浅谈沙坝的渗流控制

王锦峰，杨鑫平

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

沙漠地区缺乏防渗土料，水库大坝多为水坠沙坝，坝基和坝体材料为细沙，渗透性强，允许渗透比降很小，因此对渗漏量和渗透破坏的控制都很关键。近年来陕北沙漠新建了很多水库，大坝为均质沙坝，有几座水库出现了不同程度的渗透破坏，李家梁水库就是其中之一，笔者对李家梁水库的渗透破坏进行了研究分析，提出工程设计中存在的问题，总结出沙坝渗流控制的要点和工程措施。

1 李家梁水库工程概况

李家梁水库位于榆林市西北约40 km，地处毛乌苏沙漠边缘，是一座以供水为主的中型水库，水库正常蓄水位1 167.60 m，总库容2 340万m3，调节库容1 690万m3。大坝为均质砂坝，坝顶高程1 170.00 m，最大坝高25 m，上下游坝面坡坡比为1∶3和1∶3.5。

坝址河谷呈“U”形，地表多为新近堆积的移动新月型沙丘和沙梁，坝基为第四系堆积沙土，不均匀系数2.5，渗透系数3.67×10-3cm/s，临界渗透比降0.251，厚度大于70 m(勘察过程中钻孔未见基岩)。大坝为水坠沙坝，坝体沙土不均匀系数3.0，渗透系数1.28×10-2cm/s，临界渗透比降0.246。防渗采用上游面斜铺复合土工膜的水平防渗型式，河库及两岸铺设长100 m的复合土工膜。下游坝脚设置反滤体，由于当地缺少反滤料，采用了1层无纺土工布和1层20 cm厚的砾石作为反滤。大坝的典型剖面和坝后反滤体的设计见图1、2。

水库蓄水运行后，当库水位达到1 162.00～1 163.40 m时，坝后出现多处涌水冒沙现象，坝后反滤体位置浸润线偏高，测水堰测量的渗漏量大约为80 L/s，约合日渗漏量为7 000 m3。

2 防渗方案选择

由于坝基为细沙，渗透系数3.67×10-3cm/s，透水性强，厚度超过70 m，对于修建25 m高的大坝，采用垂直防渗不仅投资很高，也无法解决绕坝渗漏问题，设计采用铺设复合土工膜的水平防渗型式是合理的。对于库底土工膜铺设长度，设计进行了不同铺设长度的渗流计算，渗漏量的计算成果见表1。

图1 原设计剖面图 单位：m

图2 原坝后反滤体设计图 单位：高程，m；其它，mm

库底土工膜铺设长度/m排水渠底渗透比降(设反滤)排水渠底渗透比降(不设反滤)单宽渗漏量/[m3·(d·m)-1]总渗漏量/(m3·d-1)总渗漏量差值/(m3·d-1)无20501002003004005000．200．110．10．090．080．070．070．070．450．300．260．250．230．220．210．2181．6546．6641．636．3331．2829．5928．9628．72408252333020800181651564014795144801436017495253026352525845315120

由表1可以看出不采取任何防治措施，日渗漏量为40 825 m3/d，铺设土工膜后渗漏量明显减少，随着库底土工膜铺设长度的增加，渗漏量逐渐减小，坝后排水渠渗透比降也随之减小。但当土工膜铺设长度大于200 m后，渗漏减小并不明显，排水渠渗透比降基本不变。所以一味地增加库底土工膜铺设长度并没有太大意义，因此原设计考虑节约工程投资的因素，采用100 m长的库底铺设长度是比较合适的，日渗漏量为18 165 m3，较不采取任何防渗措施的日渗漏量40 825 m3减少56%。笔者认为，铺设200 m长的渗漏量较100 m长减少13.9%，日渗漏量减少2 525 m3，在水资源严重缺乏的沙漠地区，如果经济允许的话，最好将库底铺设长度增加至200 m长。

3 渗流破坏原因分析

对水库运行的几年渗流观测资料进行整理，绘制出库水位1 162.00 m时的大坝浸润线，并按原设计参数计算出库水位1 162.00 m对应的浸润线，将这2条浸润线进行对比(见图3)，在反滤体上游处，实测浸润线高出设计浸润线1.2 m。

图3 实测浸润线与设计浸润线对比图 单位：m

针对坝后出现的涌水冒沙现象，在冒沙严重的地段对反滤体进行了拆除检查，反滤体外部全部包裹土工布，而排水渠底部却未设土工布。发现土工布进水侧沙土的颜色变为浅灰黑色，土工布上下游形成不小于0.3 m高差的水头，可见土工布有一定的阻水作用。为了查清渗透破坏的原因，对坝基和坝体土重新进行了地质勘察，并模拟反滤体排水性能降低进行大坝渗流计算，结果见表2。实测每天渗漏量约为7 000 m3，坝下0+008 m、坝下0+036 m、坝下0+072 m实测浸润线高程在1 162.00 m水位时大致高程分别为1 152.50 、1 150.80、1 148.30 m，与渗流计算中1 162.00 m水位+排水失效的浸润线高程十分吻合。排水渠底部的渗透比降达到了0.39，大于坝基土的临界渗透比降0.251，因此发生了渗透破坏，由于坝基沙土的不均匀系数为2.5，因此破坏形式为流土，表现为沸腾状的涌水冒沙。随着坝基沙土的逐渐流失，坝基被掏空，将会导致溃坝失事。

原设计反滤结构为1层无纺土工布和1层20 cm厚的砾石，用土工布将反滤体全部包裹，但在排水渠底部未设土工布，只考虑到将反滤体上游的沙土进行保护。坝体沙土的渗透系数为1.28×10-2cm/s，强透水性，在大坝运行一段时间后，无纺土工布被细颗粒填充，渗透性降低，导致了反滤体上游侧的浸润线抬高，增加了反滤体上下游水位差，从而使排水渠中底部的渗透比降增加，发生渗透破坏。笔者认为，如果将排水渠周围也用土工布进行保护，也发生涌水冒沙的机率会大大降低。

表2 渗流计算成果表

为了从根本上彻底解决坝后渗透破坏，对原反滤进行拆除，新建的反滤体分为2层:1层粗砂反滤;1层砾石反滤，厚度均为30 cm。并将反滤体的长度由13 m增加到25 m，对排水渠的周围设置土工布进行保护。经计算，正常蓄水位时排水渠底部的渗透比降为0.07，远小于坝基土的临界渗透比降。

4 渗流控制要点

4.1 渗漏量控制

对于相对不透水层埋深不大的工程，在技术和经济条件允许的条件下，最好采用垂直防渗的方案，彻底解决大坝渗漏问题。像李家梁水库这样的在沙漠中修建的大坝工程大多坝基渗透性强，且相对不透水层埋藏很深，很难采取垂直防渗方案，只能通过水平铺盖延长渗径的方法减少渗漏量，不能在根本上解决渗漏问题，只能适当的减少渗漏量。从李家梁水库的防渗长度计算成果可以看出，当库底土工膜铺设长度大于10倍蓄水水头后，增加土工膜铺设长度对渗漏量的影响已经很小，因此应综合考虑工程的经济性，合理选择土工膜的铺设范围。

4.2 渗透比降控制

沙土的临界渗透比降很小，李家梁水库坝基土临界渗透比降0.251，坝体土临界渗透比降0.246，极易发生渗透破坏。为了说明坝后设置反滤的必要性，在表1中分别列出了坝后设反滤和不设反滤2种情况下排水渠渗透比降的计算值，设置反滤后的渗透比降约为不设反滤的1/3，对降低渗透比降有显著效果。

李家梁水库原设计没有通过试验验证土工布作为反滤的可靠性，在工程运行中由于土工布淤堵形成阻水作用，导致浸润线抬高发生了渗透破坏。因此反滤设计的内容应包括2个方面：一是被保护土不流失；二是反滤层的透水性一定要大于被保护土。对于重要部位的反滤设计，必须通过试验确定。

5 结 语

中国北部及西北部蕴藏着大量的石油、煤炭资源，西部大开发带动了新疆、甘肃、内蒙、陕北等沙漠地区的石油化工和煤化工产业的发展，然而这些地区的水资源稀缺，为了适应工业的发展，不得不在沙漠地区开发利用水资源，在沙漠中修建水库成为必然。水库运行安全是保证人民生命财产安全和促进经济发展的前题。沙土渗透性强，抗渗透能力差，沙坝的渗流控制是工程设计中的核心问题，做好防渗，减小水库渗漏量，更为重要的是防止渗透破坏。工程设计应进行充分的计算分析及试验论证，采用合理可靠的工程措施保证水库的安全运行。

参考文献:

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