深厚砂卵礫石透水壩基滲流控制方案研究

劉 陽，毛海濤，侍克斌，王正成

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052；2.重慶三峽學院土木工程學院，重慶404100)

0 引 言

深厚砂卵礫石覆蓋層廣泛分布于中國西南小河道，隨著國家對中小流域治理力度地加強，大量的水利工程不得不建立在此類地基上[1- 6]。不同于大江大海上重要水利工程的滲流控制措施，小河道開發時更加注重經濟、實用和環保相結合的滲流控制方案。據調查發現，小河道深厚砂卵礫石層厚度較大，屬第四紀松散沉積物，具有結構相對松散、類型單一、透水性強等特征[7]。目前，壩基常采用的主要滲流控制方案有水平鋪蓋、垂直防滲墻、水平鋪蓋+防滲墻進行防滲。但小河道的滲流控制方案如果完全借鑒大江大河上水利工程方案(多為完全封閉式防滲墻)，造價高、難度大、工期相對長且環境負荷較重；但若不夠重視滲流控制，又達不到興利的目的，造成水(電)資源的浪費。因此，需要系統研究此類地基上滲流控制的優選方案。

針對地質條件復雜，滲漏問題突出的大壩防滲，國內外已經有大量的研究成果，如鄭華康等[8]研究表明，防滲帷幕能夠有效提高上游側巖體內的地下水位、增加繞壩滲流的滲徑長度、降低揚壓力；溫立峰等[9]研究表明，采用懸掛式防滲墻進行防滲時防滲墻深度與覆蓋層厚度之比為0.7左右比較合理、僅僅依靠水平鋪蓋無法有效控制覆蓋層；王大宇等[10]研究表明，土顆粒的級配、懸掛式防滲墻位置以及土體密實程度均會影響懸掛式防滲墻的作用效果；毛海濤等[11-12]研究表明，懸掛式防滲墻能有效控制壩基滲透坡降、遏制滲透破壞，滲流量控制效果隨著防滲墻深度增加愈發明顯。但上述研究成果均為考慮山區小河道與壩基的特殊性，考慮的因素往往局限于滲流控制方面。

本文以西南山區典型小型水電站龍水電站為例，利用有限元軟件建立數值模型，分別計算水平鋪蓋、垂直防滲、聯合防滲的滲流量及出逸坡降等參數，探討各種防滲方案的控滲效果，以期遴選出適合西南山區小河道深厚砂卵礫石透水壩基最佳的滲流控制方案。

1 數值模型

1.1 穩定滲流場基本方程和定解條件

在穩定滲流場中，忽略土與水的壓縮性，則屬于達西定律的二維非均質各向異性土體滲流，其控制方程及邊界條件可表示為

(1)

(2)

式中，h(x,z)為需求的水頭函數；kx、kz為主軸方向為軸的滲透系數；f1為給定的水頭；f2為給定的流量；Γ1為給定的水頭邊界；Γ2為給定的流量邊界；Γ3為自由面；Γ4為溢出段；n為Γ3及Γ4上的任一點法線方向矢量。

1.2 滲流量的計算

對于二維滲流流量地計算，通過某一單元斷面的滲流量qi表示為

(4)

通過滲流域某一界面的滲流量Q為

(5)

通過上述理論，采用有限元建立滲流計算模型進行分析計算。

1.3 模型建立

砂卵礫石透水壩基在西南山區小流域廣泛存在，具有顆粒渾圓，骨架連續，顆粒間由細砂填充等特點，不均勻系數較大，從幾十到數百不等，局部架空，常常呈管涌或流土破壞[13]。其厚度一般由幾米到幾十米不等，最多可達50 m[14]。綜合分析西南山區砂卵礫石壩基的基本特點，遴選出小河道典型具有代表性壩基作為研究對象，本文以龍水電站壩基為例進行分析。

龍水電站位于重慶市巫溪縣，壩基由砂卵礫石組成，覆蓋層厚度達19.3 m。壩址控制流域面積36.2 km2，主河道長6.89 km，平均比降14.59%。混凝土砌塊石溢流壩，壩頂高程733.5 m，最大壩高8.85 m，溢流壩段全長30 m，底欄柵壩段長10 m，欄柵左、右側溢流壩長分別為15.7、4.3 m，大壩正常蓄水位為734 m。壩基為典型的深厚砂卵礫石透水壩基。龍水電站現狀圖及深厚砂卵礫石層剖面如圖1所示。

圖1 龍水電站深厚砂卵礫石層剖面示意

根據地質勘探資料，壩基砂卵礫石物理力學參數如表1所示。

擬采用3種方案對水平鋪蓋、混凝土垂直防滲墻及聯合防滲各工況進行計算，分別為：①水平鋪蓋，水平鋪蓋長度L=0、10、20、30、40、50、60 m；②垂直防滲墻，防滲墻深度h=0、5、6、7、8、9、10、12.2 m；③聯合防滲，(0～60 m)水平鋪蓋+(5～10 m)防滲墻。

方案①、②旨在探尋隨水平鋪蓋長度和防滲墻深度變化，滲流場的變化規律。方案③為探尋水平鋪蓋和垂直防滲墻聯合防滲對滲流場的影響。計算中壩體、混凝土防滲墻、粘土鋪蓋的滲透系數分別設定為5×10-7、2.24×10-8、1×10-5m/s。取最大壩寬處為模型計算剖面，該處滲流量最大，為滲流控制中的最不利剖面。其典型網格剖分如圖2所示。

表1 壩基物理力學參數

圖2 龍水電站縱剖面及網格剖分示意

2 計算結果與分析

根據上述方案的設定，分別計算各種工況下防滲方案對滲流的影響，圖3為垂直防滲式壩基的滲流情況，基于數值模型的計算結果，將各類方案計算結果進行對比和分析。

圖3 垂直防滲式壩基的滲流網格(單位：m3/s)

2.1 水平鋪蓋與垂直防滲墻對滲流場影響

依據設定的方案，計算水平鋪蓋和垂直防滲墻各類工況對滲流參數的影響。單寬滲流量q計算結果如圖4所示。由圖4可知，q隨著L增加而降低，從最初的0.092 m3/s逐漸穩定降低至0.054 m3/s，下降率為41.6%。變化曲線基本呈線性變化，擬合函數為L=-6.65×10-4q+0.09，擬合度因子R2為0.99，擬合狀況良好。隨著h增加，q由0.092 m3/s開始逐漸降低，當h由0增加至10m時，q下降了38%。當h由10 m增加至12.2 m時，q由0.057 m3/s驟降至0 m3/s，此時防滲墻由懸掛式防滲墻變為全封閉式防滲墻。當L=41.67 m時的壩基滲流量與h=9 m時相同，為0.062 94 m3/s，此時L∶h=4.63∶1，即4.63 m水平鋪蓋與1 m防滲墻防滲效果相同。

圖4 單寬滲流量q變化曲線

圖5 q隨L的變化曲線

2.2 水平鋪蓋與聯合防滲對滲流場影響

將方案③的計算結果進行處理，聯合防滲與水平鋪蓋對大壩滲流量的影響對比如圖5所示。由圖5可見，當h相同時，隨著L增加滲流量呈線性下降。圖中各條線的擬合斜率從上到下分別為-6.633 71×10-4、-5.413 14×10-4、-5.002 86×10-4、-4.618×10-4、-4.201 71×10-4、-3.701 43×10-4、-3.124 57×10-4，逐漸趨于平緩。即，隨防滲墻深度增加，聯合防滲中的水平鋪蓋長度對滲流量的影響逐漸降低。

2.3 垂直防滲與聯合防滲對滲流場影響

將方案③的計算結果進行處理，防滲墻與聯合防滲對大壩滲流量的影響如圖6所示。由圖6可得，當L一定時，q隨著h增加逐漸減少。當L=0，h由5 m增加到10 m，q降低了28.7%。同樣L分別為10、20、30、40、50、60 m時，h由5 m增加至10 m，q的下降率分別為27.8%，25.5%，23.5%。其中，聯合防滲方案中，40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻與僅做10 m防滲墻防滲時q相等。因此，可認為10 m防滲墻的防滲效果等同于40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻聯合防滲。

圖6 q隨h的變化曲線

表2 對比方案

3 滲流控制方案優選與討論

3.1 能滿足興利的滲流控制方案

根據興利要求和滲透穩定原則，龍水電站原采用30 m水平鋪蓋進行防滲是滿足要求，后因洪水沖毀，失去防滲功能。因此，以30 m水平鋪蓋為基準，結合上述分析結果綜合對比各方案，遴選出能滿足工程滲流控制要求的方案。

分別計算下列3種方案：①L=30、40、50、60 m；②h=8、9、10、12、18 m；③10 m水平鋪蓋+(7～10 m)防滲墻，20 m水平鋪蓋+(6～10 m)防滲墻，(30～60 m)水平鋪蓋+(5～10 m)防滲墻。經計算分析可知，30 m水平鋪蓋的防滲效果大致等同于由10 m水平鋪蓋+7 m防滲墻組成的聯合防滲或8 m垂直防滲墻方案。因此，考慮到洪水易沖毀水平鋪蓋，同等防滲效果下，推薦采用8 m垂直防滲墻或10 m水平鋪蓋+7 m防滲墻組成的聯合防滲方案。

3.2 防滲方案需要關注的問題

西南山區小河道深厚砂卵礫石透水壩基需要著重考慮以下3方面的影響：①山區小河道汛期洪水頻率高、歷時短、流速大，破壞力強，對壩體和壩基表面的防滲設施威脅較大；②山區小河道必須確保地下和地表的生態流量，其中地下潛流肩負著河道下游地下水生態的健康發展；③山區小河道建壩規模較小，成本低，防滲方案選擇需經濟適用。

根據上述原則，結合文中研究結果和已有文獻查詢，3類滲流控制方案的對比如表2所示。

3.3 滲流控制方案的討論

(1)水平鋪蓋需要防護措施。可將水平鋪蓋長度增加至60 m甚至更長，針對在山區小流域水平鋪蓋容易被洪水沖毀的特點，應該在鋪蓋末端設置防護坎，在鋪蓋表面填埋并碾壓糙率較大的粗粒徑砂卵礫石，減小洪水沖刷破壞。這一方案施工簡單，造價低。

(2)防滲墻需要較大貫入度。懸掛式防滲墻在控制滲流量方面效果不明顯，但是可以有效降低滲透坡降。防滲墻不易因洪水沖刷損毀，在本例中可選擇8 ～10 m垂直防滲墻進行防滲，貫入度應在0.5以上，在經濟允許的條件下可將防滲墻貫入度做到0.7，以上保證水電站效益最大化。但不建議采用封閉式防滲墻，因為小水電往往采用長距離的引水發電，攔水壩與發電房之間往往數公里甚至更長，其間河道地下水完全被截斷，不利于生態環境的可持續發展。

(3)聯合防滲。10 m垂直防滲墻的防滲效果等同于40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻的聯合防滲效果。采用聯合防滲造價比只采用垂直防滲墻更低，防洪效果比水平鋪蓋更好。其中， 40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻造價最低。

綜上所述，在山區小河道深厚砂卵礫石覆蓋層壩基滲流控制方案中，需要滿足興利、環保、經濟、施工難度低等要求，綜合對比不宜選擇全封閉式防滲；僅用水平鋪蓋進行滲流控制，需加長鋪蓋長度，且進行周期性監控，確保水平鋪蓋的防滲效果，即使在洪水作用下部分破壞，也應及時修復。當聯合防滲方案有多種選擇時，建議盡可能選擇長水平鋪蓋與短垂直防滲墻的組合。

4 結 論

本文系統研究了西南山區典型小河道深厚砂卵礫石地基滲流控制，得到如下結論：

(1)單位長度垂直防滲大于單位長度水平鋪蓋的滲流控制效果，4.63 m水平鋪蓋長度相當于1 m防滲墻。

(2)采用聯合防滲進行隨防滲墻深度增加，聯合防滲中的水平鋪蓋長度對滲流量的影響逐漸降低。

(3)當聯合防滲中水平鋪蓋長度超過3倍水頭時，出逸坡降變化呈均勻下降。

(4)10 m垂直防滲墻的防滲效果等同于40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻的聯合防滲效果。

(5)山區小河道肩負著小流域生態系統的健康發展，滲流控制不能見局限于滲流量和滲透坡降等參數，還應將生態系統的參數納入進來進行分析，不建議采用封閉式垂直防滲強。其他防滲方案可根據工程實際情況因地制宜地布設，建議采用聯合防滲。