吳先敏，李玉瑩，高 峰，杜九博

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250014)

平原水庫通常指在平原地區(qū)，利用低洼地或廢棄河床，通過下挖或在地面上修筑圍壩形成庫容，并從近地或遠地引水充灌形成的蓄水調(diào)節(jié)水庫[1]。平原水庫主要特點是：圍壩軸線較長，蓄水水位較低，壩高一般不超過15m，庫水位一般高出庫外地面。平原水庫蓄水后易造成周邊地區(qū)地下水位抬升，可能導致土地浸沒和次生鹽堿化，如玉清湖水庫、鵲山水庫、丁東水庫等，投入使用后引起周邊局部地下水位抬升，壩后出現(xiàn)浸沒現(xiàn)象。平原水庫主要為城市和農(nóng)業(yè)供水，滲漏量的大小不僅影響到水庫運行成本和效益，因滲漏引起的壩后浸沒還會引發(fā)其他社會環(huán)境等問題。

防滲設(shè)計是平原水庫能否正常發(fā)揮效益和減少浸沒問題的關(guān)鍵，在平原水庫防滲形式中主要有水平截滲、垂直截滲和水平與垂直截滲組合的防滲形式。山東地區(qū)的平原水庫壩基地貌單元主要為山前傾斜平原和黃泛區(qū)沖擊平原，表層為第四系堆積物[2]，第四系土層滲透性較強，厚度大約300～400m，中間夾雜部分相對不透水層，垂直截滲就是利用這一層。由于圍壩較長，透水層很厚，除全庫盆截滲外，其他防滲方式均可認為屬于懸掛式防滲形式，因此，在數(shù)值模擬地基結(jié)構(gòu)時，需要選取有限的深度和寬度進行計算[3]。

目前，滲流計算主要以山區(qū)型水庫為原型進行理論總結(jié)，其主要目的是求得滲流量、壓力、坡降等水力要素，確保水庫滲透安全[2]。由于平原水庫與山區(qū)水庫相比具有水頭低、圍壩長、占地大等特點，除滲透穩(wěn)定外，滲漏量和壩后浸沒問題成為平原水庫設(shè)計及后期運行管理控制的關(guān)鍵。筆者基于山東某平原水庫，通過對滲漏量影響以及壩后浸沒等問題分析研究，提出了壩前計算范圍、壩后浸沒的評價方法，為類似平原水庫前期階段合理確定滲漏量、壩后征地影響范圍及相應(yīng)工程措施提供參考。

1 數(shù)值計算模型及相關(guān)參數(shù)

1.1 計算模型

某調(diào)蓄水庫最大庫容6150萬m3，設(shè)計最高蓄水位12.50m，蓄水深度9.0m，壩高11.8m，設(shè)計死水位3.90m，死庫容830萬m3，庫外地面高程3.2m。水庫圍壩全長9.636km，壩頂高程15.0m，上、下游壩坡1∶3，壩腳外5.0m處設(shè)截滲溝，溝底寬2.0m，深2.0m，壩后截滲溝控制水位1.70m(庫外地面以下1.5m)。防滲采用土工膜和塑性混凝土防滲墻。壩基計算深度52.0m，壩前計算長度(L1)；壩后計算長度(L2)。壩體與壩基計算模型具體尺寸如圖1所示。

圖1 壩體與壩基模型尺寸(單位：m)

1.2 材料參數(shù)

計算采用GEO-SLOPE公司開發(fā)的巖土工程計算軟件，滲流計算采用非飽和土理論，土水特征曲線采用Van Genuchten理論[4]。土層滲透系數(shù)按大值平均值計算，計算參數(shù)見表1。

根據(jù)Van Genuehten理論求得基質(zhì)吸收與滲透系數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示，孔隙水壓力與體積含水量關(guān)系如圖3所示。

(1)

式中，θω—體積含水量；θr—殘余含水量；θs—飽和含水量；ψ—吸力；α，m，n—土水特征曲線擬合參數(shù)。

表1 滲透系數(shù)及土水特征曲線參數(shù)

2 庫內(nèi)計算范圍分析

平原水庫滲漏量一般利用圍壩典型橫斷面滲漏量按圍壩長度分段求和取得，橫斷面滲漏量大小關(guān)系到水庫滲漏量計算是否合適。平原水庫因蓄水面積較大。庫周形狀不規(guī)則且一般圍壩距庫中心較遠，斷面滲漏量因庫內(nèi)計算長度不同，滲漏量大小也就不同。庫內(nèi)計算長度過短，水庫滲漏量計算明顯偏少，不能反映真實情況，按實際長度計算，模型往往過大，不易后期處理。因此，需要找到合適的計算長度，即滲漏啟動水頭時庫內(nèi)計算長度。

本次滲流模型庫內(nèi)初始計算長度L1為20m，設(shè)計最高水位12.50m，庫內(nèi)運行期平均水位8.20m，滲流量計算截面在圍壩中心位置，計算結(jié)果如圖4所示。

圖2 基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關(guān)系圖

圖3 孔隙水壓力與體積含水量關(guān)系圖

圖4 壩前計算長度與滲漏量關(guān)系圖

設(shè)計水位工況：L1=20m時，單寬米滲漏量8.02m3/d；L1=50m時，單寬米滲漏量為12.10m3/d；L1=90m時，滲漏量14.00m3/d；L1=90～180m時，長度每增加5.0m，滲漏量增加幅度減少至1%以內(nèi)。

平均水位工況：L1=20m滲漏量為4.34m3/d；L1=50m時滲漏量為6.78m3/d；L1=85m時滲漏量7.77m3/d；L1=80～180m時計算長度每增加5.0m，滲漏量增加幅度減少至1%以內(nèi)。

從計算結(jié)果可知，壩前計算長度對滲漏量影響較大，如計算長度過短會引起水庫整個滲漏量計算偏少。按圍壩長度9.636km計算，設(shè)計水位工況下計算長度20m與50m總滲漏量相差1435萬m3，平均水位下差858萬m3。

因平原水庫地層條件不盡相同，數(shù)值計算如何判別計算長度是否足夠，作者建議通過定性和定量兩種方式進行分析判斷，定量方式一般以增加5.0m計算長度每天滲漏量不超過1%，此時計算邊界可作為庫內(nèi)計算邊界，對水庫總體滲漏能夠控制在允許范圍內(nèi)。定性方式主要采用等勢線和流線圖來判別，在平原水庫低水頭計算中，按照0.1m等勢線劃分時，在壩基15.0m左右范圍內(nèi)等勢線與上游邊界面基本垂直且比較稀疏；同時流線在邊界處基本與邊界平行，這說明壓力水頭在此范圍內(nèi)基本不影響滲流，庫內(nèi)水頭小于影響滲流的啟動水頭，計算邊界基本合適。

3 壩后浸沒影響范圍分析

3.1 平原水庫壩后存在問題

平原水庫滲漏易引起庫外周邊生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化、水量損失和土壤鹽漬化問題，其中滲漏引起的大面積鹽漬化問題是很多專家反對修建平原水庫的原因[5]。平原水庫工程從規(guī)劃設(shè)計到建成運行，應(yīng)該采取有效的措施，預防和解決水庫滲漏問題，控制地下水位，防止周圍土地浸沒和產(chǎn)生次生鹽堿化[6]。

在設(shè)計中為防止水庫蓄水后引起周圍地下水位抬升，導致土地沼澤化和鹽漬化，規(guī)范要求應(yīng)在水位圍壩背水面壩腳設(shè)置截滲溝或截滲暗管，攔截水庫滲水、控制水庫周圍地下水不超過臨界水位[7]。但在水庫運行過程中，截滲溝后面仍會出現(xiàn)地下水位抬升，造成周邊地段的沼澤化或鹽漬化，例如，山東某水庫在壩后平臺壩腳外5.0m處，設(shè)底寬1.5m，邊坡1∶2.0，深3.0m截滲溝，水庫蓄水后截滲溝后面200m范圍內(nèi)仍產(chǎn)生了地下水位抬升，產(chǎn)生土地浸沒，造成了一定的社會影響。

3.2 壩后影響范圍判斷

平原水庫壩后影響主要表現(xiàn)在浸沒和土地鹽漬化；浸沒的判斷為水庫滲漏補給水量大于本地區(qū)的土壤蒸發(fā)量，從而造成補給大于蒸發(fā)，導致土地浸沒、次生鹽漬化。B·B波雷諾夫等人認為當?shù)叵滤癫厣疃鹊降乇砻娴木嚯x小于某一常數(shù)時，地表就開始積鹽，這個常數(shù)認為是鹽漬化土壤地下水臨界深度[8]。影響地下水臨界深度的因素很多，主要因素為氣候條件、土壤性質(zhì)、地下水狀況和人為措施[9]，由于土壤鹽漬化受其他條件影響較復雜，本次計算采用控制截滲溝水位在地面以下1.5m臨界深度經(jīng)驗值。

壩后影響范圍判斷主要從壩后區(qū)域補給量(Qi)與陸面蒸發(fā)量(TZ)之間關(guān)系來判定。陸面蒸發(fā)量根據(jù)長期水量平衡方程，蒸發(fā)量=降水量-徑流量[10]。

若Qi

Qi=qi+1-qi

(2)

式中，Qi—第i區(qū)域水庫滲漏補給量；qi—計算斷面滲漏量。

3.3 壩后影響范圍計算

某水庫區(qū)域多年平均陸面蒸發(fā)量586.7mm，區(qū)域陸面蒸發(fā)量613.7mm/d[11]。滲流計算參數(shù)見1.2節(jié)，壩上游計算距離L1取120m，不同距離L2的斷面滲漏量如圖5所示。截滲溝后不同區(qū)域補給水深與陸面蒸發(fā)水深換算為天，結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同計算長度滲漏量趨勢圖

圖6 區(qū)域補給量與蒸發(fā)量關(guān)系圖

根據(jù)計算情況，平均水位下壩后浸沒影響范圍190.0m(L2)，設(shè)計水位浸沒影響范圍196.2m，與現(xiàn)場截滲溝后，存在200m浸沒范圍基本相符。

4 結(jié)論

平原水庫滲漏量和壩后浸沒在平原水庫設(shè)計過程中屬于關(guān)鍵問題，因滲漏引起的水量損失和壩后浸沒等生態(tài)環(huán)境問題成為影響平原水庫正常運行的制約因素。本文通過數(shù)值模擬計算，分析壩前計算范圍與滲漏量的關(guān)系；利用區(qū)域補給量和土壤蒸發(fā)量之間關(guān)系，并結(jié)合水庫運行方式，提出了浸沒區(qū)范圍，主要結(jié)論如下：

(1)壩前計算范圍對滲漏量影響較大，在前期設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮庫內(nèi)計算長度對滲漏的影響，結(jié)合數(shù)值模型提出了庫內(nèi)長度計算分析確定方式。

(2)截滲溝在平原水庫壩后降低地下水位起到了一定作用，但由于建庫地點的地質(zhì)條件和地下水位條件不盡相同，平原水庫滲漏會繞過截滲溝影響到壩后土地，造成浸沒。

(3)利用滲漏補給量和土壤蒸發(fā)量之間關(guān)系來初步判斷是否浸沒，當區(qū)域補給量大于本區(qū)域的土壤蒸發(fā)量時會產(chǎn)生浸沒；小于時不會影響壩后土壤。

(4)結(jié)合平原水庫運行情況，提出了前期階段壩后浸沒范圍確定方法，為以后類似平原水庫浸沒影響區(qū)范圍內(nèi)采取工程措施創(chuàng)造了條件。