水庫防滲措施及壩后排水溝距離對周邊農田地下水埋深的影響

張才軍

(湖北省漳河土木工程設計院，湖北 荊門 448000)

水庫滲漏對于水庫安全有著不可忽視的影響，其能夠抬高水庫四周地下水水位，也能夠影響水庫壩體的安全穩定[1- 4]；同時由于地域的限制，在干旱及半干旱的氣候變化下，滲漏問題將會帶來一系列的連鎖反應，譬如水庫蓄水量不足、影響農業的可持續發展等[5- 8]。為了改善此類問題帶來的負面影響，工程界采用了“上防下排”的措施，即在水庫及壩體采用防滲措施，同時在壩后采用排水措施。

本文通過有限元軟件，對某水庫工程進行計算、分析，研究不同防滲措施、壩后排水溝距壩趾距離及深度對地下水埋深的影響，結合滲流理論計算水庫的抗滑穩定性，為該類水庫工程的防滲措施提供相應的理論基礎。

1 理論基礎

1.1 滲流理論

土體保持非飽和狀態，其基質吸力與土體含水率和滲透系數相關，主要決定性因素為孔隙水壓力和孔隙氣壓力。土水特征曲線是非飽和狀態下的土體含水率與基質吸力之間的關系曲線；而非飽和滲流方程，故為非飽和狀態下土體的滲透系數與基質吸力之間的方程。在實際工程中，Van Genuchten的非飽和狀態下土水特征曲線以及滲流方程應用更為廣泛。

非飽和土水特征曲線方程的具體公式為：

μm=μα-μw

(1)

式中，μm、μα、μw—基質吸力、孔隙氣壓力和孔隙水壓力；kPa；θw、θs和θr—體積含水率、飽和含水率和土體殘余體積含水率；αw—與進氣值相關的參數；nw—反映體積含水率變化速率的參數；nw—非飽和土殘余狀態相關的參數，計算公式為：

(2)

滲流方程公式為：

(3)

式中，k、ks—土體滲透系數和土體飽和滲透系數，其中土體飽和滲透系數與土體孔隙水壓力有關系，具體關系式如下：

(4)

式中，ks0—土體初始飽和滲透系數；n、n0—土體的孔隙率以及土體初始孔隙率。

1.2 壩體抗滑穩定性

壩體抗滑穩定性計算通過條分法計算，計算公式如下：

(5)

式中，F—壩體抗滑穩定安全系數；li—第i塊在滑弧上的長度；φi、ci—第i塊的土體材料內摩擦角和粘聚力大小；σni—第i塊滑塊在圓弧滑面上的法向應力；τi—第i塊滑塊在圓弧滑面上的切向應力。

2 數值計算

2.1 模型建立

本次數值計算采用的工程原型為新疆某水庫工程，典型斷面如圖1所示。其中壩基面水平高程采用869.00m，壩頂高程877.30m，水庫正常設計水位875.00m，水庫壩頂寬度為6.00m，水庫壩體上、下游的壩坡坡比均為1∶2.5，水庫壩基的防滲體均采用土工膜水平鋪設，其鋪設長度是壩前水頭的22倍，即132m。S為排水溝距離壩趾長度，m；h2為排水溝深度，m。

圖1 模型典型斷面圖

該水庫在原斷面的基礎上，進一步增加防滲措施，即水平鋪蓋和懸掛式防滲墻，具體位置如圖2所示，防滲墻的厚度0.4m，防滲墻長度為20.00m。其余壩體尺寸保持相同。

圖2 防滲措施模型圖

2.2 模型參數

數值模擬選取的模型參數均通過實際測量及勘察得到，具體材料參數見表1。

表1 材料參數

2.3 試驗方案

數值模擬將通過有限元軟件對不同試驗方案進行計算，主要針對防滲措施以及壩后排水溝對地下水位的影響，設計計算方案見表2。

表2 試驗方案

注：計算1組、2組和3組分別對排水溝與壩趾距離和深度進行排列組合，即每組試驗進行9個有限元試驗計算。

3 計算結果

S=100m時地下水埋深計算結果如圖3所示，由圖3可知，排水溝距壩趾的距離及排水溝的深度對地下水埋深影響較大；當排水溝深度不變時，地下水深出現先減小后增大，最后在排水溝后緣一定范圍內保持地下水埋深不變，在排水溝底部出現地下水最大埋深；當排水溝距壩趾的距離不變時，隨著排水溝深度的增加，最大地下水埋深也逐漸增加，最后穩定的地下水埋深相應增加；對比排水溝前后的地下水埋深可知，排水溝能夠消耗一定的水頭，進而使經過排水溝后的地下水埋深增加。

圖3 S=100m時地下水埋深計算結果

3.1 排水溝位置對地下水的影響

h2=2m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果如圖4所示，由圖4可知，當壩體沒有防滲措施及排水溝深度一定時，地下水埋深隨著排水溝距壩趾距離的增加而先降低后增加；當有防滲措施(防滲墻和土工膜)時，地下水埋深隨著排水溝距壩趾距離的增加而增加，由于壩前水頭有限，在無防滲措施時，其影響范圍可能在本次計算范圍內；當有防滲措施時，壩前水頭在防滲措施作用下得到一定的削弱，進而使其影響范圍減小，并小于本次計算范圍，導致其地下水埋深逐漸增加。

圖4 h2=2m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果

h2=4m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果如圖5所示，由圖5可知，地下水埋深的變化規律與圖4保持相同，即兩者的原理基本相同。

圖5 h2=4m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果

h2=6m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果如圖6所示，由圖6可知，當壩體排水溝深度一定時，在不同防滲措施下，地下水埋深隨著排水溝距壩趾距離的增加先降低后增加；主要是因為其排水溝深度的增加，相當于增加了壩前水頭與排水溝的水頭差，在有防滲措施情況下的水頭影響范圍也逐漸增加到本次計算范圍內。

圖6 h2=6m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果

3.2 排水溝深度對地下水的影響

S=60m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果如圖7所示，由圖7可知，當排水溝距壩趾的距離不變時，隨著排水溝深度的增加，地下水埋深也不斷增加；當有防滲措施時，其變化規律也相同；而對壩體使用土工膜比防滲墻的地下水埋深更大。可能是由于隨著排水溝深度的增加，進而增加對地下水水頭的損失，使地下水埋深進一步增加；土工膜比防滲墻產生的地下水埋深更大，是因為土工膜的防滲效果較防滲墻好。但隨著排水溝深度的增加，兩種防滲措施產生的地下水埋深越來越接近。

圖7 S=60m時不同措施下地下水埋深計算結果

S=100m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果如圖8所示，由圖8可知，隨著排水溝深度的增加，地下水埋深的變化規律與圖7基本保持相同，即兩者之間的原理也基本相同。

圖8 S=100m時不同措施下地下水埋深計算結果

S=140m時不同壩趾距離地下水埋深計算結果如圖9所示，由圖9可知，當排水溝距壩趾的距離達到一定時，不同的防滲措施產生的地下水埋深基本相同，即防滲措施雖然有作用，但不同的防滲措施效果所達到的效果基本相同。主要原因是隨著排水溝距壩趾的距離達到一定時，在無防滲措施時其壩前水頭所影響的范圍能夠達到，但是當有防滲措施時，其影響的范圍達不到，所以兩者的影響效果相同。

圖9 S=140m時不同措施下地下水埋深計算結果

3.3 下游壩坡穩定性分析

h2=2m時不同壩趾距離下安全系數(抗滑安全系數，本文視為安全系數)計算結果如圖10所示，由圖10可知，在排水溝深度一定時，無防滲措施壩體的安全系數相比有防滲措施壩體安全系數較低，具有土工膜防滲措施的壩體安全系數最大；并且隨著排水溝距壩趾距離的增加，所有方案下的壩體安全系數均出現逐漸增加的趨勢。主要原因是防滲效果越好，地下水埋深相對越大，對壩體安全影響越小；隨著排水溝距壩趾距離的增加，地下水埋深也逐漸增加，所以對壩體的安全影響減小。

圖10 h2=2m時不同壩趾距離下安全系數計算結果

S=60m時不同措施下安全系數計算結果如圖11所示，由圖11可知，在排水溝距壩趾的距離一定時，不同防滲措施下，隨著排水溝深度的增加，壩體的安全系數逐漸增加，主要是因為隨著排水溝深度的增加，地下水埋深也不斷增加，進而對壩體安全系數的影響越小；當排水溝深度達到一定時，壩體使用不同的防滲措施，其安全系數基本相同，主要是因為當排水溝深度達到一定時，不同的防滲措施產生的地下水埋深基本相同，進而使其安全系數基本相同。

圖11 S=60m時不同措施下安全系數計算結果

4 結論

通過有限元數值模擬計算壩體在不同防滲措施、壩后排水溝距壩趾的距離以及排水溝深度對地下水埋深和壩體安全的影響，并得到以下結論：

(1)在排水溝深度和距壩趾的距離一定時，壩體采用防滲措施將有效的增加地下水埋深；且土工膜防滲措施比防滲墻防滲措施產生的地下水埋深更深。

(2)當壩體有、無防滲措施時，地下水埋深變化規律不同，前者隨著排水溝距壩趾距離以及排水溝深度的增加而逐漸增加，后者隨著排水溝距壩趾距離的增加先降低后增加，隨著排水溝深度的增加，地下水位也增加。

(3)有防滲措施壩體穩定性更高，采用土工膜防滲措施的壩體穩定性最好；隨著排水溝距壩趾距離以及排水溝深度的增加，壩體安全系數逐漸增加；當排水溝深度達到一定時，壩體使用不同的防滲措施，對壩體穩定性影響較小。