濮陽市引黃灌溉調節水庫三維滲流分析

楊繼東

摘 要：濮陽市引黃灌溉調節水庫庫區巖層透水性較強，滲漏問題較為嚴重，為減少水庫滲漏量，確保滲流安全，需對其進行防滲處理。為了提出合理的防滲方案，采用有限元法建立研究區三維地下水滲流數值模型，模擬預測不同防滲措施下水庫的滲漏量，優化防滲設計方案。模擬預測結果表明：無防滲措施下水庫蓄水運行期滲漏量大，庫周局部范圍和兩湖之間出現浸沒影響，低洼處會發生滲透破壞，必須采取防滲措施;結合施工用料、防滲效果及后期維護等因素，相較鋪蓋方案該工程更宜采用防滲墻防滲方案;通過比較不同厚度及不同滲透性防滲墻的防滲效果得到，防滲墻的滲透性較其厚度對水庫滲漏的影響更大，施工時應優先選取防滲性能好的防滲墻，再考慮其厚度。總體而言，滲透系數不大于1×10-6 cm/s、厚度為40 cm的防滲墻可以滿足防滲和施工設計總滲漏量要求。

關鍵詞：引黃灌溉調節水庫;滲流;防滲措施;防滲墻;數值模擬

中圖分類號：TV22 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.025

Abstract： Seepage problem is serious of an irrigation reservoir diverted from the Yellow River in Puyang City because the permeability of rock strata is strong. In order to reduce the amount of reservoir leakage and ensure the safety of seepage， anti-seepage treatment should be carried out. A three-dimensional numerical model of groundwater seepage in the research area was established by using the finite element method to simulate and predict the seepage quantity of reservoirs with different seepage prevention measures to put forward a reasonable seepage prevention scheme and optimize the seepage prevention design scheme. The results show that the seepage quantity is large in the operation period of the reservoir without anti-seepage measures. The immersion fields appeared in the local area around the reservoir and between the two lakes， and the seepage damage will occur in the low-lying areas， so the anti-seepage measures must be taken. Combined with the construction materials， anti-seepage effect and later maintenance factors， the project is more appropriate to use the anti-seepage wall scheme than the bedding scheme. Compared with the thickness of cutoff wall， its permeability has a more significant impact on the reservoir leakage， so the seepage performance of cutoff wall should be given priority before the geometric thickness. In general， the permeability coefficient should not be greater than 1×10-6 cm/s， and the cutoff wall with a thickness of 40 cm can meet the requirements of anti-seepage and total leakage in construction design.

Key words： irrigation reservoir; seepage; anti-seepage measure; cutoff wall; numerical simulation

水庫可對水資源在時間、空間上進行再分配，在一定程度上緩解水資源緊缺問題，滿足當地居民生活及工農業生產用水需求[1]。然而受工程區地質特性、施工質量、經濟條件等因素影響，水庫在蓄水運行中會出現滲漏問題[2]。水庫滲漏不僅影響其防洪蓄水功能的發揮，而且會導致水庫運營效益低下，嚴重的會引起浸沒、邊坡塌滑等環境工程地質問題[3]。工程防滲技術可以有效控制水庫滲漏，提高水庫效益，防止壩體和壩基產生滲透變形破壞[4]。濮陽市引黃灌溉調節水庫庫區巖層透水性較強，水庫蓄水運行后存在庫盆底部垂向及庫區水平滲漏問題，需對其進行工程防滲。為了確定合適的防滲形式，筆者對該水庫在不同防滲措施下的滲漏、繞滲開展三維有限元滲流模擬計算，比較有、無防滲措施的防滲效果，提出合理的防滲方案。

1 工程概況

濮陽市引黃灌溉調節水庫位于濮陽市城區北部，為人工開挖的平原區水庫，由東庫、西庫和連接河道三部分組成。庫區地面以下50 m范圍內地層由第四系全新統（Q4）和上更新統（Q3）沖積物構成，巖性主要由砂壤土、粉細砂、粉質黏土和粉質壤土構成，為黏砂多層結構。自上而下各層巖性如下：第①層砂壤土（Q4）厚2.4～7.5 m，層底高程43.7～48.8 m，屬砂性土，具中等透水性。第②層中粉質壤土（Q4）厚0.5～6.5 m，層底高程42.3～47.6 m，屬少黏性土，具弱、中等透水性，東庫分布不連續。第③層粉砂、砂壤土（Q4）厚0.3～9.3 m，層底高程36.1～43.7 m，厚度差異大，具中等透水性。第④層粉質黏土（Q4）厚1.6～10.9 m，層底高程29.4～39.4 m，為黏性土，具微透水性，分布不連續。第⑤層粉細砂（Q4）一般厚度為8～16 m，層底高程17.7～28.8 m，具中等透水性。第⑥層重粉質壤土（Q3）厚2.0～15.4 m，層底高程10.5～24.4 m，為黏性土，具微、弱透水性。下伏第⑦層細砂，厚度大，強透水。庫區地下含水層可分為兩個含水巖組，第①～⑤層組成潛水含水層組，砂壤土和粉細砂具中等透水性，為賦水地層，下部砂層具微承壓性。第⑥、⑦層潛水含水層與承壓含水層相連通。勘察期間實測鉆孔和機井內地下水埋深為20.20～27.78 m。

水庫挖深約6 m，庫岸巖性由第①層砂壤土、第②層中粉質壤土和第③層粉砂、砂壤土構成，以中等透水的砂性土為主，蓄水后存在水平滲漏問題。

水庫底板主要位于第②層中粉質壤土和第③層粉砂、砂壤土中，此兩層土一般具中等透水性，下部第④層粉質黏土為相對隔水層，但由于部分地段缺失，因此導致上部第③層粉砂、砂壤土和下部第⑤層粉細砂等中等透水地層直接相連，形成滲漏通道，蓄水后存在庫盆底部垂向滲漏問題。

防滲設計方案：垂直防滲與水平防滲相結合，沿庫周布設一道總長12.22 km的塑性混凝土防滲墻進行垂直防滲，墻頂高程等于正常蓄水位（51.50 m），墻底進入相對隔水的第⑥層重粉質壤土內1～2 m，墻高26～36 m;在庫區及引、退水河道區表面設置水平壤土鋪蓋層進行水平防滲，鋪蓋厚度為0.5 m。

2 研究方法

該水庫岸線呈龍字形，防滲線長約12 km，防滲輪廓變化復雜且長度較大。庫區覆蓋層厚度大，上部30 m以中等透水的砂壤土、粉砂和細砂為主，夾有薄層且不連續的黏性土隔水層，滲漏問題較突出，水庫蓄水后水平向和垂向滲漏為三維滲流過程，因此本研究采用三維滲流數學模型和有限元法進行計算分析。

2.1 數學模型

三維滲流數值計算主要應用南京水利科學研究院開發的三維滲流軟件UNSS3，該軟件已被應用于升鐘水庫、賈魯河水庫、鄭州龍湖、龍羊峽水電站、剛果英布魯水庫、小浪底水電站、燕山水庫等上百座大中型水庫、閘壩和尾礦壩的三維滲流數值計算，計算結果較為可靠。

根據岸邊范圍推測研究區地下水影響半徑為1 500 m，為盡量減少水庫蓄水后地下水流場變化對模擬結果的影響，本次模擬考慮5倍地下水影響半徑構建庫周地下水滲流場，模型南北長約16 km，東西長約20 km，模型總面積為320 km2。模型上部高程為實測地表高程51.5～54.0 m，根據工程布置情況，并考慮設計防滲墻尺寸等，模型底部高程設為15.0 m。根據研究區水文地質資料，模型東西部邊界設為隔水邊界，南北邊界設為定水頭邊界，水位通過長期水位觀測資料給定。模型垂向自上而下分別模擬地表、湖面、開挖面、表層壤土、粉砂層、砂壤土夾層、細砂層、壤土隔水層。由于模型的模擬范圍較大，湖面形狀復雜，因此從開挖深度上又分為深水區、過渡區、淺水區和緩坡區四個區域，防滲設計上，在不同的區域設置不同的鋪蓋和防滲墻。單元格剖分根據模擬區域地質條件變化，在地下水位變化較大的庫周加密網格，網格長度約為5 m，防滲墻最小單元為0.22 m，由庫岸至模型邊界網格長度逐漸加大，邊界約為500 m。模型平面網格示意見圖1。

2.2 計算內容

構建三維滲流模型計算不同工況下庫周滲漏量，分析滲漏對水庫周邊浸沒的影響，提出合適的防滲方案。計算內容主要有：①構建三維滲流模型并進行模型驗證;②計算分析水庫蓄水運行期不采取防滲措施時地下水滲流場;③計算分析水庫蓄水運行期壩基防滲方案地下水滲流場;④不同防滲墻深度方案效果模擬計算;⑤不同防滲方案（鋪蓋、防滲墻）防滲效果模擬比較;⑥防滲墻不同滲透性和不同厚度等方案敏感性計算;⑦運行期地下水環境影響模擬計算及控制措施方案比較;⑧推薦的優化防滲方案設計計算。

2.3 計算工況

通過比較不同防滲方案對研究區地下滲流場的影響，提出最適宜的防滲組合方案，模擬水庫水位為51.50 m。具體計算工況見表1。

3 計算結果分析

3.1 無防滲措施滲流場

根據該水庫庫區地下水等水位線圖可知，水庫主庫區地下水位一般為29.12～30.30 m，周邊多年平均地下水位約為29.4 m。

在不采取任何防滲措施的天然滲流場下，水庫地下水影響半徑達5 603 m，滲流場影響區域約93.2 km2，水庫滲漏量為1 071×104 m3/a，約占總庫容的50%。同時滲漏還造成庫周地下水位升高2～20 m，地下水影響范圍達5 780 m，庫周線外100 m范圍內存在局部浸沒現象，特別是在水庫兩湖之間浸沒現象嚴重，對庫周生態環境造成嚴重影響。

蓄水運行期無防滲措施下的主要問題是滲漏量大，難以保證水庫正常蓄水運行，同時庫周局部范圍和兩湖之間產生浸沒，低洼處出現滲透破壞。這種現象在國內平原水庫的下游地面曾經發生過[6]。因此，有必要采取防滲措施控制水庫滲漏量。

3.2 鋪蓋方案滲流場

本次僅進行鋪蓋方案實施后水庫運行期（湖面標高51.50 m）三維地下水滲流場模擬，鋪蓋方案為僅對庫底設置水平鋪蓋，鋪蓋材料為壤土，鋪蓋厚度為0.5 m，鋪蓋材料滲透系數為1×10-5 cm/s。模擬計算結果顯示水庫總滲漏量為320×104 m3/a，相較無防滲措施滲漏量明顯減少;當鋪蓋滲透系數為1×10-6 cm/s時，總滲透量為198×104 m3/a。鋪蓋承受最大滲透坡降為5。

以上結果表明鋪蓋方案能夠有效減小庫底滲漏量，但實施鋪蓋方案需要大量土料，而該區域土料供應不能滿足工程要求，加之取料難度大，鋪蓋土較難進行工程壓實，水庫運行中滲漏現象仍比較嚴重，加之采取鋪蓋方案后需長期進行工程維護，造成庫底清淤困難。因此，鋪蓋方案不是最佳選擇。

3.3 運行期防滲墻方案滲流場

針對防滲墻的尺寸和滲透性進行了數值模擬，分析現設計方案設置塑性混凝土防滲墻后水庫運行期三維滲流場。

（1）設計方案。現設計方案防滲墻厚40 cm、滲透系數為1×10-6 cm/s，墻進入相對不透水層（第⑥層）1 m，該層滲透系數取平均值，為5×10-6 cm/s。經模擬分析，該方案沿防滲墻的外滲流量為151×104 m3/a。

（2）比較方案。針對不同材質（滲透系數不同）及不同厚度防滲墻成墻后水庫運行期三維滲流場的變化進行了12種工況的數值模擬，比較分析采用不同滲透性能及不同厚度的防滲墻對地下流場的影響。

（3）地下水位分析。不同防滲工況下地下水位最大抬高值見圖2。由圖2可以看出，各模擬工況下庫周地下水位均有不同程度的降低，防滲墻起到了較好的延長滲徑的作用，防滲墻本身承擔了最大14 m水頭壓力，有效阻止了地下水位的升高。本次模擬僅考慮穩定滲流，研究水庫蓄水后周邊地下水位穩定期的滲流場，庫周地下水位因水庫蓄水而有不同程度的升高。

根據地下水位模擬升高情況可以得出，防滲墻滲透性對該區地下水位影響顯著。比較防滲墻滲透系數在1×10-5～1×10-7 cm/s范圍變化對地下水位等值線變化的影響可以看出，滲透系數從1×10-6 cm/s變為1×10-7 cm/s時地下水位變化約為7.0 m，從水位的變化也可以看出防滲墻具有有效阻滲作用。因此，選用合適滲透材料的防滲墻對地下水位變化具有關鍵作用。

防滲墻厚度對地下水位的影響較其滲透性對地下水位的影響弱。假定庫區水平滲透，防滲墻起到決定性作用，基于滲流理論，水庫滲漏量與防滲墻厚度關系可根據達西定律進行推算，防滲墻厚度與防滲墻的滲透系數近似成反比關系，當防滲墻厚度增大一半，即滲透系數縮小一半，水力坡降減小一半，則水庫滲漏量減小一半，防滲墻厚度與水庫滲漏量成反比。因此，當防滲墻厚度在22～40 cm范圍變化時，其對地下水位影響不大。防滲墻厚度受工程限制很難顯著增大，而防滲材料選擇較為自由，所以可以按照具體施工工藝要求及安全要求確定防滲墻厚度，而水庫浸沒的影響范圍應根據滲透性指標來確定。控制庫岸線后地下水位升高值在10 m以下，比較分析各計算結果，選擇厚度為40 cm、滲透系數不大于1×10-6 cm/s的防滲墻可滿足設計要求。

（4）滲漏量分析。圖3為不同防滲墻厚度工況下水庫滲漏量與滲透系數的關系。可見，防滲墻厚度對滲漏量影響較小，所以選擇防滲墻應首先考慮其滲透系數，然后考慮其厚度，而防滲墻幾何尺寸的選擇受制于成墻工藝。

根據蓄水條件及環境影響下的滲漏量控制指標可知，設計允許滲漏量為260×104 m3/a，從圖3可以看出，當防滲墻厚度固定為30 cm時，其滲透系數在1×10-6～5×10-6 cm/s范圍均能達到設計要求。推薦施工時采用厚度為40 cm、滲透系數為1×10-6 cm/s的防滲墻，既滿足工程安全需求又便于施工。

3.4 防滲墻局部缺失滲流分析

工程施工中往往會因施工質量欠缺而導致防滲墻下部出現開叉，造成防滲墻局部缺失，從而影響防滲墻的整體防滲效果。

設防滲墻厚度為40 cm、滲透系數為1×10-6 cm/s，選擇中部防滲墻段長150 m、底部10 cm開叉缺失進行模擬計算，得到總滲漏量為165.29×104 m3/a，對比防滲墻無局部缺失下的總滲漏量（151.06×104 m3/a）可知，防滲墻缺失下的總滲漏量增加了9.4%。防滲墻無局部缺失對滲漏量有一定影響，能夠起到阻水作用，但要較大的貫入度才能發揮功效，從經濟角度出發，懸掛式防滲墻較截斷式防滲墻的防滲效果差，建議采用截斷式防滲墻。

4 結 論

對濮陽市引黃灌溉調節水庫不同防滲措施下的滲漏量進行三維滲流分析，對比防滲效果，得出以下結論：

（1）該水庫蓄水運行期無防滲措施下的主要問題是滲漏量大，庫周局部范圍和兩湖之間產生浸沒，低洼處出現滲透破壞。因此，有必要采取滲控措施。

（2）鋪蓋方案能夠有效控制地下水位和庫底滲漏量，滿足設計滲漏量要求，但由于鋪蓋方案存在土料供應不足、鋪土容易出現裂縫、庫底清淤維護難度大等問題，因此鋪蓋方案不是最佳選擇。

（3）防滲墻滲透性大小相較其厚度對水庫滲漏量影響更為顯著，選取防滲墻時應優先選用防滲性能好的防滲墻，再考慮其幾何尺寸。總體上來說，滲透系數不大于1×10-6 cm/s、厚度為40 cm的防滲墻可以滿足防滲和施工設計總滲漏量的要求。

參考文獻：

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[5] 毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：水利電力出版社，1990：13-20.

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【責任編輯 張華巖】