廖方元

（四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘測分院，四川 成都 610500）

隨著水庫蓄水后，水庫水位升高，水庫內(nèi)外的水力坡度逐漸增大，由此導(dǎo)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。壩址滲漏是玉灘水庫工程主要的地質(zhì)問題，壩址滲漏不僅影響玉灘水庫工程的效益、壩體的穩(wěn)定性，還會產(chǎn)生環(huán)境問題[1]。

玉灘水庫壩址滲漏是建設(shè)過程中主要關(guān)注的問題，現(xiàn)在，壩基滲漏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(dá)西定律，計算通過壩下地基斷面的流量。數(shù)值法主要采用二維滲流模型和三維滲流模型[2]進(jìn)行模擬計算。

玉灘水庫區(qū)覆蓋層與基巖均屬透水巖體，水庫蓄水后庫區(qū)水位隨即抬升，增大了水庫水力坡度，由此導(dǎo)致壩址滲漏，滲透不僅影響水庫整體的安全性和穩(wěn)定性，還會對水庫壩址環(huán)境的水文、地質(zhì)等產(chǎn)生后遺問題，從而降低到水庫的整體效益。本文利用MODFLOW地下水模擬軟件對水庫壩址滲漏進(jìn)行模擬分析。

1 工程概況

玉灘水庫位于重慶市大足區(qū)境內(nèi)，灌溉面積為32.84萬畝，是重慶市境內(nèi)的一座大（二型）水庫。玉灘水庫工程的主要任務(wù)是農(nóng)業(yè)灌溉及城鄉(xiāng)供水。2011年，玉灘水庫工程實(shí)現(xiàn)下閘蓄水；2012年9月，樞紐工程以優(yōu)良的評價完成竣工及水保、檔案等全部單項(xiàng)驗(yàn)收。

水庫總庫容量由2360萬m3擴(kuò)建至14960萬m3（大二型水庫）。灌溉面積為32.84萬畝，其中改善灌溉面積18.27萬畝，新增灌溉面積14.57萬畝。供水人口59.1萬人，按95%的保證率供生活和工業(yè)用水6118萬m3。玉灘水庫正常蓄水位海拔高度358.5 m，相應(yīng)庫容1.321億m3，校核洪水位353.31 m，總庫容1.496億m3。水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水，洪峰流量為2230 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇洪水，洪峰流量為4270m3/s。

玉灘水庫樞紐建筑物主要由主壩、副壩、溢洪道及左、右岸灌溉引水隧洞組成。水庫工程主壩推薦壩型為瀝青心墻石渣壩，泄洪建筑物布置于左岸香爐石山左側(cè)埡口處，灌溉引水隧洞分別布置在主壩左、右兩岸，主壩壩址右岸埡口處布置7座漿砌石副壩。樞紐主要建筑物主壩、副壩、溢洪道、右岸灌溉引水隧洞為2級建筑物，其他次要建筑物為3級，左岸灌溉引水隧洞及其進(jìn)水口按3級建筑物設(shè)計，泵站工程等別為Ⅳ等，建筑物級別為4級。

2 水庫壩址區(qū)地質(zhì)條件

玉灘水庫位于四川盆地東南部，水庫壩址以出露為主要的基巖構(gòu)成，其出露基巖地層主要是中生界侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組上段紅色碎屑巖，根據(jù)巖性組合特征可以劃分為7層，而壩址區(qū)出露第2至第5層。該水庫壩址含水層地下水為基巖下的地下裂隙水，而且形成這種基巖下的地下裂隙水的主要原因是因?yàn)榛鶐r風(fēng)化帶開裂，進(jìn)而導(dǎo)致水庫區(qū)地下水源集成[3]。

3 壩址滲漏計算

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。

3.1 壩址壩基滲漏量計算

水庫壩址壩基滲漏量計算公式為：

式中：Q為水庫壩址滲漏量，m3/d；K為巖體滲漏系數(shù)，m/d，取0.1 m/d；b1為過水?dāng)嗝鎸挾?，m，取5 m；H為水庫壩址滲漏水頭損失，m，為27.8 m；H1為過水?dāng)嗝孀畲笾?，m，取40 m；h1為過水?dāng)嗝孀钚≈?，m，取0 m；J為水庫壩址水力坡度，m；L為水庫壩址滲漏凈長，m，約為9.7 m。

水庫的正常蓄水位(海拔高度)是358.5 m,下游河水位是330.7 m；根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料,經(jīng)計算，四川紅層區(qū)玉灘水庫的壩址壩基滲漏量Q為121.3 m3/d，,約4.4×10 m4/a。

3.2 壩址繞壩滲漏量計算

水庫壩址繞壩滲漏量計算公式為：

式中：Q為水庫壩址滲漏量，m3/d；K為巖體滲漏系數(shù)，取0.1 m/d；H為有效水頭高度，為27.8 m；H1為水庫水位高出隔水層的高度，為45m；h1為河流水邊線的含水層厚度，為5 m；r為水庫壩址繞壩滲流半徑，為10 m；b為水庫壩址沿岸滲流長度，m，b＝L／π，L 取 65 m，。

經(jīng)計算，壩址繞壩肩滲漏量Q為16.1 m3/d，即0.59X104m/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(jié)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=5.60×104m/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=1063 mm。在極限情況下,若認(rèn)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Q=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(zhì)勘察規(guī)范》(SL 373-2007)的規(guī)定，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 水庫壩址區(qū)滲漏分析

4.1 建模

MODFLOW地下水模擬軟件是三維地下水計算模擬軟件之一，展示出來的有限差分法便于人們對水庫壩址區(qū)滲漏情況進(jìn)行了解，使水庫壩址區(qū)滲漏在現(xiàn)實(shí)條件下模擬軟件中得到建設(shè)。

通過MODFLOW地下水模擬軟件建設(shè)出天然水流狀態(tài)時的蓄水情況以及水庫壩址建成后的蓄水情況，將模擬區(qū)的邊界抽象條件變化為直觀可見的概念結(jié)構(gòu)。天然水流邊界概化，見圖1，水庫壩址建成后的邊界概化，見圖2。

圖1 天然水流邊界概化

圖2 水庫壩址建成后的邊界概化

地下水模擬軟件清晰的展示了水庫壩址建成后正常的蓄水工作狀況，由圖2反應(yīng)了四川紅層區(qū)玉灘水庫的壩址低滲的區(qū)域，集中在壩上邊墻體邊界。

4.2 模擬結(jié)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3）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(cè)產(chǎn)生的繞壩滲流。

圖3 壩區(qū)地下水滲流場平面圖（模型第2層）

由圖4、圖5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(shè)置的觀測孔抬升水位1.0 m～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(yuǎn)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(jié)果。

圖4 天然條件下滲流場剖面圖（模型第15列）

圖5 正常蓄水工況下滲流場剖面圖（模型第15列）

4.2.2 滲漏量計算

在模型中,通過設(shè)置均衡域來進(jìn)行滲流量的計算。分別設(shè)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6)。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(jié)果見圖7。

圖6 水均橫區(qū)設(shè)置平面示意圖

圖7 模擬滲流量柱狀圖

對比解析法與數(shù)值法2種方法計算得到的滲漏量（表1）,壩基滲漏數(shù)值模擬得到的結(jié)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(jié)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(jié)果大于解析法。但總體上誤差較小,驗(yàn)證了模型的有效性。滲漏對于大壩穩(wěn)定性影響有限[4]。

表1 兩種方法滲透量對比 單位：(m3/d)

5 結(jié)論

運(yùn)用解析法與數(shù)值法預(yù)測了壩址滲漏量,兩者預(yù)測結(jié)果較為接近,可以相互印證，表明在均質(zhì)介質(zhì)中能較好地預(yù)測水庫滲漏量。計算該水庫總滲漏量為（5.60～6.86）×104m3/a，四川紅層區(qū)水庫壩址的滲漏占所在河流平均量的3%，水庫壩址存在輕微的滲漏情況，不會對水庫壩基的穩(wěn)定性、安全性造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。