王鵬全，吳元梅

(1.青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810007；2.青海省水利水電科學研究院有限公司青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點試驗室，青海 西寧 810001)

0 引 言

平原水庫是我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)常見的灌溉水源工程，大多數(shù)屬于低壩，壩基多處于第四紀松散深厚覆蓋層上，且以十分復雜的天然砂礫石地基為主，其蒸發(fā)和滲漏損失都很大，滲流極大可能會破壞水庫結構，給水庫安全運行帶來隱患[1-2]。其次，如果水庫防滲措施設計不合理，會造成水資源大量滲漏，不但降低水庫的興利效益，而且會引起水庫下游地下水位抬升，造成大面積土地鹽漬化[3]。因此，滲流控制是深厚松散覆蓋層上平原水庫設計的關鍵問題。

西北內(nèi)陸平原水庫壩基多為深厚砂礫石，透水層強，如采用懸掛式防滲墻、水平鋪蓋、復合土工膜等單一防滲措施，在改善控滲效果、防治滲透破壞、降低工程造價和保證防滲體質(zhì)量等諸多方面均不能協(xié)同最優(yōu)[4- 6]。本文針對深厚砂礫石強透水覆蓋層上的灌區(qū)平原水庫，提出“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻”空間組合防滲體系，以提高防滲體工作的可靠性和經(jīng)濟性。以西北內(nèi)陸區(qū)某灌區(qū)平原水庫工程為例，利用Geo-studio軟件Seep/w模塊進行多方案飽和-非飽和滲流模擬計算，最后基于技術經(jīng)濟比較提出比較科學合理的推薦方案，可為類似地質(zhì)條件下土石壩滲流控制提供一定的技術參考。

1 基本資料與滲控方案

1.1 工程背景

甘肅河西走廊沖洪積戈壁平原灌區(qū)某水庫壩體為碾壓均質(zhì)砂礫石壩，以防洪、灌溉為主，控制灌溉面積0.613萬hm2，正常蓄水位為1 670.20 m，死水位1 659.20 m，興利庫容206.30萬m3，灌溉期水庫平均入庫流量15.80 m3/s，水庫壩頂高程1 671.20 m，庫底高程1 657.20 m，壩頂寬8 m，壩軸線長1 360 m，最大壩高14.00 m，上游壩坡1∶3.00，下游壩坡1∶2.75。

據(jù)地質(zhì)勘察，該工程在大地構造上屬于北祁連邊緣凹陷帶，不均勻沉降引起的第四系松散覆蓋層厚度30～300 m，庫盤下部及四周地層均為沖洪積砂礫卵石層，勘探深度內(nèi)地層結構單一且分布連續(xù)，未見有連續(xù)的隔水層分布，為壩基主要滲漏通道。庫盆下部地層為單層透水壩基，滲透系數(shù)12～26 m/d，屬強透水層，礫砂層呈中密～密實狀態(tài)，不存在液化問題。根據(jù)試驗資料，壩基砂礫卵石層的允許水力坡降[J]=0.14。按照水庫興利要求，滲漏損失應控制在5%以下，即50.20 m3/(d·m)。

1.2 滲控方案

本文針對深厚強透水壩基提出“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+壩基垂直截滲”的空間正交組合防滲體系(見圖1)，強透水天然砂礫石層形成天然排水褥墊，實現(xiàn)對滲流的分級控制。庫盤水平鋪塑和壩坡斜墻鋪塑均采用PE土工膜材料(厚度0.5 mm、滲透系數(shù)10-13m/s)，可對整體下滲量進行有效控制，壩體上游坡腳設混凝土垂直防滲墻(厚度0.5 m、滲透系數(shù)10-9m/s)進一步延長滲徑，以減小滲流總量和滲流坡降，最后滲流在壩基下游天然砂礫石層排出[7]。

圖1 空間組合防滲體系

2 數(shù)值建模與計算方案

2.1 數(shù)學模型

由于降水蒸發(fā)、水庫蓄水、泄水經(jīng)常導致庫水位變化，壩體中土壤含水量相互補給使?jié)B流場隨之也發(fā)生改變。因此，考慮飽和-非飽和滲流理論分析土石壩滲流場更接近于實際情況，采用二維飽和-非飽和滲流控制方程[8]

(1)

式中，H為總水頭；kwx(ua-uw)、kwy(ua-uw)分別為x方向和y方向隨基質(zhì)吸力而變化的非飽和土滲流系數(shù)；kwx、kwy分別為x方向和y方向飽和土滲流系數(shù)；ua為空氣壓力；uw為水壓力；q為邊界流量，其法向流量為0；n為邊界Γ2的外法線方向，Γ1、Γ2分別為第一類邊界和第二類邊界。

2.2 有限元模型與材料屬性

本文采用Geo-studio軟件Seep/w模塊進行飽和-非飽和滲流模擬計算，壩基上游段計算長度取360 m，下游段延伸120 m，壩基持力層覆蓋層厚度取T=90 m，上游水頭102 m，下游水頭90 m，相對不透水層邊界法向流量取0。有限元網(wǎng)格模式以四邊形為主，三邊形為輔，共剖分2 145個單元，6 537個節(jié)點。壩體和壩基有限元模型見圖2。

圖2 壩體和壩基有限元分析模型

采用VG模型閉合方程[9]估算土-水特征曲線以及非飽和土體的滲透系數(shù)。

(2)

式中，kw為非飽和土體滲透系數(shù)；ks為飽和土體滲透系數(shù)；基質(zhì)吸力ψ=ua-uw；a，n，m為擬合參數(shù)，可基于土的體積含水量函數(shù)確定。

根據(jù)工程試驗資料，壩體和壩基砂礫石飽和平均滲透系數(shù)為0.02 cm/s，飽和含水量為0.35 m3/s，殘余含水量取飽和含水量的10%，利用Seep/w模塊內(nèi)置的樣本函數(shù)估算單位體積含水量函數(shù)，采用VG模型估算滲透系數(shù)曲線。本次采用PE土工膜厚度0.5 mm，Seep/w建立模型時不易劃分網(wǎng)格，為避免計算出現(xiàn)不收斂、誤差大等問題，采用土工膜厚度等效變換原理[10]，將PE土工膜換算成厚度為2 m、滲透系數(shù)為4×10-10m/s的等效土層進行建模。

2.3 計算方案

方案1～4考慮“無防滲”、“壩坡土工膜斜墻鋪塑”、“壩坡土工膜斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑”、“壩坡土工膜斜墻鋪塑+混凝土防滲墻”4種情況，主要考查滲流量、出逸比降、浸潤線高度對上游鋪塑長度Ln及防滲墻貫入深度S的敏感性。方案5考慮水平防滲體、垂直防滲體在控制滲流量和滲透坡降效果的差異性及技術經(jīng)濟性提出“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻”組合方案，且Ln=3S。方案6基于萊茵法“1m深垂直防滲的滲徑約相當于3 m長水平方向滲徑作用”的學術思想，按照水平鋪塑和垂直防滲墻等滲徑長度的方法，即Ln/3=2S，取Ln=6S。

選用6組計算方案，細化為34個子方案，方案的控制評價指標選用滲流量、滲流出逸比降、防滲墻底滲透坡降、浸潤線高度、壩體平均滲流坡降等：方案1，無防滲措施(對照組)；方案2，壩坡土工膜斜墻鋪塑；方案3，壩坡土工膜斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑，子方案中庫盤水平鋪塑長度Ln/H=18，20，22，…，28(考慮上游接近半無限滲流，不采用全庫盤覆蓋)；方案4：壩坡土工膜斜墻鋪塑+混凝土防滲墻，子方案中防滲墻貫入深度S/H=1，2，3，…，7(考慮透水層巨厚，采用懸掛式防滲墻)；方案5：壩坡土工膜斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻，子方案中Ln=3S，S/H=1，2，3，…，7(懸掛式防滲墻)；方案6，壩坡土工膜斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻，子方案中Ln=6S，S/H=1，2，3，4(懸掛式防滲墻)。

3 結果與分析

3.1 單一滲控方案分析

通過Seep/w模塊針對各具體方案進行模擬計算，方案1(無防滲措施)單寬滲流量為155.52 m3/(d·m)，出逸點滲透坡降為0.389，壩體平均坡降為0.225，壩體浸潤線起點坐標(396.0，102.0)。方案2采用“壩坡斜墻鋪塑”有效降低了浸潤線標高，浸潤線起點比方案1降低4.3 m，滲漏量為120.96 m3/(d·m)，較方案1減少約23%，滲流出逸坡降為0.266，較方案1減少約32%。

方案3“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑”滲流控制參數(shù)變化見圖3。從圖3可以看出，隨著水平鋪塑向上游延伸，滲流量、出逸比降和壩體平均坡降均呈遞減趨勢且減小梯度逐漸變小。當Ln=18S時，滲流量滿足控制要求，浸潤線起點比方案1降低8.6 m；當Ln=28S時，出逸比降滿足控制要求，浸潤線起點比方案1降低9.5 m，浸潤線更趨平緩。庫盤水平鋪塑在減少滲流流量方面效果更加顯著。

圖3 方案3控制參數(shù)變化

方案4“壩坡斜墻鋪塑+混凝土防滲墻”滲流控制參數(shù)變化見圖4。從圖4可以看出，壩基滲流量、出逸比降、壩體平均坡降均隨防滲墻貫入深度增加而減少，滿足滲透坡降的防滲墻深度為60 m(S=5H)，而滿足滲流量控制的防滲墻深度為84 m(S=7H)，顯然垂直防滲墻在減小滲透坡降方面效果更加顯著。當防滲墻貫入深度S=6H時，即貫入比S/T≥0.8時，防滲墻底部滲流面積不斷縮小，墻體兩側壓差增大導致坡降急劇增大，墻底容易形成局部沖蝕，形成滲漏通道。

圖4 方案4控制參數(shù)變化

由以上分析可知：①滲透坡降對防滲墻深度變化比較敏感，滲流量則對水平鋪塑長度變化比較敏感；②深厚強透水壩基上單一采用懸掛式防滲墻方案能有效降低下游浸潤線高度，但對壩基滲流量的控制效果較差；③采用PE土工膜水平鋪塑防滲時，滲流流量主要取決于上游入滲長度，控制滲流量和滲透坡降滿足要求需要的鋪塑長度過長，而河道型平原水庫壩基上游更接近于半無限滲流，若水平鋪塑要完全覆蓋透水范圍，不經(jīng)濟也沒必要。

因此，本文提出的空間組合分級滲控體系具有一定的合理性和可行性，庫盤水平鋪塑和壩坡斜墻鋪塑均采用PE土工膜材料，其滲透系數(shù)極小，相對強透水壩體和壩基可將其視為弱透水層。壩體土工膜斜墻鋪塑對繞壩滲流和壩體滲流削減約20%，形成對滲流的第一級控制，庫盤水平鋪塑可對壩基下滲量和滲透坡降形成第二級控制，混凝土防滲墻將壩基滲徑進一步延長，滲流得到第三級控制。通過“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻”空間組合防滲體系，能夠達到逐級控制滲流，延長滲徑長度，減小滲透比降的效果。

3.2 組合滲控方案分析

方案5和方案6計算滲流控制參數(shù)變化見圖5、6。

圖5 方案5控制參數(shù)變化

圖6 方案6控制參數(shù)變化

從圖5可以看出，方案5滿足滲流量和滲透比降的最優(yōu)子方案為庫盤水平鋪塑長度Ln=12H，防滲墻深度S=4H，即Ln=144 m、S=48 m，單寬滲流量為50.09 m3/(d·m)，出逸點滲透坡降為0.112，壩體平均坡降為0.037，防滲墻底部坡降為0.219，壩體浸潤線起點坐標為(370.5，92.9)。

從圖6可以看出，方案6滿足滲流流量和滲透坡降的最優(yōu)子方案為庫盤水平鋪塑長度Ln=18H，防滲墻深度S=3H，即Ln=216 m、S=36 m，單寬滲流流量為44.93 m3/(d·m)，出逸點滲透坡降為0.100，壩體平均坡降為0.033，防滲墻底部坡降為0.156，壩體浸潤線起點坐標為(370.0，92.6)。

此外，還可以看出，方案5防滲墻貫入比S/T≥0.7(S/H≥5)時，防滲墻底部坡降急劇增大，最大坡降0.397，但遠小于混凝土的滲流允許坡降；方案6受庫盤水平鋪塑長度影響，滲透坡降第二級控制效果較明顯，浸潤線起點比方案5較低，防滲墻底部滲透坡降較小且變化趨勢平緩，有利于防滲墻底部局部穩(wěn)定。顯然，基于萊茵法學術思想采用壩基水平鋪塑和垂直防滲墻等滲徑長度法設計壩基正交組合防滲體系，在同時減少滲流量和滲透坡降方面優(yōu)勢更明顯。

3.3 組合滲控方案優(yōu)選

通過對比方案5和方案6，滿足滲流穩(wěn)定性態(tài)約束條件和經(jīng)濟技術條件的推薦子方案是：①壩坡斜墻鋪塑+48 m垂直防滲墻+144 m庫盤水平鋪塑；②壩坡斜墻鋪塑+36 m垂直防滲墻+216 m庫盤水平鋪塑。本次方案優(yōu)選經(jīng)濟性評價參考同類地區(qū)某工程混凝土防滲墻單價927元/m3，PE土工膜單價25元/m2，推薦子方案①壩基防滲投資3 515.33萬元，推薦子方案②壩基防滲投資3 003.70萬元。

經(jīng)滲流穩(wěn)定性態(tài)約束條件和經(jīng)濟技術條件比較分析，推薦方案②為最優(yōu)組合滲控方案。最優(yōu)方案壩體滲流水頭分布圖、孔隙水壓力分布見圖7、8。Seep/w模塊飽和-非飽和分析的滲流場總水頭等值線、孔隙水壓力等值線和滲透流速矢量分布基本合理，庫盤水平鋪塑區(qū)滲流為垂直下滲，壩基滲流為水平流動，流網(wǎng)能夠較準確反映滲流場情況和特點。通過隨機拾取滲流場中高斯點的滲流流速和滲流坡降，線性擬合發(fā)現(xiàn)滲流特性符合達西定律，擬合方程斜率與壩基砂礫石滲透系數(shù)一致，k=2×10-4m/s。由于最優(yōu)推薦方案空間組合防滲體系的分級控制，滲流流量、滲透坡降及浸潤線標高均得到了有效控制，滿足該平原水庫的運行管理要求和技術經(jīng)濟要求。

圖7 滲流水頭分布(單位：m)

圖8 孔隙水壓力分布(單位：kPa)

4 結 論

本文針對深厚強透水地基上平原水庫提出“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻”空間組合滲流分級控制體系，并將其應用于某灌區(qū)平原水庫，利用Seep/w模塊對方案進行飽和-非飽和滲流模擬計算，其成果及推薦方案具有一定的合理性與科學性。本次研究表明，基于萊茵法學術思想采用壩基水平鋪塑和垂直防滲墻等滲徑長度法設計壩基正交組合防滲體系可有效延長滲徑長度，減小滲流總量，提高防滲的可靠性和經(jīng)濟性。

“壩坡斜墻鋪塑+庫盤水平鋪塑+混凝土防滲墻”三級滲流控制體系中，PE土工膜材料的質(zhì)量及缺陷對防滲效果的影響、混凝土垂直防滲墻底部的局部沖蝕發(fā)展問題等還需進一步研究。其次，對于河道型平原水庫上游入滲邊界更接近于半無限滲流，模型上游邊界條件對滲流的影響需進一步討論。