷距離增加水力梯度變緩。(2)蓄水后在上、下游水位差的作用下，庫水的滲漏主要是繞壩基滲漏，以及在大壩兩側產(chǎn)生的繞壩滲流。

圖5 壩區(qū)地下水滲流場平面圖(模型第2層)Fig.5 Plane showing simulated groundwater seepage field (second layer)(A)天然條件; (B)正常蓄水條件

由圖6、圖7可以看出，水庫蓄水使得區(qū)域地下水水位總體上有一定抬升。模擬設置的觀測孔抬升水位為1.0～6.7 m不等?？傮w上，上游抬升幅度大于壩軸線，而壩軸線又大于下游；壩右岸抬升幅度又大于左岸。從壩軸線和壩上游200 m剖面看，離沖溝越近水位抬升幅度越大；而壩下游200 m觀測剖面，離沖溝越遠水位抬升幅度越大。這是由于大壩擋水，地下水繞壩滲流的結果。

圖6 天然條件下滲流場剖面圖(模型第15列)Fig.6 Profile showing simulated groundwater seepage field under natural conditions (row 15)

圖7 正常蓄水工況下滲流場剖面圖(模型第15列)Fig.7 Profile showing simulated groundwater seepage field under normal water storage conditions (row 15)

4.2.2 滲漏量計算

在模型中，通過設置均衡域來進行滲流量的計算。分別設置了壩基滲流均衡域、左壩肩均衡域和右壩肩均衡域3個計算區(qū)域(圖8)。其中壩基滲流均衡域貫穿模型，所以在模型的5個層上均有賦值；左右壩肩僅涉及到模擬的第1、第2層。模擬結果見圖9。

圖8 水均衡區(qū)設置平面示意圖Fig.8 Schematic diagram of water balance zone

圖9 模擬滲流量柱狀圖Fig.9 Column graph showing simulated seepage inflow

對比解析法與數(shù)值法2種方法計算得到的滲漏量(表1)，對于壩基滲漏數(shù)值模擬得到的結果偏大；而2種方法對左右壩肩滲漏量的計算總量一致，數(shù)值模擬結果右壩肩偏小，左壩肩偏大：所以總滲漏量數(shù)值模擬計算的結果大于解析法。但總體上誤差較小，驗證了模型的有效性。滲漏對于大壩穩(wěn)定性影響有限。

表1 兩種方法滲漏量(m3/d)對比Table 1 Comparison of seepage amount analyzed by two methods

5 結 論

本文運用解析法與數(shù)值法預測了壩址滲漏量，兩者預測結果較為接近，可以相互印證；也表明在均質介質中能較好地預測水庫滲漏量。計算結果顯示，該水庫壩址總滲漏量為(5.60～6.86)×104m3/a，在河流多年平均流量的3%以下，為輕微滲漏，滲流對壩基穩(wěn)定性影響較小。

為保證水庫安全有效運行，需對河床壩基及兩岸壩肩巖體的透水帶進行帷幕防滲處理，同時建議在大壩下游及水庫周邊鄰谷區(qū)設置地下水位長觀孔。