平原水庫滲漏分析及防滲處理方案探究

張 愷

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710003）

城市平原水庫多建設在河道沖積平原,表層為黏土或壤土,下部多為夾砂層。蓄水后容易形成滲漏通道,對工程安全運行造成很大影響,甚至嚴重影響周邊居民生命財產安全。因此平原水庫工程防滲至關重要,根據工程實際情況和優缺點進行合理布置防滲方案,不僅能節約工程投資和方便運行管理,同時方便施工提高工作效率。

1 工程實例概述

陜西省斗門水庫工程位于西安市西郊灃河右岸原昆明池遺址,距西安市中心約20 km,斗門水庫工程是引漢濟渭輸配水工程的調蓄水庫,是以供水、改善生態環境為主,兼顧防洪等綜合利用的平原水庫。工程為Ⅲ等中型水利工程,庫區岸線擬利用昆明池遺址考古岸線,水庫總庫容5052 萬m3,庫區總面積10.4 km2,庫周總長14.9 km,按南北池布置,南、北池之間設雙向擋水壩。

2 工程區地質條件

根據地質勘察成果,工程區所處地貌單元主要有渭河一級階地及二級階地；勘探揭示地表20 m～30 m 范圍內砂層按照高程分布主要分為4 層,即395 m、390 m、385 m、380 m高程砂層。

根據砂層的分布高程、分布范圍、累積厚度等,將庫壩區分為六個區（分區見圖1）。

圖1 地質分區平面圖

Ⅰ-1 區、Ⅰ-2 區：主要分布390 m 高程砂層和385 m高程砂層。本區兩層砂層連通,中間粘性土層以壤土層為主。Ⅱ-1 區：主要分布390 m 高程砂層,西北側穿過試驗段延伸至庫外。Ⅱ-2 區：主要分布390 m 高程砂層,連通性好,東北側延伸至庫外。Ⅲ區:主要分布385 m 高程砂層,連通性較好。Ⅳ區:主要分布385 m 高程砂層,為整層砂,連通性好,西南側延伸至庫外。Ⅴ區：主要分布385 m 高程砂層,連通性好,東南側延伸至庫外。Ⅵ區：本區無砂層分布,砂層不連續。

結合本次及前期鉆孔揭示情況,在砂層分布最多及累積厚度最大的Ⅰ-1 區及Ⅰ-2 區,兩層砂局部具連通性；在Ⅰ-1區及Ⅰ-2 區兩區庫區砂層在平面上分布不連續,呈透鏡狀、窩狀；在豎向上砂層層位不穩定,分布規律性差,局部上下層貫通； Ⅰ、Ⅱ區砂層分布相對集中,地勘不建議采取垂直防滲措施。

3 已成試驗段滲漏成果分析

3.1 試驗段監測情況

2017 年 10 月 1 日,斗門水庫一期工程（試驗段）修建基本完成并對外開放。斗門水庫試驗段工程屬北池庫區的一部分,試驗段庫區面積0.53 km2,水面面積 0.47 km2。

根據2020 年7 月8 日～8 月20 日庫水位資料,滲漏分析采用特殊時間段法,選取兩個時段水庫注水量為 0 的 2020 年7 月 11 日～7 月 14 日,7 月 20 日～7 月 21 日進行分析,規律如下：①12 日9 點至17 點,8 個小時庫水位由3.49 m 降至3.48 m, 降 低1 cm；②12 日17 點 至13 日9 點,16 個小時庫水位由3.48 m 降至3.47 m,降低1 cm；③20 日17 點至21 日9 點,16 個小時庫水位由3.49 m 降至3.48 m,降低1 cm；7 月11 日中雨,庫水位為3.49 m,7 月12 日、13 日晴天,為了簡化分析,雨后兩天不考慮綠化用水。從②③可以看出,晚上每8 個小時庫水位降低0.5 cm,鑒于夜晚溫度不高,蒸發量按0 考慮；試驗段2017 年9 月蓄水,截止目前正常運行近3 年,滲漏已經趨于穩定,據此判斷上午9 點至17 點,8 個小時滲漏量引起庫水位下降應該是0.5 cm,蒸發引起的庫水位下降應該也是0.5 cm。

綜上分析, 試驗段庫水位平均每天下降約2 cm, 扣除0.5 cm 蒸發損失,斗門水庫試驗段由滲漏引起的庫水位平均每天下降約1.5 cm。試驗段水面面積約465577 m2,計算每日滲漏量約6984 m3,年滲漏量約255 萬m3。

3.2 試驗段滲漏量計算

3.2.1采用參數

計算所采用的筑壩土料和壩基巖土相關參數由《地質勘察報告》提供,根據室內試驗成果,結合鄰近類似工程相關資料,確定圍壩滲流計算參數。

根據地勘提供的庫區縱橫剖面,庫區15 m 深度范圍內防滲土層有壤土、淤泥質土、黃土及粉質黏土,其中壤土占比約超過50%,不同巖性防滲土層中垂直滲透系數最小為1.5×10-5cm/s,最大為5.1×10-5cm/s,最大值與最小值之比為3.4,小于5。本次試驗段計算原狀土層垂直滲透系數采用5.1×10-5cm/s,砂層滲透系數采用3.2×10-2cm/s。

3.2.2計算結果

采用滲流場數值分析有限單元法,滲流分析采用南京水利科學研究院開發的《土石壩二向穩定及非穩定滲流計算程序》（DQB）進行計算。

試驗段正常蓄水位400.49 m,下游與現狀地下水位銜接。根據地勘提供的參數,計算試驗段每日滲漏量為6055 m3,年滲漏量為221 萬m3；根據觀測資料計算每日滲漏量約6984 m3,年滲漏量約255 萬m3。兩種方法日滲漏量相差約929 m3,年滲漏量相差約34 萬m3；經試算,采用“土石壩二向穩定及非穩定滲流計算程序（DQB）”計算的年滲漏量達到監測值255 萬m3時,對應原狀土綜合滲透系數為1.0×10-4cm/s。

3.3 滲漏量分析

通過試驗段監測資料及滲漏計算,監測數據計算的滲漏量與理論計算值基本相當,說明復核計算中防滲土層及砂層的滲透系數等指標參數采用地勘推薦值是合理的。但以觀測資料計算的年滲漏量最大,為255 萬m3,偏于安全考慮,北池滲漏計算原狀土滲透系數采用試驗段最大滲漏量反算的綜合滲透系數1.0×10-4cm/s,砂層滲透系數采用本次試驗值3.2×10-2cm/s。

4 天然防滲與防滲處理后滲漏量復核對比

4.1 天然狀況下滲漏量復核

4.1.1計算工況

北池正常蓄水位400.49 m、設計洪水位400.79 m、校核洪水位400.90 m、死水位397.20 m,根據本工程水位自身特點,設計洪水位和校核洪水位與正常蓄水變化不大,且洪水歷時較短,不會在堤壩內形成穩定滲流,故本次只對正常蓄水位工況下滲漏量進行了復核計算。

本次地勘在試驗段地下水位變化調查的基礎上,對蓄水后南北池庫區地下水變化進行了分析預測,滲漏量計算中壩后水位采用正常蓄水位運行工況下預測水位。

4.1.2采用參數

筑壩土料滲透系數計算采用5×10-6cm/s；壩基及庫區土層滲透系數采用試驗段觀測滲漏量反演的綜合滲透系數1.0×10-4cm/s,中砂層滲透系數采用3.2×10-2cm/s。

4.1.3 計算方法及典型斷面

采用滲流場數值分析有限單元法,滲流分析采用南京水利科學研究院開發的《土石壩二向穩定及非穩定滲流計算程序》（DQB）進行計算。

斷面選取根據壩址地形、壩基地質條件,共選取八個具有代表性的計算斷面,分別為北池0+680.00、北池2+968.00、北池4+468.00、北池5+000.00、北池6+360.00、北池7+040.00、北池8+500.00、北池9+100.00。

計算結果可知,北池年滲漏量為664 萬 m3,年滲漏量占北池庫容2045 萬m3的32.5%。

4.2 庫底采用防滲措施處理情況下滲漏量復核

4.2.1防滲設計方案

北池圍壩壩坡前設置水平鋪蓋,長30 m,厚度1.0 m；結合地質資料北池Ⅰ區域庫底及迎水岸坡防滲層采用1.5 m 厚的翻夯土；Ⅱ區庫底采用1.0 m 厚的翻夯土,迎水岸坡防滲層采用1.5 m 厚的翻夯土；Ⅲ區域庫底及迎水岸坡防滲層采用1.0 m 厚的翻夯土；Ⅳ、Ⅵ區迎水岸坡防滲層采用1.0 m厚的翻夯土,其他區域采用0.6 m 厚的翻夯土；原設計壩前水平鋪蓋長度30 m 維持不變,水平鋪蓋厚度1.0 m,此厚度小于以上區域翻夯厚度時,取翻夯厚度。施工中要求先下挖至各分區翻夯底高程,開挖底面經壓實后采用原土翻夯至庫底設計高程。翻夯碾壓后土的滲透系數不大于5×10-6cm/s。翻夯范圍內砂層出露部位或土料質量技術指標不符合要求時,可根據厚度及范圍采用全部挖除后壤土換填或鋪設土工膜。

北池庫底面積531.88 萬m2,1.5 m 翻夯區域面積為50.72 萬m2,占庫底面積9.54%；1.0 m 翻夯區域面積為69.69 萬m2,占庫底面積13.1%；0.6 m 翻夯區域面積為360.5 萬m2,占庫底面積67.78%。

4.2.2滲漏計算結果

計算壩體、迎水岸坡、庫底翻夯區滲透系數采用5×10-6cm/s。壩基及庫區原狀土層滲透系數采用試驗段觀測滲漏量反演的綜合滲透系數1.0×10-4cm/s,中砂層滲透系數采用3.2×10-2cm/s。

在考慮防滲措施情況下,北池圍壩的滲流計算結果見表1。

根據表1 計算結果可知,考慮防滲措施后北池年滲漏量為314 萬m3,年滲漏量占北池庫容2045 萬m3的15%。

表1 北池圍壩滲流計算成果表

續表1

4.3 防滲處理影響分析

根據本次及前期地質勘察成果,工程區庫底地層主要為壤土層及粉質粘土層,中間夾多層砂層；砂層是影響庫區滲漏的主要地層；雖按勘探揭示砂層的空間分布將工程區劃分為6 個區,但庫區砂層在平面上分布不連續,呈透鏡狀、窩狀；在豎向上砂層層位不穩定,分布規律性差,局部上下層貫通；Ⅰ、Ⅱ區砂層分布相對集中。因此不采取垂直防滲措施。

本次設計根據地勘成果,庫區范圍內土層滲透系數為1.9×10-5cm/s～5.1×10-5cm/s,各層土滲透系數基本相當,垂直截滲不能形成封閉體,采用截滲防滲意義不大,因此,本階段從防滲材料的耐久性、施工工藝利求簡單、投資節約等因素考慮采用換填土料進行水平防滲。針對不同分區采用水平防滲處理措施。

5 結語

目前水利工程與城市水資源利用結合越來越緊密,工程防滲直接影響城市發展。 要求防滲方案更加合理有效將水利和生態系統相結合,充分利用雨洪資源。對營造城市濱水景觀、提升城市品位,同時對提高城市供水保證率具有十分重要的作用。