淺談沙壩的滲流控制

王錦峰，楊鑫平

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院，西安 710001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

沙漠地區缺乏防滲土料，水庫大壩多為水墜沙壩，壩基和壩體材料為細沙，滲透性強，允許滲透比降很小，因此對滲漏量和滲透破壞的控制都很關鍵。近年來陜北沙漠新建了很多水庫，大壩為均質沙壩，有幾座水庫出現了不同程度的滲透破壞，李家梁水庫就是其中之一，筆者對李家梁水庫的滲透破壞進行了研究分析，提出工程設計中存在的問題，總結出沙壩滲流控制的要點和工程措施。

1 李家梁水庫工程概況

李家梁水庫位于榆林市西北約40 km，地處毛烏蘇沙漠邊緣，是一座以供水為主的中型水庫，水庫正常蓄水位1 167.60 m，總庫容2 340萬m3，調節庫容1 690萬m3。大壩為均質砂壩，壩頂高程1 170.00 m，最大壩高25 m，上下游壩面坡坡比為1∶3和1∶3.5。

壩址河谷呈“U”形，地表多為新近堆積的移動新月型沙丘和沙梁，壩基為第四系堆積沙土，不均勻系數2.5，滲透系數3.67×10-3cm/s，臨界滲透比降0.251，厚度大于70 m(勘察過程中鉆孔未見基巖)。大壩為水墜沙壩，壩體沙土不均勻系數3.0，滲透系數1.28×10-2cm/s，臨界滲透比降0.246。防滲采用上游面斜鋪復合土工膜的水平防滲型式，河庫及兩岸鋪設長100 m的復合土工膜。下游壩腳設置反濾體，由于當地缺少反濾料，采用了1層無紡土工布和1層20 cm厚的礫石作為反濾。大壩的典型剖面和壩后反濾體的設計見圖1、2。

水庫蓄水運行后，當庫水位達到1 162.00～1 163.40 m時，壩后出現多處涌水冒沙現象，壩后反濾體位置浸潤線偏高，測水堰測量的滲漏量大約為80 L/s，約合日滲漏量為7 000 m3。

2 防滲方案選擇

由于壩基為細沙，滲透系數3.67×10-3cm/s，透水性強，厚度超過70 m，對于修建25 m高的大壩，采用垂直防滲不僅投資很高，也無法解決繞壩滲漏問題，設計采用鋪設復合土工膜的水平防滲型式是合理的。對于庫底土工膜鋪設長度，設計進行了不同鋪設長度的滲流計算，滲漏量的計算成果見表1。

圖1 原設計剖面圖 單位：m

圖2 原壩后反濾體設計圖 單位：高程，m；其它，mm

庫底土工膜鋪設長度/m排水渠底滲透比降(設反濾)排水渠底滲透比降(不設反濾)單寬滲漏量/[m3·(d·m)-1]總滲漏量/(m3·d-1)總滲漏量差值/(m3·d-1)無20501002003004005000．200．110．10．090．080．070．070．070．450．300．260．250．230．220．210．2181．6546．6641．636．3331．2829．5928．9628．72408252333020800181651564014795144801436017495253026352525845315120

由表1可以看出不采取任何防治措施，日滲漏量為40 825 m3/d，鋪設土工膜后滲漏量明顯減少，隨著庫底土工膜鋪設長度的增加，滲漏量逐漸減小，壩后排水渠滲透比降也隨之減小。但當土工膜鋪設長度大于200 m后，滲漏減小并不明顯，排水渠滲透比降基本不變。所以一味地增加庫底土工膜鋪設長度并沒有太大意義，因此原設計考慮節約工程投資的因素，采用100 m長的庫底鋪設長度是比較合適的，日滲漏量為18 165 m3，較不采取任何防滲措施的日滲漏量40 825 m3減少56%。筆者認為，鋪設200 m長的滲漏量較100 m長減少13.9%，日滲漏量減少2 525 m3，在水資源嚴重缺乏的沙漠地區，如果經濟允許的話，最好將庫底鋪設長度增加至200 m長。

3 滲流破壞原因分析

對水庫運行的幾年滲流觀測資料進行整理，繪制出庫水位1 162.00 m時的大壩浸潤線，并按原設計參數計算出庫水位1 162.00 m對應的浸潤線，將這2條浸潤線進行對比(見圖3)，在反濾體上游處，實測浸潤線高出設計浸潤線1.2 m。

圖3 實測浸潤線與設計浸潤線對比圖 單位：m

針對壩后出現的涌水冒沙現象，在冒沙嚴重的地段對反濾體進行了拆除檢查，反濾體外部全部包裹土工布，而排水渠底部卻未設土工布。發現土工布進水側沙土的顏色變為淺灰黑色，土工布上下游形成不小于0.3 m高差的水頭，可見土工布有一定的阻水作用。為了查清滲透破壞的原因，對壩基和壩體土重新進行了地質勘察，并模擬反濾體排水性能降低進行大壩滲流計算，結果見表2。實測每天滲漏量約為7 000 m3，壩下0+008 m、壩下0+036 m、壩下0+072 m實測浸潤線高程在1 162.00 m水位時大致高程分別為1 152.50 、1 150.80、1 148.30 m，與滲流計算中1 162.00 m水位+排水失效的浸潤線高程十分吻合。排水渠底部的滲透比降達到了0.39，大于壩基土的臨界滲透比降0.251，因此發生了滲透破壞，由于壩基沙土的不均勻系數為2.5，因此破壞形式為流土，表現為沸騰狀的涌水冒沙。隨著壩基沙土的逐漸流失，壩基被掏空，將會導致潰壩失事。

原設計反濾結構為1層無紡土工布和1層20 cm厚的礫石，用土工布將反濾體全部包裹，但在排水渠底部未設土工布，只考慮到將反濾體上游的沙土進行保護。壩體沙土的滲透系數為1.28×10-2cm/s，強透水性，在大壩運行一段時間后，無紡土工布被細顆粒填充，滲透性降低，導致了反濾體上游側的浸潤線抬高，增加了反濾體上下游水位差，從而使排水渠中底部的滲透比降增加，發生滲透破壞。筆者認為，如果將排水渠周圍也用土工布進行保護，也發生涌水冒沙的機率會大大降低。

表2 滲流計算成果表

為了從根本上徹底解決壩后滲透破壞，對原反濾進行拆除，新建的反濾體分為2層:1層粗砂反濾;1層礫石反濾，厚度均為30 cm。并將反濾體的長度由13 m增加到25 m，對排水渠的周圍設置土工布進行保護。經計算，正常蓄水位時排水渠底部的滲透比降為0.07，遠小于壩基土的臨界滲透比降。

4 滲流控制要點

4.1 滲漏量控制

對于相對不透水層埋深不大的工程，在技術和經濟條件允許的條件下，最好采用垂直防滲的方案，徹底解決大壩滲漏問題。像李家梁水庫這樣的在沙漠中修建的大壩工程大多壩基滲透性強，且相對不透水層埋藏很深，很難采取垂直防滲方案，只能通過水平鋪蓋延長滲徑的方法減少滲漏量，不能在根本上解決滲漏問題，只能適當的減少滲漏量。從李家梁水庫的防滲長度計算成果可以看出，當庫底土工膜鋪設長度大于10倍蓄水水頭后，增加土工膜鋪設長度對滲漏量的影響已經很小，因此應綜合考慮工程的經濟性，合理選擇土工膜的鋪設范圍。

4.2 滲透比降控制

沙土的臨界滲透比降很小，李家梁水庫壩基土臨界滲透比降0.251，壩體土臨界滲透比降0.246，極易發生滲透破壞。為了說明壩后設置反濾的必要性，在表1中分別列出了壩后設反濾和不設反濾2種情況下排水渠滲透比降的計算值，設置反濾后的滲透比降約為不設反濾的1/3，對降低滲透比降有顯著效果。

李家梁水庫原設計沒有通過試驗驗證土工布作為反濾的可靠性，在工程運行中由于土工布淤堵形成阻水作用，導致浸潤線抬高發生了滲透破壞。因此反濾設計的內容應包括2個方面：一是被保護土不流失；二是反濾層的透水性一定要大于被保護土。對于重要部位的反濾設計，必須通過試驗確定。

5 結 語

中國北部及西北部蘊藏著大量的石油、煤炭資源，西部大開發帶動了新疆、甘肅、內蒙、陜北等沙漠地區的石油化工和煤化工產業的發展，然而這些地區的水資源稀缺，為了適應工業的發展，不得不在沙漠地區開發利用水資源，在沙漠中修建水庫成為必然。水庫運行安全是保證人民生命財產安全和促進經濟發展的前題。沙土滲透性強，抗滲透能力差，沙壩的滲流控制是工程設計中的核心問題，做好防滲，減小水庫滲漏量，更為重要的是防止滲透破壞。工程設計應進行充分的計算分析及試驗論證，采用合理可靠的工程措施保證水庫的安全運行。

參考文獻:

[1] DL/T5395—2007,碾壓式土石壩設計規范[S].北京:中國電力出版社,2008.

[2] 劉杰.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[3] 王丹妮，周丹順，楊靜安，王小可. 南水北調工程高潛水強透水地基渠道施工期滲流及降排水研究[J].西北水電，2014，(5)：57-60.

[4] 許來香,黃葉峰,李燕杰. 青草沙水庫大堤東堤段堤基滲流特性研究[J].勘察科學技術,2012,(3):37-40.

[5] 劉海青,歐陽禮捷. 長興島北環河滲流穩定分析及控制措施[J].上海水務,2014,(3):22-24.