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

毛海濤，王正成※，王曉菊,2，黃慶豪，劉 陽

（1. 重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404100；2. 河海大學環境學院，南京 210098；3. 新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052）

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

毛海濤1，王正成1※，王曉菊1,2，黃慶豪3，劉 陽3

（1. 重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404100；2. 河海大學環境學院，南京 210098；3. 新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052）

干旱區平原水庫滲漏對下游農田土壤的水鹽動態變化影響較大，易造成土壤的次生鹽漬化和沼澤化。水庫常采用“上防下排”措施來降低壩后農田地下水埋深，但排水溝參數如何選擇，與壩基防滲體如何聯合使用，治理效果如何等都值得深入研究。該文基于非飽和土體滲流理論，以恰拉水庫周邊農田為研究對象，針對“上防下排”措施進行數值模擬，分析恰拉水庫采用水平鋪蓋、懸掛式防滲墻或無防滲措施時，壩后農田地下水埋深與壩后排水溝位置及深度的關系，并針對下游壩坡穩定及壩后積水進行分析，并通過田間試驗進行驗證。研究表明：在不同的滲流控制方案下，農田地下水埋深均以排水溝中軸線為對稱軸呈現“漏斗形”降落趨勢，排水溝前地下水埋深逐漸增大，排水溝后的地下水位有一小幅度的減小，因此，“上防下排措施”從“源頭”處減小滲水進入壩后農田，增大農田地下水埋深。3種方案對比顯示，不同“上防下排”滲流控制方案在遏制水庫滲漏和減小壩后農田地下水的效果不同。懸掛式防滲墻和無防滲體工況不能有效減小水庫的滲漏量，聯合排水溝使用效果較差。22倍水頭的水平鋪蓋在滲流控制方面優于懸掛式防滲墻和無防滲體時的工況，聯合壩后排水溝及時排水后，可有效的將地下水埋深控制在2.72 m左右，大于當地的地下水臨界水位2.45，有效遏制壩后土壤的鹽漬化趨勢。排水溝設置的位置和深度對大壩穩定存在一定影響，計算實際工況（22倍水平鋪蓋）時下游壩坡抗滑安全系數為1.358，大于下游壩坡最小抗滑安全系數1.242，下游壩坡處于安全狀態。排水溝設置后，壩趾至溝間的積水長度是產生壩后沼澤化的主要原因。計算和實測實際情況下的積水長度為0.27 m，沼澤化面積較小。此外，計算還發現避免農田沼澤化對應的排水溝最小深度為5.18 m，實際工程中排水溝深度為6 m，可見當前的防滲形式以及排水溝至壩趾的距離及深度是合理的。庫水位變動、排水溝排水的及時性對壩后地下水埋深也有較大的影響，排水溝作為輔助措施應與農田排水溝（渠）、水庫防滲體以及農田灌溉制度配合使用，才能更加有效的發揮作用。

地下水；土壤；模型；土地鹽漬化；水平鋪蓋；排水溝

0 引 言

為滿足干旱、半干旱區耕地農業灌溉，需在耕地周邊修建大量的平原注入式水庫[1-2]。以新疆為例，修建平原水庫多達600余座[3]。由于平原水庫壩長、蓄水面積寬廣，防滲工程難度大，滲漏問題較為嚴重[4]。滲漏導致水庫周邊農田地下水位抬升，加之干旱、半干旱地區的氣候條件，土壤水分和潛水蒸發強烈，導致嚴重的土壤次生鹽漬化[5-6]，中國第二次土壤普查數據顯示，鹽漬化土壤面積為3.6′107hm2，耕地中鹽漬化面積達到9.209′106hm2，占總耕地面積的20.73%[7-8]，嚴重影響現代農業的可持續發展[9]。為了減小次生鹽漬化的危害，干旱區平原水庫依據“上防下排”的理念來控制地下水埋深。“上防”主要是指水庫及壩基采用水平鋪蓋、垂直防滲墻等[10]進行防滲，“下排”是指壩后設置排水溝（井）截滲，二者聯合使用來控制壩后地下水位。

干旱區平原水庫下游排水溝分為農田排水溝和壩后排水溝。1）農田排水溝通常是指天然形成的裸露在地表或者是在農田內挖掘的水道[11-12]，其作用在于及時排走田間多余的水，從而降低地下水位。2）壩后排水溝是在壩后人工修建的水道，旨在截斷水庫滲水，從“源頭”處減少滲漏水進入壩后農田。

近年來，國內外學者針對農田排水溝調節地下水開展大量的研究。如Armsirong等[13]提出農田排水溝能及時將田間過多的水分排出農田，起到排澇降漬的作用；潘延鑫等[14]針對鹵泊灘鹽堿地進行研究，提出干旱蒸發和上游灌區的退水會影響農田排水溝降低地下水位的效果；農田排水溝能有效控制地下水埋深，并排出淋洗土壤鹽堿的水分，達到維持灌區水鹽平衡、穩定糧食生產的目的[15]；彭世彰等[16]針對新疆鞏留縣團結灌區進行研究，得出農田排水溝能有效控制農田地下水埋深；趙曉宇等[17]針對華北平原農田排水溝進行研究，得出平填末級排水溝會導致農田排水體系貫通性下降，但由于該地區降水總量減少、地下水位下降，對農田洪澇災害的發生影響不大；李山等[18]提出當排水溝中的水分反滲補給農田地下水，田間地下水中的鹽分雖然有所增加，但作物根區沒有出現嚴重的鹽分累積，對田間地下水鹽分濃度影響不大；潘延鑫等[19]研究表明相鄰排水溝水位與農田地下水位變化基本一致，排水溝水位變化可以直接或間接地影響周圍農田的地下水位和鹽分含量；但關于壩后排水溝控制農田地下水埋深方面的研究成果鮮見，而壩后排水溝能從“源頭”上減小進入農田的水量，對壩后農田的地下水升降更有指導意義，需深入研究。

本文以新疆內陸干旱區典型平原水庫—恰拉水庫壩后排水溝及壩后農田為研究對象，基于非飽和土體滲流理論進行數值建模計算，研究壩后排水溝（下文簡稱排水溝）在不同位置及深度的情況下對地下水埋深的影響，借助極限平衡理論分析下游壩坡穩定狀況，并針對壩后積水進行分析。以期為干旱區平原水庫防滲體及壩后排水溝的設置提供理論支撐，防止水庫周邊農田發生鹽堿化及沼澤化。

1 理論基礎

1.1 非飽和土體滲流理論

非飽和土體的體積含水率θw及滲透系數k均為基質吸力um的函數[20]，基質吸力由孔隙水壓力及孔隙氣壓力共同決定。非飽和土體積含水率與基質吸力的關系曲線即為土水特征曲線，滲透系數與基質吸力的關系即為非飽和土滲流方程。本文采用Van Genuchten等[21-22]非飽和土水特征曲線方程和滲流方程。

非飽和土壤水分特征曲線方程為

式中um為基質吸力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；θw為體積含水率；θs為土體飽和體積含水率；θr為土體殘余體積含水率；αw為與進氣值倒數相關的參數；nw為超過進氣值后土水特征曲線斜率相關的模型參數，反應體積含水率變化速率；mw為與非飽和土殘余狀態相關的模型參數，其與nw的關系式為

Mualem Y[22]提出的非飽和土滲流方程為

式中k為土體滲透系數；ks為飽和滲透系數，與土體孔隙率的關系為

式中ks0為土體初始飽和滲透系數；n為土體孔隙率；n0為土體初始孔隙率。

1.2 壩坡抗滑穩定安全系數計算方法

在非飽和土滲流分析的基礎上，進一步研究壩坡的穩定性，將計算得到的抗滑穩定安全系數k'與最小抗滑穩定安全系數kmin進行比較，分析壩坡的穩定狀態[23]。壩坡抗滑穩定安全系數為

式中k′為壩坡抗滑穩定安全系數；li為土體滑弧穿過第i單元的長度， m；φi為第i單元土體的內摩擦角；ci為第i單元土體的凝聚力，kPa；τi、σni為第i單元圓弧滑面上的切向應力和法相應力，kPa，其表達式分別為

式中x為經驗系數，它與飽和度、應力路徑及土體類型有關；σix為水平應力，kPa；σiy為豎向應力，kPa；τixy為單元剪應力，kPa；α為滑動面切線與水平向的夾角，(°)。

2 數值模擬

2.1 工程概況

恰拉水庫位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內，地理位置在東經86°36′～86°57′，北緯40°59′～40°04′范圍內，屬于典型的內陸干旱區平原水庫。水庫庫容為1.61億m3，根據水利水電樞紐工程的分等指標，當總庫容在1～10億m3時，工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型。庫區氣候屬極端干旱的大陸性氣候，多年平均降水量21.5 mm，多年平均蒸發量為2 680 mm，多年平均氣溫10.6 ℃，年極端最高氣溫達42.2 ℃[24]。水庫建設前，周邊農田地下水埋深接近3 m，鹽堿化問題鮮見。建壩蓄水后，地下水位抬升，導致水庫周邊農田土壤鹽堿化。

地下水位臨界深度[25]計算表達式為

式中Z為作物根系層厚度，m；G為毛管水強烈上升高度，m；A為安全超高，m。

恰拉水庫周圍的主要作物為小麥、玉米和棉花，作物根系層厚度取0.3 m；土壤毛管水強烈上升高度為1.65 m[26]。根據新疆灌區的經驗，安全超高通常取0.5 m[27]。由此可得，恰拉水庫周邊農田發生土壤鹽漬化地下水位臨界深度Hk=0.3+1.55 +0.6 =2.45 m。

恰拉水庫、壩后排水溝和農田研究區域的分布，如圖1所示。

圖1 研究區域總體布置圖Fig.1 Study area general layout

2.2 模型建立

恰拉水庫典型斷面如圖2a所示，建基面高程為869 m，壩頂高程為877.3 m，最大壩高8.3 m，水庫設計水位為875 m。黏土均質壩頂寬6 m，上下游壩坡均為1：2.5，壩基深100 m，以細砂為主。排水溝深度為6 m，底寬0.5 m，距離壩趾100 m。水庫壩基采用土工膜水平鋪蓋防滲體，水平鋪蓋長度為壩前水頭6 m的22倍，即132 m（下文簡稱水平鋪蓋）。

圖2 模型斷面圖Fig.2 Model section map

本文為了研究不同“上防下排”方案對壩后農田地下水埋深的影響，在防滲體方面又假定了懸掛式防滲墻圖2b和無防滲措施圖2c的2種工況；混凝土防滲墻厚度為0.4 m，伸入壩基20 m，距壩踵23.6 m。在壩后排水溝方面，又假定增設了距壩趾S為20、60和140 m共3種工況。此外，為了能更好反映不同距離的地下水埋深，模型中在壩后0～500 m每隔50 m設置一個基點，編號為P0、P50……P500，共計11個。

2.3 計算參數

采用張力計法（張力計、陶土管）和垂直入滲剖面法[28-30]，測得壩體及壩基土樣體積含水率θw和滲透系數k隨基質吸力um的變化曲線，如圖3－4所示。

圖3 土體體積含水率及滲透系數隨基質吸力的變化Fig.3 Variation of volumetric water content and permeability coefficient with matric suction

借助SYS數顯液塑限測定儀測定土樣的液塑限；三軸試驗測定土體的凝聚力c、內摩擦角φ；將土樣、懸掛式防滲墻和水平鋪蓋的基本物理性質列入表1。防滲墻的滲透系數為7.83′10-9m/s。

將體積含水率隨基質吸力的變化曲線、土水特征曲線、基本物理指標輸入到有限元軟件Seep/w中，進行非飽和土滲流計算，得出基點的地下水埋深h1。滲流計算結果作為初始條件，采用滲流與極限平衡耦合的方法，對下游壩坡進行抗滑穩定分析[31]。

表1 試驗土的基本物理指標Table 1 Basic physical property of test soil

3 數值模擬結果與分析

分別計算出水庫無防滲措施、采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時壩后農田地下水埋深。不同方案下排水溝對農田地下水埋深都有較為明顯的影響，以無防滲措施時，排水溝距離壩趾140 m和排水溝深度為6 m為例，作農田地下水位線如圖4所示。

圖4 農田地下水埋深Fig.4 Farmland groundwater level

在上述3種防滲方案下，計算得到各基點地下水埋深h1的變化曲線，如圖5所示。

由圖4，圖5可得，采用不同“上防下排”滲流控制方案時，地下水位的變化規律都是隨著基點至壩趾距離的增大呈先增大后減小的趨勢，最后趨于穩定。以圖5a中h2=6m為例，當壩基無防滲措施時，P0～P500的地下水埋深分別為：2.16、3.01、2.23、2.1、2.08、2.08、2.06、…、2.06m。由此可得，當排水溝深度及位置一定時，地下水位以排水溝中軸線為對稱軸呈現“漏斗形”降落趨勢，排水溝前的農田地下水埋深逐漸增大，排水溝后水位小幅度降低，最終趨于穩定。對比溝前、溝后的地下水埋深可知，后者地下水埋深明顯大于前者，可見地下水流經排水溝會產生較大的水頭損失，其埋深將增大。

3.1 排水溝位置對地下水埋深的影響

由圖5可得，當排水溝深度一定，排水溝至壩趾的距離S變化會影響壩后農田地下水埋深，因此有必要針對排水溝至壩趾的距離S對地下水埋深h1的影響進行探討。

圖5 地下水埋深的變化曲線Fig.5 Variation curves of groundwater level

作各方案下壩后農田內地下水埋隨著距離不發生變化時的水深，即為穩定后的地下水埋深h1，其隨排水溝至壩趾距離S變化如圖6所示。

由圖6a可得，不同排水溝深度下，穩定后的地下水埋深隨排水溝至壩趾的距離的變化規律基本一致。以排水溝深度6 m為例，排水溝至壩趾的距離S分別為：20、60、100、140 m，穩定后的地下水埋深h1分別為：0.48、1.61、2.4、2.89 m，S由20 m增至140 m時，穩定后的地下水埋深h1增大2.41 m。同理可得，當h2=1、2、3、4、5 m時，S由20 m增至140 m時，h1分別增大0.03、0.52、1.03、1.63、2.24 m。可見，不同排水溝深度h2下，排水溝至壩趾的距離S越大，穩定后的地下水埋深h1越大。

采用懸掛式防滲墻防滲時如圖6b，地下水埋深h1隨S的變化規律與圖6a一致；但其地下水埋深h1相比無防滲時有較小幅度的增大，以S=140 m、h2=5 m為例，采用懸掛式防滲墻時地下水埋深僅增大0.03 m。可見，懸掛式防滲墻在減少滲流量方面的效果較差，與排水溝聯合使用控制農田地下水埋深的效果并不明顯。而圖6c顯示采用水平鋪蓋時，其地下水埋深h1相比無防滲措施時存在明顯的增大趨勢，仍以S=140 m、h2=5 m為例，采用水平鋪蓋時地下水埋深增大0.4 m，能有效減小滲流量。

圖6 穩定后的地下水埋深隨排水溝至壩趾距離的變化Fig.6 Variation of groundwater level with distance between drain and toe

從上述分析中不難發現，采用不同“上防下排”措施時，穩定后的地下水埋深h1隨排水溝至壩趾的距離S的增加而增大。對比3種防滲方案可得，水平鋪蓋在控制滲流量方面的效果優于懸掛式防滲墻。

3.2 排水溝深度對地下水埋深的影響

排水溝的深度變化會影響壩后農田地下水埋深，作壩后農田穩定后的地下水埋深h1隨排水溝深度h2變化曲線如圖7所示。

圖7 穩定后的地下水埋深隨排水溝深度的變化曲線Fig.7 Variation curves of groundwater level after stabilization with drain depth

由圖7a可得，無防滲措施時，穩定后的壩后農田地下水埋深h1會隨著排水溝深度h2而改變。以S=20 m為例，排水溝深度h2由1增至10 m時，地下水埋深h1增大3.07 m；同理，當S=60、100、140 m時，隨著排水溝深度h2增大， h1分別增大2.78、3.05、2.89 m。采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時如圖7b、7c，地下水埋深h1的變化規律同圖7a一致。但也存在一些差異，以S=100 m、 h2=6 m為例，無防滲措施、采用懸掛式防滲墻、水平鋪蓋時穩定后的地下水埋深分別為2.4、2.43、2.98 m。水平鋪蓋相比無防滲墻措施和懸掛式防滲墻，地下水埋深增大較為明顯。

綜上可得，水庫采用不同“上防下排”措施時，壩后農田地下水埋深h1隨著排水溝深度h2的增加而增大。同樣，水平鋪蓋在控制滲流量方面的效果優于懸掛式防滲墻和無防滲措施。

4 排水溝最小深度的確定

恰拉水庫周邊農田土壤發生鹽漬化的地下水臨界水深Hk=2.45 m，排水溝要將農田地下水位控制在2.45 m時所需要的深度，定義為排水溝最小深度h2min。

圖5中不同工況下線性規律明顯，線條間距隨排水溝深度變化均勻，因此可采用線性插值法得出排水溝在不同位置時對應的最小深度h2min，如圖8所示。

圖8 排水溝最小深度隨排水溝至壩趾的距離的變化曲線Fig.8 Variation curves of minimum drain depth with distance between drain and toe

4.1 同種防滲方案下排水溝最小深度

無防滲措施時如圖8中曲線Ⅰ所示；排水溝至壩趾的距離S由20 m增加到140 m時，排水溝最小深度h2min減小3.71 m。可見排水溝最小深度h2min隨著至壩趾的距離S的增加逐漸減小。采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時，如圖8中Ⅱ、Ⅲ所示，h2min隨S的變化規律同曲線Ⅰ一致；S由20 m增加至140 m時，h2min分別減小3.28、1.2 m。

綜上所述，水庫采用不同“上防下排”措施時，排水溝至壩趾的距離S增加，其最小深度h2min逐漸減小。即壩后農田地下水位達到臨界深度時，距離壩趾較遠的排水溝需要的深度較小。

4.2 不同種防滲方案下排水溝最小深度

當排水溝至壩趾的距離S=140 m，水庫無防滲措施、采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時，排水溝最小深度h2min分別為：5.32、5.31、4.71m。由此可得，排水溝位置一定時，無防滲措施時h2min最大，懸掛式防滲墻時次之，水平鋪蓋時最小。由此可得，采用水平鋪蓋與排水溝結合使用，能有效減少滲水進入壩后農田，其效果優于另外2種。實際工程中，當水庫采用水平鋪蓋控滲，S=100 m時，排水溝最小深度h2min=5.18。

水庫無防滲措施、垂直防滲墻和水平鋪蓋方案時，排水溝至壩趾距離S由20 m增大至140 m時，渠道最小深度分別減小3.71、3.28、1.2 m；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線近似于線性變化，其斜率分別為0.031、0.027、0.01。由此可得，在3種工況中排水溝至壩趾的距離S對無防滲措施時的h2min影響最大。

5 積水長度及下游壩坡穩定

5.1 壩趾與排水溝間積水分析

當農田地下水埋深h1≥0 m時，地表積水、土地沼澤化，導致水庫周邊土地的利用率降低。根據農田地下水位線得出壩趾與排水溝間的積水長度L（下文簡稱積水長度），隨排水溝深度h2的變化曲線，如圖9所示。

圖9 積水長度隨排水溝深度的變化曲線Fig.9 Variation curves of seeper length with drain depth

無防滲措施時，如圖9a所示。當S=20、60、100、140 m時，排水溝深度h1由1增至10 m時，積水長度分別縮短8.39、40.49、59.67、73.45 m。由此可得，當排水溝至壩趾的距離一定時，積水長度L隨著排水溝深度h2增加而縮短。當h2=1～6 m時，S由20增大至140 m時，積水長度分別伸長96.33、72.25、56.02、45.43、40.02、31.27 m。當排水溝深度一定時，排水溝至壩趾的距離S越大，積水越長。3種方案積水長度L隨S和h2的變化規律一致。

可見，水庫采用不同“上防下排”措施，排水溝至壩趾的距離S一定時，積水長度L隨著排水溝深度h2增大而縮短；當排水溝深度h2一定時，積水長度L隨著排水溝至壩趾間距離S的增加而伸長。

5.2 下游壩坡抗滑穩定分析

壩后開挖排水溝后，下游壩坡抗滑阻力降低，抗滑安全系數k′減小，因此有必要針對采用不同排水溝時的下游壩坡抗滑穩定性進行分析。

采用不計條間作用力的瑞典圓弧法計算壩坡抗滑安全穩定系數時，大壩正常運行條件下的最小安全系數為規定值的0.92倍[32]；恰拉水庫下游壩坡最小抗滑安全系數kmin=1.35×0.92=1.242。

借助滲流與極限平衡法（瑞典圓弧法）耦合計算方法[31]，得出排水溝至壩趾的不同距離S及深度h2時下游壩坡的抗滑安全系數k′。圖10為排水溝距離壩基20、60 m，排水溝深度h2=4、5 m時，下游壩坡抗滑安全系數k′及其對應的滑弧。

圖10 抗滑安全系數與潛在滑動面Fig.10 Resist slippage safety factor and potential sliding surface

由圖10可得，當S=20 m、h2=4 m時，抗滑安全系數k′=1.313>kmin=1.242，壩坡處于穩定狀態；h2=5m時，抗滑安全系數k′=1.236kmin=1.242，壩坡處于穩定狀態。

對比圖10a、10b可知，當排水溝至壩趾的距離一定時，排水溝深度越大，越不利于壩坡穩定。而圖10b、圖10c則反映出當排水溝深度一定時，排水溝距離壩趾越近，越不利于壩坡穩定。

無防滲措施時，作壩坡抗滑安全系數k'隨排水溝至壩趾的距離S和深度h2變化的曲面圖，如圖11所示，采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋壩坡抗滑穩定安全系數的曲面圖與之類似。

由圖11可得，無防滲措施時，S=20 m、h2=5～10 m時，k'分別為：1.236、1.118、1.141、1.124、1.086、1.015kmin，壩坡處于穩定狀態。

圖11 無防滲措施下游壩坡抗滑安全系數隨排水溝位置及深度的變化Fig.11 Variation of resist slippage safety factor with positin and depth of drain without seepage prevention measures

綜上所述，采用不同“上防下排”措施時，排水溝至壩趾的距離S越小，深度h2越大，對下游壩坡的穩定越不利。

6 試驗驗證

6.1 地下水埋深

恰拉水庫實際防滲措施是132 m的水平鋪蓋，和上述水平鋪蓋工況下仿真情況一致。為了驗證數值模擬的正確性，與數值模擬中的基點位置對應，在恰拉水庫下游試驗區每隔50 m布設一個監測點，共計5個，編號為P50、P100、P150、P200和P250，如圖12所示。

為了確保觀測時水庫運行工況與數值模擬邊界條件的一致性。觀測時間設在2014年和2015年的4月和7月，期間水庫水位最接近設計水位，排水溝深度為6 m，排水溝及時排水，溝中無積水存在，通過田間試驗，測得監測點P50～P250的地下水埋深，將試驗結果列入表2。

圖12 農田監測點布置圖Fig.12 Layout drawing of monitoring points in farmland

表2 監測點的地下水埋深Table 2 Groundwater level of monitoring points

根據表2作農田地下水埋深h1隨觀測點至壩趾間距離S1的變化曲線，并與圖7c中6 m的模擬值進行對比如圖13所示。

圖13 監測點的地下水埋深變化曲線Fig.13 Variation curves of groundwater level of monitoring points

分析圖13可得，圖13和圖5中曲線的變化規律一致。如試驗得出當h=874.8 m時，監測點P50、P100、P150、P200、P250的地下水埋深分別為1.78、6、3.21、3.09、3.04 m。模擬得出當h=875 m時，監測點P50、P100、P150、P200、P250的地下水埋深分別為1.71、6、3.16、3.04、2.99 m。對比數值模擬和試驗結果，庫水位僅相差0.2 m，各監測點的地下水埋深僅相差0～0.07 m。可見，數值模擬和試驗可以互相驗證。

試驗結果還發現，水庫水位對壩后地下水埋深也存在一定的影響。觀測期間水庫水位未達到設計水位875 m，監測點實測P50、P150、P200、P250的地下水埋深分別為1.78～2.42、3.21～3.62、3.09～3.49、3.04～3.47 m，略小于數值模擬得出的地下水埋深。

6.2 積水長度與壩坡穩定

試驗觀測結果發現，恰拉水庫下游農田并無積水現象，而數值模擬計算有0.27 m的積水長度，存在較小誤差。由圖12可知，恰拉水庫下游存在多條垂直壩軸線的“積水排水溝”，可將積水匯集至壩后排水溝（平行壩軸線），該排水系統能及時排走積水，避免壩后農田積水。而在數值模擬時，為簡化計算模型，忽略了垂直壩軸線排水溝的作用，僅著重考慮了壩后排水溝，因此試驗和模擬結果出現了較小的差異。

恰拉水庫下游壩坡設置了大壩變形觀測儀，水庫自改建蓄水以來，下游壩坡沉降變形和水平位移分別為5.8和2.3 cm，滿足碾壓式土石壩設計規范（SL274-2001）的變形穩定條件。根據觀測數據計算得到的壩坡抗滑穩定安全系數1.358>1.242，壩坡處于穩定狀態。試驗和數值模擬得出的結果一致，從而驗證了數值模擬的精確性。

需要說明的是，恰拉水庫實際防滲體為水平鋪蓋，壩后排水溝深度為6 m，距離壩趾100 m。文中垂直防滲體和無防滲措施為假定方案，但各方案下排水溝位置和深度對壩后農田地下水埋深的影響規律基本一致，壩后積水和壩坡穩定總體規律相同，只是存在數值上的差異。因此，對實際工程的原位觀測結果在總體上可以驗證文中數值模擬的正確性。

7 討 論

7.1 防滲方案對地下水埋深的影響

干旱區平原水庫位于農田上游，蓄水后大量的滲漏水成為農田地下水的 “補給源”，導致下游農田出現沼澤化和鹽漬化等生態問題。因此干旱區平原水庫的滲流控制方案決定著壩后農田地下水位。文中對比了水庫水平鋪蓋、垂直防滲墻和不設防滲體3種方案，結果顯示前者優于后兩者方案。這是因為22倍水頭的水平鋪蓋在減小水庫滲漏量方面的效果優于懸掛式防滲墻和無防滲情況。換言之，滲流控制方案減小水庫滲流量越大，在遏制壩后及周邊農田地下水位的效果就越好。

實際中干旱區平原水庫往往坐落在透水性較大的深厚覆蓋層甚至是無限深透水壩基上，加之大壩長度較大，采用全封閉式垂直防滲墻造價過高，難度較大，而水平鋪蓋施工簡單，造價低，優勢明顯。文中將恰拉水庫作為干旱區平原水庫的典型，其水文、地質以及水庫運行等均具有區域共性，計算結果也具有代表性，故文中推薦22倍水頭的水平鋪蓋作為干旱區平原水庫防滲方案。

7.2 庫水位變化對地下水埋深的影響

數值模擬未考慮水位變化對壩后農田地下水埋深的影響，而是采用水庫設計水位875 m，對壩后排水溝進行計算分析。如在該水位下農田地下水埋深為2.72 m，積水長度為0.27 m，實際上水庫運行水位一般不大于設計水位，因此只要保證在設計水位下地下水埋深大于2.45 m，在其他運行工況也能滿足要求。這樣得到的排水溝深度、距離等也可作為設計參考值，具有代表性。

從第6節監測數據不難發現，水庫水位與排水溝水位、壩后農田地下水埋深關系密切。當水庫水位上升，滲漏損失加大導致農田地下水埋深減小，水庫下游積水長度增加；當庫水位下降時，效果相反。但只要運行水位低于設計水位，水位變動不會帶來新的不利影響。

7.3 排水溝及時排水的必要性

壩后排水溝從農田地下水補給源頭（平原水庫）后進行截滲，從總水量上進行了削減，對壩后農田的生態環境改善起到了重要作用。文中數值模擬和實際監測均要求排水溝及時排出滲漏水，實際運行中排水溝及時排水對下游農田水鹽動態變化影響較大。以試驗區觀測點P200為例，觀測點周圍沿地表垂直開挖地層剖面，分別采集不同埋深的土壤樣品裝入土樣袋。根據國家標準《土工試驗方法標準》測試土樣含鹽（%）并計算其脫鹽率，在壩后排水溝排水和不排水情況土壤的脫鹽率如下表3所示。

表3 不排水和排水時土壤脫鹽率（P200）Table 3 Soil desalinization ratio under condition of no drain and drain (P200)

由此可見，排水溝及時排水是十分必要的。

8 結 論

本文基于非飽和土滲流機理、極限平衡與滲流耦合理論，以干旱區典型水利工程—恰拉水庫為研究對象，通過數值模擬和農田試驗，分析中國干旱、半干旱地區平原水庫排水溝深度對周邊農田地下水埋深的影響，得出以下幾點結論。

1）水平鋪蓋、懸掛式防滲墻和無防滲措施分別與排水溝聯合控滲減排的結果表明，不同“上防下排”滲流控制方案在遏制水庫滲漏和減小壩后農田地下水的效果是不同的。懸掛式防滲墻和無防滲體工況不能有效減小水庫的滲漏量，聯合排水溝使用效果較差。

2）水庫采用不同“上防下排”措施時，排水溝至壩趾的距離越大，排水溝需要的最小深度會減小。即控制壩后農田地下水位達到臨界深度時，距離壩趾較遠的排水溝需要的深度較小，但排水溝越遠不利于農田的有效利用，此外，還發現壩后農田地下水埋深會隨著排水溝深度的增加而增大。

3）恰拉水庫目前采用22倍水頭的水平鋪蓋和6 m排水溝聯合使用，排水溝距離壩趾為100 m，該方案能有效降低壩后農田的地下水埋深至2.98 m，大于臨界深度2.45 m，農田不會發生次生鹽漬化。

4）恰拉水庫下游壩坡抗滑安全系數為1.358>1.242（壩坡最小抗滑安全系數），壩坡處于安全狀體；壩趾至渠道間的積水長度僅為0.27 m，沼澤化面積較小。避免農田沼澤化對應的排水溝最小深度為5.18 m，實際工程中排水溝深度為6 m。由此可見，排水溝的設計是合理的。

5）不同平原水庫在確定壩后排水溝位置及深度時，應結合水庫防滲措施、壩后農田需達到的地下水埋深、農田積水和下游壩坡抗滑穩定進行綜合分析。排水溝作為輔助措施應與農田排水溝（渠）、水庫防滲體以及農田灌溉制度配合使用，才能更加有效地發揮作用。

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Influence of reservoir seepage prevention measures and drainage ditch behind dam on groundwater depth of surrounding farmland

Mao Haitao1, Wang Zhengcheng1※, Wang Xiaoju1,2, Huang Qinghao3, Liu Yang3
(1. College of Civil Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China; 2. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3 College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China.)

Reservoir leakage has a great influence on water-salt dynamic, which is easy to cause soil secondary salinization and swamping in arid area. Groundwater depth of farmland behind dam is reduced by anti-seepage body and drain measure usually. Drainage ditches are set up behind dam, which can cut off seepage water and discharge water, therefore reducing the leakage loss. But how to choose parameters of drain, how to be combined with impervious body, and so on, these questions need to be studied further. Based on unsaturated soil seepage theory, aimed to the farmland around Qiala Reservoir, this paper calculated the combination measures by numerical simulation, and analyzed the relationship between groundwater depth and depth and position of drainage ditch by vertical cutoff wall, horizontal impervious blanket or non anti-seepage measures. Besides, we analyzed the downstream slope stability and adopted the field experiment to validate it. This research showed that the buried depth of farmland groundwater is characterized by a “funnel-shaped” downward trend taking the central axis of drainage ditch as a symmetrical axis in different seepage control schemes. The groundwater depth increased gradually before the drainage ditch, and decreased a little after the drainage ditch. Therefore, the “anti-seepage body and drain measure” reduce seepage into the farmland from the source, which can make farmland maintain a low groundwater depth. Different seepage control schemes of “anti-seepage body and drain measure” were different on the curbing and the effect of reducing the leakage of reservoir to farmland. The hanging cutoff wall and the non-impervious body cannot reduce the leakage of the reservoir effectively, and we found the combination of the former 2 ways has a weaker effect on anti-seepage. By comparing the 3 schemes, it was considered that the horizontal impervious blanket with a length of 22 times water head was better than the suspended cutoff wall and non-impervious body in seepage control. After combining it with the drainage ditch and the drainage in time, we controlled the groundwater depth at about 2.72 m effectively, which was greater than the local critical groundwater depth of 2.45 m, and curbed the trend of soil salinization after dam effectively. Drainage ditch position and depth had some effect on dam; we calculated the actual construction (length of 22 times water head) and found the downstream dam slope anti slide safety coefficient was 1.358, which was larger than the minimum slope anti slide safety coefficient of 1.242, so the downstream slope of the dam was in a safe state. After the drainage ditches were set up, the length of hydrops from the dam toe to drainage ditch was the main reason to the soil swamping. By calculating and measurement in the actual condition, we found the length of hydrops was 0.27 m, and the swamping area was smaller. In addition, calculations also revealed that the minimum depth of drainage ditches corresponding to avoiding field swamping was 5.18 m. Drain depth was 6 m in practical project, and thus the present cutoff wall, the distance between drainage ditch and dam toe, and the drain depth were reasonable. The study also found that water level changing and making sure draining timely have great effects on groundwater depth; drainage ditch was an auxiliary measure, and it can be combined with drainage and impervious body and farmland irrigation system, which can have a more effective influence.

groundwater; soils; models; soil salinization; horizontal impervious blanket; drainage ditch

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013

TU640.32

A

1002-6819(2017)-11-0098-10

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013 http://www.tcsae.org

Mao Haitao, Wang Zhengcheng, Wang Xiaoju, Huang Qinghao, Liu Yang. Influence of reservoir seepage prevention measures and drainage ditch behind dam on groundwater depth of surrounding farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 98－107. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013 http://www.tcsae.org

2016-11-25

2017-05-02

國家自然科學基金項目（51309262）；重慶市科委基礎與前沿研究計劃項目（cstc2015jcyjA0300、cstc2015jcyjA00022）；重慶市教委科學技術研究項目（KJ1601024）；重慶三峽學院校企合作項目（16PY03）

毛海濤，男，博士、副教授，主要從事干旱區節水灌溉及土壤次生鹽漬化機理研究。重慶 重慶三峽學院土木工程學院，404100。

Email：maohaitao1234@163.com

※通信作者：王正成，男，主要從事干旱區土壤鹽堿化及土石壩滲流機理研究。重慶 重慶三峽學院土木工程學院，404100。

Email：wangzhengcheng194@163.com