復合土工膜防滲體系下的希尼爾水庫大壩滲流分析

魏 光 輝（新疆塔里木河流域管理局，新疆庫爾勒 841000）

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復合土工膜防滲體系下的希尼爾水庫大壩滲流分析

魏 光 輝
（新疆塔里木河流域管理局，新疆庫爾勒 841000）

摘 要：滲流監測是水庫大壩安全監測的一項重要內容，其結果對于指導大壩的安全運行具有重要意義。本文以希尼爾水庫主壩復合土工膜壩基防滲段為例，對典型斷面2＋600、3＋125與3＋575進行滲流性態分析，結果表明：主壩2＋600斷面壩基在高庫水位時滲壓水位較低、滲透壓力較小，壩基滲流位勢較小、變化正常，水平向滲透坡降小于允許值；主壩3＋125斷面壩基透水性較強，壩基與壩體復合土工膜防滲體系防滲效果不佳，應加強滲流觀測；主壩3＋575斷面壩基及壩體滲流位勢變化基本正常，壩體砂礫石滲透坡降小于允許值，壩基透水性較強，在高庫水運行期壩基滲壓水位高、滲透壓力較大，研究結果為指導水庫的安全運行提供了重要參考。

關鍵詞：土石壩；安全監測；復合土工膜；滲流分析；希尼爾水庫

1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆庫爾勒市西尼爾鎮境內，地理坐標為86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N。該水庫為《孔雀河流域規劃報告》中確定的骨干調蓄工程，同時也是塔里木河流域近期綜合治理工程中實現從孔雀河向塔里木河下游輸水的重要調蓄工程。水庫是從孔雀河第一分水樞紐引水，經庫塔干渠輸水進入水庫的中型平原水庫［1］，總庫容為9 800 萬m3。水庫工程主要包括大壩、引水閘、引水渠、放水閘、放水渠、壩后排水護坡及附屬設施等。大壩全長7．65 km，最大壩高20 m，壩體防滲采取斜鋪復合膜（兩布一膜）結構，其中膜厚0．75 mm，無紡布規格為200 g／m2；壩基防滲，根據地質情況的不同，分別采取PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土攪拌樁防滲墻三種不同形式。

本文以主壩2＋600、3＋125與3＋575這3處典型斷面為例，對壩基采用復合土工膜明槽防滲下的水庫壩體、壩基滲流情況進行分析，取得了一些有價值的成果。

2 復合土工膜防滲體系設計與滲流反演分析

2．1 壩體、壩基防滲設計

大壩壩體防滲采用斜鋪復合土工膜（兩布一膜，其中PE膜厚度0．75 mm，無紡織布規格為200 g／ m2）。壩基防滲采用垂直防滲與水平防滲相結合的型式，壩基防滲墻與壩體防滲復合土工膜之間設水平鋪蓋段壩基防滲結構，即鋪設與壩體防滲復合土工膜規格及連接方式相同的復合土工膜（兩布一膜結構），與壩體防滲復合土工膜、壩基垂直防滲墻共同組成一道封閉的整體防滲體系。

壩基復合土工膜垂直防滲墻長度4 350 m（樁號0＋000～4＋350），壩基垂直防滲墻開挖深度3．5～14．5 m不等，槽底設計高程以上4 m為垂直開挖，底寬1．5 m，4 m以上按照底寬5．0 m，邊坡1∶0．4的梯形槽開挖。開槽按設計標準完成后，經檢查確認達到弱透水層或相對不透水層時，進行垂直防滲膜鋪設。

2．2 滲流反演計算斷面

計算時，假定壩基防滲墻、壩體防滲復合土工膜在運行過程中均未出現防滲明顯失效部位；結合防滲形式和地勘情況以及滲流觀測資料分析，選取能夠代表大壩復合土工膜防滲體系滲流性態的3＋575斷面（壩基PE復合土工膜明槽防滲墻）作為滲流有限元計算斷面。

2．3 初始反演參數選取

3＋575斷面滲透系數初始值根據工程地質條件及施工檢測資料確定［2］（見表1、圖1）。

2．4 滲流反演分析結果

以3＋575斷面測壓管水位進行反演計算。反演計算庫水位取2011年2月16日～2011年3月4日期間的平均值912．16 m，測壓管水位同取該時段的平均值。滲流計算采用南京水科院二維滲流有限元數值模擬計算程序UNSST2，計算方法和詳細推導參見文獻［3］。將表1中的初始滲透系數和庫水位912．16 m時測壓管實測水位作為參照標準，逐步調整滲透系數的反演計算值，直至計算值與實測值比較接近為止，有限元計算網格計剖分結點1 228個，單元1 936個。經滲流反演計算調整后的滲透系數見表1。有限元法計算值與實測水位值對比結果見表2、滲透有限元計算流網見圖2。

表1 大壩滲流場各區滲透系數初始值

表2 有限元法計算值與實測值對比

由表2可知，反演計算值與壩體、壩基水位實測值基本吻合。

3 大壩典型斷面滲流分析

3．1 主壩2＋600斷面

該斷面埋設有6支測壓管，分別為位于壩軸線上游2．51 m處的UP9、UP10，位于壩軸線下游10．07 m處的UP11、UP12，以及27．75 m、46．77 m處的UP13、UP14；埋設高程分別為900．80 m、905．10 m、901．12 m、905．42 m、899．60 m、898．20 m（儀器布設情況見圖3）。由于該斷面位于主壩第三系臺地，壩后地面高程較高，下游壩腳排水溝底實測高程為904．99 m，運行期間溝內未見滲水或積水，壩基滲流表現為潛流，因此，計算滲流位勢采用壩軸線下游側壩基UP13測壓管水位測值作為下游水位。斷面測壓管水位過程線與滲流位勢過程線見圖4、5。

該斷面壩基采用防滲深度約12．7 m的PE復合土工膜明槽防滲墻，明槽防滲墻底板坐落在厚約3．7 m、透水率約5～10 Lu第三系砂巖層上，砂巖層以下為第三系泥巖。

由圖4與圖5可知：

（1）壩基UP9、UP11、UP13和UP14這4支測壓管水位受庫水位變化的影響較明顯，與庫水位相關性較好。但該四支測壓管水位均較低，位于壩軸線上游2．51 m處UP9以及位于壩軸線下游10．07 m 處UP11兩測點的滲流位勢變化正常，運行過程中未見明顯異常現象。

（2）壩基UP9、UP11、UP13和UP14這4支測壓管水位較接近，隨著壩軸距的增加，管水位削減幅度很小。在庫水位911．00 m及912．26 m時，據UP11、UP13兩支測壓管水位測值計算得到該兩個測點壩基水平向滲透坡降均不超過0．06（見表3）。該斷面清基后的壩基表層為遇水后呈散砂狀的第三系含礫砂巖，臨界坡降Jcr＝1．069；考慮到該斷面所處壩段的重要性，壩基巖土體的允許滲透坡降J允許可以臨界滲透坡降除以3．0的安全系數，計算得0．356。可見，在庫水位911．00 m及912．26 m時，壩基水平滲透坡降均小于允許值，滿足規范要求。

3．2 主壩3＋125斷面

該斷面埋設有5支測壓管，分別為位于壩軸線上游1．61 m處的UP15、UP16，位于壩軸線下游9．72 m處的UP17、UP18，以及25．45 m處的UP19；埋設高程分別為895．25 m、905．25 m、896．34 m、905．54 m、894．80 m（儀器布設情況見圖6）。3＋125斷面測壓管水位過程線與滲流位勢過程分別見圖7、8。

該斷面壩基采用防滲深度約5．8 m的PE復合土工膜明槽防滲墻，明槽防滲墻底板坐落在厚約6．4 m、透水率約5～10Lu第三系砂巖層上，砂巖層以下為厚約2 m的第三系泥巖。

圖4 2＋600斷面測壓管水位過程線（壩基）

圖5 2＋600斷面測壓管水位過程線（壩體）

表3 壩基UP9、UP11、UP13測壓管水位、滲流位勢及水平滲透坡降

由圖7、8可知：

（1）壩基UP15、UP17、UP19這3支測壓管水位受庫水位變化的影響較明顯，與庫水位相關性較好。在高庫水位912．26 m時壩軸線上游側的壩基UP15、UP17兩支測壓管水位高于設置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程，已超過設計要求，反映該斷面壩基土存在滲水現象。壩基、壩體滲流位勢均趨向平穩。目前，在庫水位911．00 m左右及912．26 m時，壩軸線上游側1．61 m處的壩基UP15測點滲流位勢在28%～36．5%之間，位于壩軸線下游側9．72 m、25．45 m處的壩基UP17、UP19兩測點滲流位勢分別在24%～30．5%、21．5%～28%之間（見表4）。可見，壩基透水性較強、滲透壓力較大。

圖6 3＋125斷面儀器布設及庫水位912．26 m壩基滲壓水位線

圖7 3＋125斷面測壓管水位過程線（壩基）

圖8 3＋125斷面測壓管水位過程線（壩體）

表4 壩基UP15、UP17、UP19測壓管水位、滲流位勢及水平滲透坡降

（2）壩基UP15、UP17、UP19這3支測壓管水位較接近，隨著壩軸距的增加，該三支測壓管水位削減幅度較小。在庫水位911．00 m及912．26 m時，據UP17、UP19兩支測壓管水位測值計算得到的該兩個測點壩基水平滲透坡降（見表4）均不超過0．06；據UP19測壓管水位測值及排水溝內水位計算得到的排水溝處壩基水平滲透坡降在0．090～0．110之間。該斷面清基后的壩基表層主要為遇水后呈散砂狀的第三系含礫砂巖，在砂巖上部夾有較密實、密實但遇水后呈變軟的第三系堅硬泥巖，因此，可以第三系含礫砂巖為主進行臨界滲透坡降分析。經計算，壩基臨界滲透坡降Jcr為1．069，取允許滲透坡降J允許為0．356。在庫水位911．00 m及912．26 m時，壩基水平滲透坡降均小于允許值，滿足規范要求［4］。

3．3 主壩3＋575斷面

該斷面埋設有5支測壓管，分別為位于壩軸線上游1．90 m處的UP20、UP21，位于壩軸線下游18．90 m處的UP22、UP23，以及44．08 m處的UP24；埋設高程分別為894．71 m、898．23 m、894．30 m、898．31 m、894．51 m（儀器布設情況見圖9）。3＋575斷面測壓管水位過程線見圖10、11。

該斷面壩基采用防滲深度約7．8 m的PE復合土工膜明槽防滲墻，明槽防滲墻底板坐落在厚約2．0 m、弱微透水性第三系泥巖層上，泥巖層以下為厚約6 m、透水率約5～10Lu第三系砂巖。

圖9 3＋575斷面儀器布設及庫水位912．26 m時壩基滲壓水位線及壩體水位線

圖10 3＋575斷面測壓管水位過程線（壩基）

由圖10、11可知：

（1）壩基UP20、UP22、UP24三支測壓管及壩體UP21、UP23兩支測壓管水位均受庫水位變化的影響較明顯，與庫水位的相關性均較好。在高庫水位912．26 m時，壩基、壩體測壓管水位均較高（見表5、6），分別高出設置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程約1．3 m、1．6 m，超過設計要求。

在庫水位911．00 m左右及912．26 m時，壩軸線上游側1．90 m處的壩基UP20測點滲流位勢在17．64%～23．30%之間，位于壩軸線下游側18．90 m、44．08 m處的壩基UP22、UP24兩測點滲流位勢分別在18．03%～21．22%、11．30%～12．97%之間；位于壩軸線上游1．90 m、下游18．90 m處的壩體UP21、UP23兩測點滲流位勢分別在19．86%～23．23%、15．77%～23．63%之間。可見，該斷面壩基透水性較強、滲透壓力較大，壩體內水位也較高。

（2）壩基UP20、UP22、UP24這3支測壓管水位隨著壩軸距的增加，削減幅度較小，其中UP22與UP20水位基本持平。在庫水位911．00 m及912．26 m時，據UP22、UP24兩支測壓管水位測值（見表5）計算得到的該兩個測點壩基水平向滲透坡降均小于0．10；據UP24測壓管水位測值及排水溝內水位計算得到的排水溝處壩基水平向滲透坡降在0．16～0．20之間。該斷面清基后的壩基表層為遇水后呈散砂狀的第三系含礫砂巖，根據前述分析，臨界坡降Jcr為1．069；考慮到主壩該斷面壩段的重要性，壩基巖土體的允許滲透坡降J允許以臨界滲透坡降除以3．0的安全系數為標準，計算得0．356。可見，在庫水位911．00 m及912．26 m時，壩基水平滲透坡降小于允許值。

圖11 3＋575斷面測壓管水位過程線（壩體）

表5 壩基UP20、UP22、UP24測壓管水位、滲流位勢及滲透坡降

表6 壩體UP21、UP23測壓管水位、滲流位勢及滲透坡降

（3）壩體UP21、UP23這2支測壓管水位較接近，隨著壩軸距的增加，削減幅度較小。在庫水位911．00 m及912．26 m時，據UP21、UP23兩支測壓管水位測值（見表6）計算得到的UP23測點壩體水平滲透坡降均小于0．035。

經計算，壩體Ⅱ區砂礫料的臨界滲透坡降Jcr為0．499，Ⅰ區砂礫料臨界滲透坡降Jcr為0．501；Ⅰ區砂礫料的允許滲透坡降為0．167，Ⅱ區砂礫料允許滲透坡降為0．166，UP23測點壩體水平滲透坡降小于允許值，滿足規范要求。

4 結 論

本文以希尼爾水庫大壩2＋600、3＋125與3＋575這3處斷面為例，對壩體、壩基采用復合土工膜防滲下的大壩滲流情況進行分析，得到如下研究結果：

（1）主壩2＋600斷面壩基在高庫水位時滲壓水位較低、滲透壓力較小，反映了由壩前PE復合土工膜明槽防滲墻及壩體PE復合土工膜組成的防滲體系防滲能力較好；壩基滲流位勢較小、變化正常，且在高庫水位時壩基水平滲透坡降小于允許值，滿足規范要求。

（2）主壩3＋125斷面壩基透水性較強，在高庫水運行期壩基滲壓水位較高、滲透壓力較大，反映壩基PE復合土工膜明槽防滲墻及壩體復合土工膜組成的防滲體系防滲效果不佳；在高庫水位時，壩基水平滲透坡降小于允許值，但仍應加強滲流觀測，確保大壩安全。

（3）主壩3＋575斷面壩基及壩體滲流位勢變化基本正常，壩體滲透坡降小于允許值；壩基在高庫水運行期滲壓水位高、滲透壓力較大，壩體水位及下游壩后回填清基料出逸點高程較高，不利于下游壩坡、壩后回填清基料及排水溝開挖回填料的滲透穩定，存在滲流安全隱患，表明壩基復合土工膜明槽防滲墻及壩體復合土工膜組成的防滲體系防滲效果不佳。建議加強滲流觀測，并進行必要的防滲處理，以減小壩基滲透壓力，確保大壩安全。

參考文獻：

［1］ SL252－2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》［S］．北京：中國水利水電出版社，2000．

［2］ 嚴敏，王金龍，田甜．新疆希尼爾水庫大壩滲流安全評價［J］．長江科學院院報，2009：89－92．

［3］ 毛昶熙，段祥寶．滲流數值計算及程序應用［M］．河海大學出版社，1999．

［4］ SL274－2001《碾壓式土石壩設計規范》［S］．北京：中國水利水電出版社，2002．

作者簡介：魏光輝（1981－），男，新疆石河子人，高級工程師，從事干旱區水資源利用研究工作。

收稿日期：2014-10-13

中圖分類號：TV223．4

文獻標志碼：B

文章編號：1003－9805（2016）01－0020－08