平原水库渗流边界及浸没影响分析研究

吴先敏，李玉莹，高 峰，杜九博

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014)

平原水库通常指在平原地区，利用低洼地或废弃河床，通过下挖或在地面上修筑围坝形成库容，并从近地或远地引水充灌形成的蓄水调节水库[1]。平原水库主要特点是：围坝轴线较长，蓄水水位较低，坝高一般不超过15m，库水位一般高出库外地面。平原水库蓄水后易造成周边地区地下水位抬升，可能导致土地浸没和次生盐碱化，如玉清湖水库、鹊山水库、丁东水库等，投入使用后引起周边局部地下水位抬升，坝后出现浸没现象。平原水库主要为城市和农业供水，渗漏量的大小不仅影响到水库运行成本和效益，因渗漏引起的坝后浸没还会引发其他社会环境等问题。

防渗设计是平原水库能否正常发挥效益和减少浸没问题的关键，在平原水库防渗形式中主要有水平截渗、垂直截渗和水平与垂直截渗组合的防渗形式。山东地区的平原水库坝基地貌单元主要为山前倾斜平原和黄泛区冲击平原，表层为第四系堆积物[2]，第四系土层渗透性较强，厚度大约300～400m，中间夹杂部分相对不透水层，垂直截渗就是利用这一层。由于围坝较长，透水层很厚，除全库盆截渗外，其他防渗方式均可认为属于悬挂式防渗形式，因此，在数值模拟地基结构时，需要选取有限的深度和宽度进行计算[3]。

目前，渗流计算主要以山区型水库为原型进行理论总结，其主要目的是求得渗流量、压力、坡降等水力要素，确保水库渗透安全[2]。由于平原水库与山区水库相比具有水头低、围坝长、占地大等特点，除渗透稳定外，渗漏量和坝后浸没问题成为平原水库设计及后期运行管理控制的关键。笔者基于山东某平原水库，通过对渗漏量影响以及坝后浸没等问题分析研究，提出了坝前计算范围、坝后浸没的评价方法，为类似平原水库前期阶段合理确定渗漏量、坝后征地影响范围及相应工程措施提供参考。

1 数值计算模型及相关参数

1.1 计算模型

某调蓄水库最大库容6150万m3，设计最高蓄水位12.50m，蓄水深度9.0m，坝高11.8m，设计死水位3.90m，死库容830万m3，库外地面高程3.2m。水库围坝全长9.636km，坝顶高程15.0m，上、下游坝坡1∶3，坝脚外5.0m处设截渗沟，沟底宽2.0m，深2.0m，坝后截渗沟控制水位1.70m(库外地面以下1.5m)。防渗采用土工膜和塑性混凝土防渗墙。坝基计算深度52.0m，坝前计算长度(L1)；坝后计算长度(L2)。坝体与坝基计算模型具体尺寸如图1所示。

图1 坝体与坝基模型尺寸(单位：m)

1.2 材料参数

计算采用GEO-SLOPE公司开发的岩土工程计算软件，渗流计算采用非饱和土理论，土水特征曲线采用Van Genuchten理论[4]。土层渗透系数按大值平均值计算，计算参数见表1。

根据Van Genuehten理论求得基质吸收与渗透系数关系曲线如图2所示，孔隙水压力与体积含水量关系如图3所示。

(1)

式中，θω—体积含水量；θr—残余含水量；θs—饱和含水量；ψ—吸力；α，m，n—土水特征曲线拟合参数。

表1 渗透系数及土水特征曲线参数

2 库内计算范围分析

平原水库渗漏量一般利用围坝典型横断面渗漏量按围坝长度分段求和取得，横断面渗漏量大小关系到水库渗漏量计算是否合适。平原水库因蓄水面积较大。库周形状不规则且一般围坝距库中心较远，断面渗漏量因库内计算长度不同，渗漏量大小也就不同。库内计算长度过短，水库渗漏量计算明显偏少，不能反映真实情况，按实际长度计算，模型往往过大，不易后期处理。因此，需要找到合适的计算长度，即渗漏启动水头时库内计算长度。

本次渗流模型库内初始计算长度L1为20m，设计最高水位12.50m，库内运行期平均水位8.20m，渗流量计算截面在围坝中心位置，计算结果如图4所示。

图2 基质吸力与渗透系数关系图

图3 孔隙水压力与体积含水量关系图

图4 坝前计算长度与渗漏量关系图

设计水位工况：L1=20m时，单宽米渗漏量8.02m3/d；L1=50m时，单宽米渗漏量为12.10m3/d；L1=90m时，渗漏量14.00m3/d；L1=90～180m时，长度每增加5.0m，渗漏量增加幅度减少至1%以内。

平均水位工况：L1=20m渗漏量为4.34m3/d；L1=50m时渗漏量为6.78m3/d；L1=85m时渗漏量7.77m3/d；L1=80～180m时计算长度每增加5.0m，渗漏量增加幅度减少至1%以内。

从计算结果可知，坝前计算长度对渗漏量影响较大，如计算长度过短会引起水库整个渗漏量计算偏少。按围坝长度9.636km计算，设计水位工况下计算长度20m与50m总渗漏量相差1435万m3，平均水位下差858万m3。

因平原水库地层条件不尽相同，数值计算如何判别计算长度是否足够，作者建议通过定性和定量两种方式进行分析判断，定量方式一般以增加5.0m计算长度每天渗漏量不超过1%，此时计算边界可作为库内计算边界，对水库总体渗漏能够控制在允许范围内。定性方式主要采用等势线和流线图来判别，在平原水库低水头计算中，按照0.1m等势线划分时，在坝基15.0m左右范围内等势线与上游边界面基本垂直且比较稀疏；同时流线在边界处基本与边界平行，这说明压力水头在此范围内基本不影响渗流，库内水头小于影响渗流的启动水头，计算边界基本合适。

3 坝后浸没影响范围分析

3.1 平原水库坝后存在问题

平原水库渗漏易引起库外周边生态环境发生变化、水量损失和土壤盐渍化问题，其中渗漏引起的大面积盐渍化问题是很多专家反对修建平原水库的原因[5]。平原水库工程从规划设计到建成运行，应该采取有效的措施，预防和解决水库渗漏问题，控制地下水位，防止周围土地浸没和产生次生盐碱化[6]。

在设计中为防止水库蓄水后引起周围地下水位抬升，导致土地沼泽化和盐渍化，规范要求应在水位围坝背水面坝脚设置截渗沟或截渗暗管，拦截水库渗水、控制水库周围地下水不超过临界水位[7]。但在水库运行过程中，截渗沟后面仍会出现地下水位抬升，造成周边地段的沼泽化或盐渍化，例如，山东某水库在坝后平台坝脚外5.0m处，设底宽1.5m，边坡1∶2.0，深3.0m截渗沟，水库蓄水后截渗沟后面200m范围内仍产生了地下水位抬升，产生土地浸没，造成了一定的社会影响。

3.2 坝后影响范围判断

平原水库坝后影响主要表现在浸没和土地盐渍化；浸没的判断为水库渗漏补给水量大于本地区的土壤蒸发量，从而造成补给大于蒸发，导致土地浸没、次生盐渍化。B·B波雷诺夫等人认为当地下水埋藏深度到地表面的距离小于某一常数时，地表就开始积盐，这个常数认为是盐渍化土壤地下水临界深度[8]。影响地下水临界深度的因素很多，主要因素为气候条件、土壤性质、地下水状况和人为措施[9]，由于土壤盐渍化受其他条件影响较复杂，本次计算采用控制截渗沟水位在地面以下1.5m临界深度经验值。

坝后影响范围判断主要从坝后区域补给量(Qi)与陆面蒸发量(TZ)之间关系来判定。陆面蒸发量根据长期水量平衡方程，蒸发量=降水量-径流量[10]。

若Qi

Qi=qi+1-qi

(2)

式中，Qi—第i区域水库渗漏补给量；qi—计算断面渗漏量。

3.3 坝后影响范围计算

某水库区域多年平均陆面蒸发量586.7mm，区域陆面蒸发量613.7mm/d[11]。渗流计算参数见1.2节，坝上游计算距离L1取120m，不同距离L2的断面渗漏量如图5所示。截渗沟后不同区域补给水深与陆面蒸发水深换算为天，结果如图6所示。

图5 不同计算长度渗漏量趋势图

图6 区域补给量与蒸发量关系图

根据计算情况，平均水位下坝后浸没影响范围190.0m(L2)，设计水位浸没影响范围196.2m，与现场截渗沟后，存在200m浸没范围基本相符。

4 结论

平原水库渗漏量和坝后浸没在平原水库设计过程中属于关键问题，因渗漏引起的水量损失和坝后浸没等生态环境问题成为影响平原水库正常运行的制约因素。本文通过数值模拟计算，分析坝前计算范围与渗漏量的关系；利用区域补给量和土壤蒸发量之间关系，并结合水库运行方式，提出了浸没区范围，主要结论如下：

(1)坝前计算范围对渗漏量影响较大，在前期设计阶段，应充分考虑库内计算长度对渗漏的影响，结合数值模型提出了库内长度计算分析确定方式。

(2)截渗沟在平原水库坝后降低地下水位起到了一定作用，但由于建库地点的地质条件和地下水位条件不尽相同，平原水库渗漏会绕过截渗沟影响到坝后土地，造成浸没。

(3)利用渗漏补给量和土壤蒸发量之间关系来初步判断是否浸没，当区域补给量大于本区域的土壤蒸发量时会产生浸没；小于时不会影响坝后土壤。

(4)结合平原水库运行情况，提出了前期阶段坝后浸没范围确定方法，为以后类似平原水库浸没影响区范围内采取工程措施创造了条件。