紀 源 ， 袁 哲

（1.遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110866）

0 引言

水庫作為一項重要的水利工程設施， 庫區(qū)的面積一般較大、地質(zhì)構造及運行環(huán)境都比較復雜，其特點決定了完全不漏水的水庫是不存在的。 但是， 一旦滲漏問題嚴重就會影響水庫的正常蓄水與興利運用， 造成水資源的無故浪費并影響壩基穩(wěn)定。 一般來說，水庫的滲漏總量（包括壩區(qū)的滲漏量）小于該河流多年平均流量的5%，或滲漏量小于該河流段平水期流量的1%—3%[1]， 就能夠保證水庫的正常興利運用， 對于滲漏量過大的水庫則需要通過防滲加固工程來保證水庫的正常運行。

南門外水庫上一次除險加固工程于2010 年竣工，工程建設完成后進行了一次蓄水，因滲漏原因未能成功。 由于該水庫不具備滲流量監(jiān)測設施，因此采用滲流的有限元數(shù)值方法對其滲流量進行計算分析， 做為南門外水庫防滲加固必要性與防滲加固型式選擇的依據(jù)。

1 工程概況

南門外水庫壩址建于林西縣林西鎮(zhèn)東南6km河沿村， 坐落在遼河流域西拉木倫河水系查干沐淪河支流嘎斯汰河右岸， 為嘎斯汰河中下游一座攔河蓄水及旁引屯蓄相結合的?。?）型水庫。 水庫以上流域地形屬低山丘陵區(qū)和沙丘區(qū)， 林草覆蓋率較低，植被條件一般，地形變化不大，多為沙丘、沙包，丘陵起伏，徑流的主要來源為降水，水土流失較為嚴重。 水庫引水渠由嘎斯汰河1#橡膠壩上游延伸至庫尾，全長4.5km，現(xiàn)狀為梯形斷面明渠。大壩型式為土石壩，防滲體為上游壩坡15cm 厚的混凝土防滲板， 同時壩腳設水平土工膜防滲鋪蓋長度為45m。

南門外水庫興利調(diào)度的任務主要是利用水庫來調(diào)蓄水量， 該水庫的運行模式為攔河蓄水及旁引屯蓄相結合， 水庫引水口在嘎斯汰河1＃ 橡膠壩，利用1# 橡膠壩上游進水閘按計劃旁引屯蓄嘎斯汰河水。 每年5 月中旬，橡膠壩充水起壩袋，汛期6 月20 日至8 月20 日橡膠壩塌壩度汛， 這期間水庫基本不在引水，8 月20 日至9 月20 日如河道有來水橡膠壩再次起壩引水， 汛期期間水庫補水根據(jù)天氣預報和雨情情況擇機起壩引水。 汛期雨量充沛時水位最大蓄至784.02m，多余水量傾瀉至下游。 水庫滲漏問題得到解決后，通過攔河蓄水及旁引屯蓄相結合的方式，可以有效節(jié)約資源，緩解該地區(qū)水資源的供需矛盾。

2 地質(zhì)條件概況

南門外水庫壩址區(qū)河谷為不對稱的U 型谷，河谷平坦、開闊，寬約750m。 兩岸山坡較緩，岸坡巖性主要為第四系坡洪積砂土、黏性土等。 工程水文地質(zhì)勘察期屬平水期， 天然地面以下地下水埋深約5—6m。 地下水類型為第四系潛水，主要接受大氣降水補給，并以地下徑流的方式排泄，主要含水層為卵石層，屬強透水。

根據(jù)南門外水庫現(xiàn)場鉆探成果顯示， 壩址區(qū)域地層巖性主要包括第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4apl）砂土、中更新統(tǒng)冰積（Q2gl）砂卵礫石及黏性土、侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組（J3t）凝灰?guī)r等，且水庫大壩基礎存在孔隙率大的松散砂、 卵礫石層以及其他強透水帶， 地基的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件就地面蓄水來說存在天然缺陷。 同時，南門外水庫大壩采用的是土石壩， 當前大壩上游防滲面板厚度已不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，構成壩體的介質(zhì)主要是碎石，在應力和水庫蓄水的作用下極易發(fā)生壩體和壩基的滲漏，且存在使水庫大量漏失、揚壓力超限和軟弱透水層出現(xiàn)管涌等滲透變形的風險[2]。

3 滲流問題的有限元計算

3.1 滲流基本定律

實際的地下水流只出現(xiàn)于固態(tài)的石頭以及巖土粒子之間的孔隙之內(nèi)， 因此深入研究大壩地基的空隙以及裂縫中的地下水運動狀況是非常艱難的。 為了方便科學研究，我們便把對壩基滲流介質(zhì)的研究簡化為對連續(xù)性多孔介質(zhì)的研究， 探究均勻滲透規(guī)律的特征。 達西最早是在圓管中開展的有關滲流量實驗的科學研究， 并提出了有名的達西定律： 滲透速率與斷面積和水頭損失成正比率關系，與滲透路線長度成反比率關系。

式中：v滲透速度，m/s；Q滲透流量，m3/s；J—J=H/L，H為水頭，L為滲徑長度，m；A滲流方向的截面積，m2；k土的滲透系數(shù)。

達西定律研究的這種假想流動形式叫做滲透性流動，又稱滲流假想流動，所占有的空隙范圍叫做滲流范圍或者滲流場，關于這種流動有如下假定：

（1）它經(jīng)過任何斷面的流速，和實際水流經(jīng)過同一斷面的流速都相同；

（2） 它在任何斷面上的壓強或水頭應小于其實際流動的壓強或水頭；

（3） 它在任何介質(zhì)孔隙內(nèi)所受到的阻礙都應小于在實際流動中受到的阻礙。

3.2 有限元計算方法

土石壩滲流問題的有限元計算采用單元離散化方法。 首先將計算區(qū)域劃分為多個相互關聯(lián)的子區(qū)域（即受限單元），然后將要計算的水頭函數(shù)替換為單元內(nèi)連續(xù)的子分區(qū)近似函數(shù)， 結合多項式插值法，來構造單元的近似水頭函數(shù)表達式。

求解表達式時先將區(qū)域離散化， 然后再分成若干個單元，以建立等參數(shù)有限元的流形函數(shù)，然后針對任何一個未知節(jié)點， 都能夠建立一個代數(shù)方程組。 如此一來，求解水頭函數(shù)的微分方程問題也將變成求解線性代數(shù)方程的問題。

目前對滲流問題的解決算法和軟件系統(tǒng)也有很多，如Ansys、flac、理正巖土等計算分析軟件系統(tǒng)等等。 本文采用理正巖土計算分析軟件 （學習版）， 應用二維有限元模型進行相關數(shù)值運算，對解析對象的特性以及工程設計的合理化等作出剖析、評價，并進行適當?shù)母倪M與優(yōu)化，這也正是開展有限元分析的主要目的所在。 計算過程中先進行.dxf 格式模型的繪制，然后再讀進滲流模塊計算軟件中；自動生成浸潤曲線（面）等勢線、流線、浸染線及其彩色應力場、 計算結果曲線面積和滲流量、滲流出口比降等。

3.3 計算邊界參數(shù)界定

南門外水庫大壩防滲體為上游壩坡15cm 厚的混凝土防滲板，屬于非土質(zhì)防滲體，同時壩腳設水平土工膜防滲鋪蓋。 根據(jù)現(xiàn)場勘查結果，大壩主體填筑土為非防滲體，滲透系數(shù)較大，結合原位測試成果和室內(nèi)試驗統(tǒng)計成果，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，給出填筑土內(nèi)摩擦角建議值為29°，滲透系數(shù)建議值為2.315×10-2cm/s（20m/d）＞1×10-4cm/s。 大壩現(xiàn)狀上游壩坡防滲混凝土板存在裂縫和孔洞， 部分混凝土板縫間止水缺失， 其防滲方式已不能滿足土石壩或面板堆石壩現(xiàn)行規(guī)范的要求。 因此將混凝土防滲板滲透系數(shù)進行折減， 將防滲體的折減系數(shù)取為0.2 進行計算，根據(jù)現(xiàn)場鉆探成果揭露，各巖土層滲透系數(shù)采用表1 中建議值， 各地層巖性詳述如下：

表1 壩址各巖土層滲透系數(shù)建議值統(tǒng)計表

第①層：含細粒土砂（中砂），白色～黃褐色，稍濕，松散，主要礦物成分為石英和長石，含泥量較高，局部夾有泥塊。分選性較好，級配較差。本層巖性成分與大壩填筑土相同。第①-1 層：低液限黏土（粉土），黃褐色，稍濕，密實。

第②層：含細粒土砂（中砂），白色-黃褐色，濕，中密-密實，主要礦物成分為石英和長石。 分選性較好，級配較差。

第③層：級配不良礫（卵石），雜色，濕～飽和，密實。 磨圓較差，礫石主要呈次棱角狀，粒徑多在5cm 以上，鉆進過程中多見超徑者，礫石巖性可見安山巖、英安巖和凝灰?guī)r等。

第④層：低液限黏土（粉質(zhì)黏土），黃褐色，硬塑，具中等壓縮性，層間局部夾有礫石，粒徑多不足2cm。

第④-1 層：含細粒土砂（細砂），黃褐色，飽和，密實，主要礦物成分為石英和長石。 分選性較好，級配較差。

第⑤層：凝灰?guī)r，紫紅色，凝灰結構，塊狀構造，礦物成分主要由火山灰組成。 強風化為主，呈碎塊狀。

4 結果與討論

4.1 不同工況下滲流

將現(xiàn)狀壩體計算參數(shù)帶入有限元模型，區(qū)域離散化示意圖見圖1，流網(wǎng)計算結果示意圖見圖2。 根據(jù)滲流有限元的計算成果，壩基滲流量按正常蓄水水位計算為10.66×104m3/d（計算長度取垂直主河槽長度720m），而水庫總庫容為150.24×104m3，按照計算結果推算， 水庫蓄水速度大于壩址滲流速度，但是滲流量極大，無法起到興利運用的效果。 由于壩腳順河鋪設作為壩基防滲，土工膜長度為45.0m，所以工程現(xiàn)狀滲流量大的原因可能是土工膜鋪設長度不夠，因此無法達到理想的防滲效果。

圖1 區(qū)域離散化示意圖

圖2 流網(wǎng)計算結果示意圖

為了驗證這一假設， 將上游壩腳土工膜鋪設長度分別取為100m、150m、200m， 帶入有限元模型，進行正常蓄水位下滲流量的有限元計算。 然后明確需要對比的指標為壩基滲流量， 將不同工況下的布置型式繪制成.dxf 格式模型，分別帶入相同的有限元計算模型與工程地質(zhì)參數(shù)指標， 并對各個方案的計算滲流量占入庫流量比例與占總庫容比例進行計算、分析和比較，從而得到定性分析的結果，不同工況下滲流有限元計算成果見表2。

表2 不同工況下滲流計算成果表

4.2 不同水平防滲長度滲流量

根據(jù)水庫興利調(diào)度的任務， 南門外水庫汛期利用1# 橡膠壩上游進水閘按計劃旁引屯蓄嘎斯汰河水， 汛期雨量充沛時水位最大蓄至784.02m，多余水量傾瀉至下游， 為攔河蓄水及旁引屯蓄相結合水庫， 引水時需要橡膠壩壩袋充水后涌高河道水位進入引水口到渠道， 取水口進水閘為1 孔穿堤矩形涵閘結構，涵洞尺寸為0.8m×1.0m，嘎斯汰河干流設計洪水位洪峰流量13.84m3/s， 進水閘設計引水流量為8.64×104m3/d，水平防滲長度分別取為100m、150m、200m 時滲流量的計算成果。 計算成果的對比分析情況見表3。

表3 不同水平防滲長度滲流量計算成果表

通常來說， 正常運行的水庫滲漏總量不小于該河流多年平均流量的5%，或小于該河流段平水期流量的1%～3%[1]。 經(jīng)過對比判斷，南門外水庫現(xiàn)狀壩基水平防滲長度不能滿足正常運行的滲漏總量要求，理論分析結論與實際情況相符，對水庫進行防滲加固是非常必要的。

4.3 水庫防滲加固方案選擇的探討

南門外水庫大壩為非土質(zhì)防滲體低壩， 庫區(qū)地質(zhì)條件是低山丘陵區(qū)和沙丘區(qū)， 壩基防滲型式的選擇是水庫設計與除險加固的重點問題， 直接影響水庫是否能夠正常蓄水運行。 根據(jù)前文水庫現(xiàn)狀滲流有限元計算分析的結果可知， 壩基防水平防滲長度不能滿足正常運行條件， 因此需要對壩基與庫區(qū)進行防滲加固。 滲漏問題的處理比較麻煩，一旦選擇的防滲方式不正確，資金的投入將非常大， 在南門外水庫大壩壩基無相對隔水層的情況下，更應慎重對待，應在滲漏量、工程投資以及施工難易程度等諸多方面進行比較、分析，壩基防滲方案一般分為垂直防滲和水平防滲兩種[3]。

垂直防滲的方式主要有：垂直鋪塑、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻等。 按防滲體形成原理不同，可分為防滲材料置換式和介入式。 置換式是指利用防滲材料代替原狀地基材料， 如薄混凝土防滲墻、垂直鋪塑等，一般需采取機械成槽后，再施工防滲體。 因此，對槽孔穩(wěn)定性要求較高，墻底易出現(xiàn)落淤， 影響墻體與相對不透水層的銜接可靠性。 介入式是指采用防滲材料對原狀地基直接改良使之具備防滲功能，如高噴板墻、深層攪拌樁等[4]。 由于南門外水庫地基無相對不透水層，如果采用懸掛式帷幕的方式進行垂直防滲， 投資相對較高。

全庫盆防滲處理方式主要有： 復合土工膜防滲、瀝青砼防滲、鋼筋砼防滲3 種方式，通過從滲漏風險、 方案投資與實施難度等方面進行工程的經(jīng)濟技術比較，3 種方式各有優(yōu)缺點， 但采用復合土工膜防滲的方式更符合南門外水庫的實際情況。 復合土工膜防滲的優(yōu)點包括：自身變形模量較大，適應地基變形能力較好，對基礎要求較低，施工工藝較簡單，防滲性能可靠，投資相對較小。 缺點包括：對土工復合膜上下墊層要求高，鋪設層數(shù)多，施工干擾大，接縫處理是滲漏的關鍵，因為接縫處理難于控制， 所以防滲效果的可控性仍有待檢驗[5]。

由于南門外水庫庫區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復雜，要查明所有的滲漏通道，摸清滲漏情況、滲流規(guī)律，存在相當大的技術難度。 在實際勘測過程中， 可能會存在滲漏通道未查明或在防滲工作中被遺漏而未做處理的隱患，當水庫蓄水后，一旦發(fā)現(xiàn)滲漏嚴重的地段， 還需要采取工程措施進行封閉。 因此，初步擬定不采用垂直防滲的方式，采用全庫盆表面防滲的處理方式更加穩(wěn)妥可靠[6]。

5 結語

南門外水庫地理位置臨近林西縣鎮(zhèn)區(qū)， 根據(jù)城市規(guī)劃與生態(tài)水利的建設需求， 其南側的林西工業(yè)園區(qū)、 林西東山生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)將陸續(xù)引進相關下游產(chǎn)業(yè)，園區(qū)內(nèi)的通水、通電、通訊及路平等“七通一平”建設，亟待進一步完善。 水庫滲漏問題得到解決后， 不但可以給市民提供一處旅游、休閑、娛樂的選擇場所，并且可為工業(yè)園區(qū)提供可靠的補充水源， 使水庫工程與該地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展相適應。

本文采用二維有限元模型對南門外水庫的滲流場進行了計算分析，其不足之處在于：南門外水庫大壩兩側壩肩位于沙丘坡地， 其壩肩滲流的封閉條件， 需要利用更加詳實的地質(zhì)勘察資料進行三維滲流場的有限元的模擬。 總體來說，采用二維有限元模型計算分析方法對大壩滲流安全性進行分析的方法是可行的， 但是該方法無法包含水庫滲漏的全部因素， 所以仍需要在工程實施過程中補充足夠的地質(zhì)勘察工作。 同時，在防滲加固工程的實施過程中， 還應補充完善大壩的滲流安全監(jiān)測系統(tǒng)，對浸潤線、滲透壓力（或滲透水頭）、滲流量進行持續(xù)的觀測與分析。 □