西北某注入式水庫庫盤防滲方案比選研究

何 瀟

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院，新疆 塔城 834700)

西北某水庫是一座以灌溉、農(nóng)村人畜飲水兼顧防洪為主要功能的引水注入式水庫，總庫容為5.500×107m3，控制灌溉面積25.5萬畝，供應(yīng)15.4萬人的人居飲水和30萬頭牲畜的生活用水。水庫工程主要由引水工程與水庫樞紐兩部分組成，引水工程主要包括渠首(攔河閘)和引水干渠，水庫主要包括大壩、供水灌溉洞、放水渠、溢洪道組成。

經(jīng)調(diào)查庫區(qū)地質(zhì)，庫盤及兩側(cè)岸坡覆蓋層巖性以粉土、卵石混合土為主，透水性好，庫盤封閉條件差，水庫常年滲漏。經(jīng)測(cè)算，庫壩區(qū)日滲漏量約為4.8萬m3/d，年內(nèi)按200 d正常蓄水計(jì)算，水庫年滲漏量約960萬m3，約占總庫容的34%，庫水滲漏損失巨大。

1 庫區(qū)地質(zhì)概況

庫區(qū)為寬淺U型斜坡洼地，南東高、北西低，地形坡降2°～3°。左岸壩址上游側(cè)為緩坡，為山前洪積扇組成的洪積平原，岸坡坡度為3°～8°，岸坡頂(壩線處)地形微傾向下游；左岸壩址下游側(cè)為一土壟，坡頂為平臺(tái)，岸坡高15 m～25 m，岸坡坡度為8°～18°，局部有溪流沖刷淘蝕形成的陡立土坎；右岸為一長(zhǎng)條形土壟，岸坡高10 m～47 m，岸坡坡度為10°～18°。

1.1 庫壩區(qū)覆蓋層及其滲透性

庫盤及兩側(cè)岸坡均被第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積物(Q3-4pl)覆蓋，巖性主要為粉土、卵石混合土。粉土層厚1 m～20 m，覆蓋在卵石混合土之上，在庫區(qū)溪溝及右岸岸坡處缺失；下部卵石混合土層厚數(shù)米至數(shù)十米，分布連續(xù)穩(wěn)定。

對(duì)庫區(qū)上層粉土層取樣進(jìn)行10組滲水試驗(yàn)，粉土的滲透系數(shù)為1.0×10-4cm/s～9.9×10-4cm/s，平均值4.5×10-4cm/s，屬中等透水性；在庫區(qū)粉土層較薄處對(duì)卵石混合土進(jìn)行試坑揭露并取樣、對(duì)右岸岸坡卵石混合土出露處取樣，共進(jìn)行6組滲水試驗(yàn)，卵石混合土滲透系數(shù)為1.3×10-2cm/s～1.5×10-1cm/s，平均值5.0×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)等透水性。

1.2 庫盤表層粉土厚度分區(qū)

經(jīng)取樣試驗(yàn)，粉土層的滲透性遠(yuǎn)小于卵石混合土層，是相對(duì)阻水層。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查實(shí)地踏勘，在庫區(qū)溪溝及右岸岸坡處，粉土層缺失，卵石混合土出露；靠近溪流處粉土層較薄；溪流以外隨距離粉土層厚度逐漸增大。具體表現(xiàn)為：溪流兩側(cè)50 m～150 m處粉土厚度小于5 m；溪流兩側(cè)150 m以外部分粉土厚度一般大于5 m，其中庫盤在靠近右岸處，微地貌顯示為一凹槽，此處粉土層沉積厚度較大，厚度10 m～20 m。庫盤表層粉土厚度分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)見表1。其中，表1中括號(hào)內(nèi)為上壩線庫內(nèi)面積；表內(nèi)面積統(tǒng)計(jì)不包括右岸邊坡。

表1 庫盤表層粉土厚度分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表

庫區(qū)右岸邊坡處在正常蓄水位以下卵石混合土出露面積約4.4萬m2，其中上壩線右岸卵石混合土出露面積約2.51萬m2；溪溝處因流水沖刷切割，溝底已至卵石混合土頂面。右岸及西溝底卵石混合土層均通向庫外，是庫水良好的滲漏通道。

2 庫盤土層間的反濾判別

庫盤表層覆蓋粉土，下伏巨厚的卵石混合土層。庫區(qū)地下水除壩址區(qū)溪溝兩側(cè)埋深較淺外，庫區(qū)其余部分埋深一般大于10 m。因此當(dāng)水庫蓄水時(shí)，庫水將向土體深部滲漏，滲流方向由上向下，上部細(xì)顆粒有被水流帶入下部粗顆粒的可能。為判別上部粉土是否產(chǎn)生流失破壞，對(duì)庫內(nèi)表層粉土層和卵石混合土層采取全分析樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，其成果見圖1。

粉土小于0.075 mm顆粒含量大于85%。可采用下式判別，D15≤9×d85，式中：D15為卵石混合土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d85為粉土粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%。

可知，粉土d85最小粒徑為0.034 mm，d85最大粒徑為0.16 mm；卵石混合土上下包絡(luò)線D15最小粒徑為0.025 mm，D15最大粒徑為0.58 mm。按上式判別，D15最小粒徑與d85最小粒徑滿足反濾要求，即0.025≤9×0.034=0.306；D15最大粒徑與d85最大粒徑滿足反濾要求，即0.58≤9×0.16=1.44；D15最大粒徑與d85最小粒徑不滿足反濾要求，即0.58≥9×0.034=0.306。考慮土體的不均性，可認(rèn)為庫盤內(nèi)局部地段下部卵石混合土不能對(duì)上部粉土起保護(hù)作用，水庫蓄水時(shí)庫區(qū)表層覆蓋粉土?xí)l(fā)生局部流失破壞，在庫內(nèi)高水頭及粉土較薄處應(yīng)采取必要的防滲措施。

3 庫盤防滲方案比選

擬定2種庫盤防滲方案進(jìn)行比選：①粘土鋪蓋防滲；②復(fù)合土工膜防滲。

3.1 粘土鋪蓋防滲方案

庫盆粘土鋪蓋防滲范圍為壩趾前、庫盆內(nèi)的黃土層分布不均勻且天然鋪蓋折算為人工鋪蓋后厚度小于等坡降鋪蓋要求的區(qū)域及庫盆內(nèi)發(fā)育的幾條常年流水的溪溝。等坡降鋪蓋采用人工鋪蓋與天然鋪蓋的組合鋪蓋考慮，組合鋪蓋厚度采用下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，中壩段L1=680 m，t1=8.5 m，則等坡降粘土鋪蓋鋪設(shè)厚度為8.5 m，鋪設(shè)長(zhǎng)度為680 m，鋪蓋末端鋪設(shè)厚度為3.0 m。

3.2 復(fù)合土工膜防滲方案

復(fù)合土工膜防滲方案擬選用的復(fù)合土工膜為一布一膜，具體規(guī)格為公稱厚度為0.6 mm厚的聚乙烯土工膜，耐靜水壓為1.0 MPa；土工布為總單位面積質(zhì)量300 g/m2的非織造布，標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度為14 kN/m。鋪設(shè)范圍為壩址前及庫盤黃土覆蓋層內(nèi)滲透比降超過臨界水力比降的區(qū)域、卵石混合土出露的區(qū)域及庫盤內(nèi)發(fā)育的幾條常年流水的溪溝。工藝要求為庫盤清基0.5 m，清除尖硬雜物，膜上回填土料厚0.6 m；土工膜鋪設(shè)時(shí)加穩(wěn)定劑，確保清、污水下工作年限分別達(dá)到40年～50年、30年～40年；設(shè)置排水排氣措施，防止水、氣頂托造成膜材破壞，在壩址處壓重厚5 m防滲土料，周邊接界采用截水槽處理，將土工膜埋入槽內(nèi)，封堵滲流入口，截?cái)鄠?cè)向的滲漏路徑[1]。

3.3 二維滲流分析比選

3.3.1 計(jì)算理論

滲流分析針對(duì)以上2種庫盆防滲方案分別開展，分析水庫正常運(yùn)行條件下的壩體和壩基滲流情況。滲流計(jì)算理論選用達(dá)西穩(wěn)定滲流控制方程，即：

式中：h為總水頭，即壓力水頭與位置高度之和；kx、ky、kz為沿x、y、z方向得滲透系數(shù)，此計(jì)算中kx=ky=kz，n為邊界的法線方向。

3.3.2 計(jì)算模型

采用通用有限元程序Abaqus中的滲流應(yīng)力耦合計(jì)算模塊，計(jì)算時(shí)將所有結(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行約束，只進(jìn)行滲流計(jì)算。計(jì)算中取壩體4個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算，分別為中壩段斷面1+170、1+440、1+700和左壩段斷面0+560，模型區(qū)域涵蓋上下游壩體、覆蓋層及瀝青混凝土面板壩。計(jì)算模型+X軸對(duì)應(yīng)順河流方向，-Y軸對(duì)應(yīng)重力方向，+Z軸對(duì)應(yīng)壩軸線壩段編號(hào)方向。模型中壩體頂部高程為1126.2 m，上游坡比1∶1.9，下游坡比1∶1.8；底部邊界取至高程996.2 m處，即壩基開挖底線以下約80 m處，上游邊界取至壩軸線上1567.4 m處，即壩軸線上874.3 m處。考慮不同材料的分布以及地層的分界情況，建立有限元計(jì)算網(wǎng)格。此處以中壩段斷面1+440為例，其整體模型見圖2，壩體附近模型見圖3，覆蓋層區(qū)域(以方案二為例)模型見圖4。

圖2 整體模型(斷面1+440)

圖3 壩體附近模型(斷面1+440)

圖4 覆蓋層區(qū)域模型

3.3.3 計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算，得到斷面1+440處，方案一正常蓄水位下粘土鋪蓋防滲方案最大斷面孔壓分布圖、壩體附近區(qū)域孔壓分布圖及壩體附近區(qū)域的流速矢量分布圖見圖5～圖7；方案二正常蓄水位下復(fù)合土工膜防滲方案最大斷面孔壓分布圖、壩體附近區(qū)域孔壓分布圖及壩體附近區(qū)域的流速矢量分布圖見圖8～圖10。

圖5 斷面1+440方案一最大斷面孔壓分布圖(單位：kPa)

圖6 斷面1+440方案一壩體附近區(qū)域孔壓分布圖(單位：kPa)

圖7 斷面1+440方案一壩體附近區(qū)域的流速矢量分布圖(單位：m/s)

圖8 斷面1+440方案二最大斷面孔壓分布圖(單位：kPa)

圖9 斷面1+440方案二壩體附近區(qū)域孔壓分布圖(單位：kPa)

圖10 斷面1+440方案二壩體附近區(qū)域的流速矢量分布圖(單位：m/s)

由圖可以得出，方案一由于面板滲透系數(shù)較小，滲透水頭大部分消耗在面板層內(nèi)部，中壩段斷面1+440每延米滲流量分別為0.44 L/s；方案二由于土工膜的防滲作用，壩體及覆蓋層整體孔壓值小于方案一，由于面板及土工膜滲透系數(shù)較小，滲透水頭大部分消耗在面板層及土工膜內(nèi)部，土工膜下黃土層內(nèi)滲透比降接近0，斷面1+440每延米滲流量分別為7.13 mL/s，為方案一滲流量的1.62%。

根據(jù)不同時(shí)段水位下滲流量加權(quán)求得全年滲流量見表2。可以得出，有方案二復(fù)合土工膜防滲方案條件下大壩全年滲流量為方案一粘土防滲方案條件下的0.85%。

4 結(jié)論

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查和勘探工作，該庫區(qū)地層較復(fù)雜，地層中存在透鏡體及夾層，部分區(qū)域地層分布不均勻，砂礫石壩基滲流系數(shù)較大，且壩高超過50 m。砂礫石地基對(duì)粉土層缺少良好的反濾保護(hù)，容易出現(xiàn)滲透穩(wěn)定性問題。防滲水平鋪蓋在蓄水過程中貼岸邊坡處容易發(fā)生滑坡，導(dǎo)致防滲體系有效性發(fā)生破壞，需要對(duì)邊緣進(jìn)行密封和保護(hù)。經(jīng)過方案一和方案二的二維滲流分析對(duì)比可知，有復(fù)合土工膜條件下大壩穩(wěn)定性較好，同時(shí)可大大降低全庫的滲流量，因此本工程防滲方案建議采用復(fù)合土工膜庫盤防滲的方案。