濮阳市引黄灌溉调节水库三维渗流分析

杨继东

摘 要：濮阳市引黄灌溉调节水库库区岩层透水性较强，渗漏问题较为严重，为减少水库渗漏量，确保渗流安全，需对其进行防渗处理。为了提出合理的防渗方案，采用有限元法建立研究区三维地下水渗流数值模型，模拟预测不同防渗措施下水库的渗漏量，优化防渗设计方案。模拟预测结果表明：无防渗措施下水库蓄水运行期渗漏量大，库周局部范围和两湖之间出现浸没影响，低洼处会发生渗透破坏，必须采取防渗措施;结合施工用料、防渗效果及后期维护等因素，相较铺盖方案该工程更宜采用防渗墙防渗方案;通过比较不同厚度及不同渗透性防渗墙的防渗效果得到，防渗墙的渗透性较其厚度对水库渗漏的影响更大，施工时应优先选取防渗性能好的防渗墙，再考虑其厚度。总体而言，渗透系数不大于1×10-6 cm/s、厚度为40 cm的防渗墙可以满足防渗和施工设计总渗漏量要求。

关键词：引黄灌溉调节水库;渗流;防渗措施;防渗墙;数值模拟

中图分类号：TV22 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.025

Abstract： Seepage problem is serious of an irrigation reservoir diverted from the Yellow River in Puyang City because the permeability of rock strata is strong. In order to reduce the amount of reservoir leakage and ensure the safety of seepage， anti-seepage treatment should be carried out. A three-dimensional numerical model of groundwater seepage in the research area was established by using the finite element method to simulate and predict the seepage quantity of reservoirs with different seepage prevention measures to put forward a reasonable seepage prevention scheme and optimize the seepage prevention design scheme. The results show that the seepage quantity is large in the operation period of the reservoir without anti-seepage measures. The immersion fields appeared in the local area around the reservoir and between the two lakes， and the seepage damage will occur in the low-lying areas， so the anti-seepage measures must be taken. Combined with the construction materials， anti-seepage effect and later maintenance factors， the project is more appropriate to use the anti-seepage wall scheme than the bedding scheme. Compared with the thickness of cutoff wall， its permeability has a more significant impact on the reservoir leakage， so the seepage performance of cutoff wall should be given priority before the geometric thickness. In general， the permeability coefficient should not be greater than 1×10-6 cm/s， and the cutoff wall with a thickness of 40 cm can meet the requirements of anti-seepage and total leakage in construction design.

Key words： irrigation reservoir; seepage; anti-seepage measure; cutoff wall; numerical simulation

水庫可对水资源在时间、空间上进行再分配，在一定程度上缓解水资源紧缺问题，满足当地居民生活及工农业生产用水需求[1]。然而受工程区地质特性、施工质量、经济条件等因素影响，水库在蓄水运行中会出现渗漏问题[2]。水库渗漏不仅影响其防洪蓄水功能的发挥，而且会导致水库运营效益低下，严重的会引起浸没、边坡塌滑等环境工程地质问题[3]。工程防渗技术可以有效控制水库渗漏，提高水库效益，防止坝体和坝基产生渗透变形破坏[4]。濮阳市引黄灌溉调节水库库区岩层透水性较强，水库蓄水运行后存在库盆底部垂向及库区水平渗漏问题，需对其进行工程防渗。为了确定合适的防渗形式，笔者对该水库在不同防渗措施下的渗漏、绕渗开展三维有限元渗流模拟计算，比较有、无防渗措施的防渗效果，提出合理的防渗方案。

1 工程概况

濮阳市引黄灌溉调节水库位于濮阳市城区北部，为人工开挖的平原区水库，由东库、西库和连接河道三部分组成。库区地面以下50 m范围内地层由第四系全新统（Q4）和上更新统（Q3）冲积物构成，岩性主要由砂壤土、粉细砂、粉质黏土和粉质壤土构成，为黏砂多层结构。自上而下各层岩性如下：第①层砂壤土（Q4）厚2.4～7.5 m，层底高程43.7～48.8 m，属砂性土，具中等透水性。第②层中粉质壤土（Q4）厚0.5～6.5 m，层底高程42.3～47.6 m，属少黏性土，具弱、中等透水性，东库分布不连续。第③层粉砂、砂壤土（Q4）厚0.3～9.3 m，层底高程36.1～43.7 m，厚度差异大，具中等透水性。第④层粉质黏土（Q4）厚1.6～10.9 m，层底高程29.4～39.4 m，为黏性土，具微透水性，分布不连续。第⑤层粉细砂（Q4）一般厚度为8～16 m，层底高程17.7～28.8 m，具中等透水性。第⑥层重粉质壤土（Q3）厚2.0～15.4 m，层底高程10.5～24.4 m，为黏性土，具微、弱透水性。下伏第⑦层细砂，厚度大，强透水。库区地下含水层可分为两个含水岩组，第①～⑤层组成潜水含水层组，砂壤土和粉细砂具中等透水性，为赋水地层，下部砂层具微承压性。第⑥、⑦层潜水含水层与承压含水层相连通。勘察期间实测钻孔和机井内地下水埋深为20.20～27.78 m。

水库挖深约6 m，库岸岩性由第①层砂壤土、第②层中粉质壤土和第③层粉砂、砂壤土构成，以中等透水的砂性土为主，蓄水后存在水平渗漏问题。

水库底板主要位于第②层中粉质壤土和第③层粉砂、砂壤土中，此两层土一般具中等透水性，下部第④层粉质黏土为相对隔水层，但由于部分地段缺失，因此导致上部第③层粉砂、砂壤土和下部第⑤层粉细砂等中等透水地层直接相连，形成渗漏通道，蓄水后存在库盆底部垂向渗漏问题。

防渗设计方案：垂直防渗与水平防渗相结合，沿库周布设一道总长12.22 km的塑性混凝土防渗墙进行垂直防渗，墙顶高程等于正常蓄水位（51.50 m），墙底进入相对隔水的第⑥层重粉质壤土内1～2 m，墙高26～36 m;在库区及引、退水河道区表面设置水平壤土铺盖层进行水平防渗，铺盖厚度为0.5 m。

2 研究方法

该水库岸线呈龙字形，防渗线长约12 km，防渗轮廓变化复杂且长度较大。库区覆盖层厚度大，上部30 m以中等透水的砂壤土、粉砂和细砂为主，夹有薄层且不连续的黏性土隔水层，渗漏问题较突出，水库蓄水后水平向和垂向渗漏为三维渗流过程，因此本研究采用三维渗流数学模型和有限元法进行计算分析。

2.1 数学模型

三维渗流数值计算主要应用南京水利科学研究院开发的三维渗流软件UNSS3，该软件已被应用于升钟水库、贾鲁河水库、郑州龙湖、龙羊峡水电站、刚果英布鲁水库、小浪底水电站、燕山水库等上百座大中型水库、闸坝和尾矿坝的三维渗流数值计算，计算结果较为可靠。

根据岸边范围推测研究区地下水影响半径为1 500 m，为尽量减少水库蓄水后地下水流场变化对模拟结果的影响，本次模拟考虑5倍地下水影响半径构建库周地下水渗流场，模型南北长约16 km，东西长约20 km，模型总面积为320 km2。模型上部高程为实测地表高程51.5～54.0 m，根据工程布置情况，并考虑设计防渗墙尺寸等，模型底部高程设为15.0 m。根据研究区水文地质资料，模型东西部边界设为隔水边界，南北边界设为定水头边界，水位通过长期水位观测资料给定。模型垂向自上而下分别模拟地表、湖面、开挖面、表层壤土、粉砂层、砂壤土夹层、细砂层、壤土隔水層。由于模型的模拟范围较大，湖面形状复杂，因此从开挖深度上又分为深水区、过渡区、浅水区和缓坡区四个区域，防渗设计上，在不同的区域设置不同的铺盖和防渗墙。单元格剖分根据模拟区域地质条件变化，在地下水位变化较大的库周加密网格，网格长度约为5 m，防渗墙最小单元为0.22 m，由库岸至模型边界网格长度逐渐加大，边界约为500 m。模型平面网格示意见图1。

2.2 计算内容

构建三维渗流模型计算不同工况下库周渗漏量，分析渗漏对水库周边浸没的影响，提出合适的防渗方案。计算内容主要有：①构建三维渗流模型并进行模型验证;②计算分析水库蓄水运行期不采取防渗措施时地下水渗流场;③计算分析水库蓄水运行期坝基防渗方案地下水渗流场;④不同防渗墙深度方案效果模拟计算;⑤不同防渗方案（铺盖、防渗墙）防渗效果模拟比较;⑥防渗墙不同渗透性和不同厚度等方案敏感性计算;⑦运行期地下水环境影响模拟计算及控制措施方案比较;⑧推荐的优化防渗方案设计计算。

2.3 计算工况

通过比较不同防渗方案对研究区地下渗流场的影响，提出最适宜的防渗组合方案，模拟水库水位为51.50 m。具体计算工况见表1。

3 计算结果分析

3.1 无防渗措施渗流场

根据该水库库区地下水等水位线图可知，水库主库区地下水位一般为29.12～30.30 m，周边多年平均地下水位约为29.4 m。

在不采取任何防渗措施的天然渗流场下，水库地下水影响半径达5 603 m，渗流场影响区域约93.2 km2，水库渗漏量为1 071×104 m3/a，约占总库容的50%。同时渗漏还造成库周地下水位升高2～20 m，地下水影响范围达5 780 m，库周线外100 m范围内存在局部浸没现象，特别是在水库两湖之间浸没现象严重，对库周生态环境造成严重影响。

蓄水运行期无防渗措施下的主要问题是渗漏量大，难以保证水库正常蓄水运行，同时库周局部范围和两湖之间产生浸没，低洼处出现渗透破坏。这种现象在国内平原水库的下游地面曾经发生过[6]。因此，有必要采取防渗措施控制水库渗漏量。

3.2 铺盖方案渗流场

本次仅进行铺盖方案实施后水库运行期（湖面标高51.50 m）三维地下水渗流场模拟，铺盖方案为仅对库底设置水平铺盖，铺盖材料为壤土，铺盖厚度为0.5 m，铺盖材料渗透系数为1×10-5 cm/s。模拟计算结果显示水库总渗漏量为320×104 m3/a，相较无防渗措施渗漏量明显减少;当铺盖渗透系数为1×10-6 cm/s时，总渗透量为198×104 m3/a。铺盖承受最大渗透坡降为5。

以上结果表明铺盖方案能够有效减小库底渗漏量，但实施铺盖方案需要大量土料，而该区域土料供应不能满足工程要求，加之取料难度大，铺盖土较难进行工程压实，水库运行中渗漏现象仍比较严重，加之采取铺盖方案后需长期进行工程维护，造成库底清淤困难。因此，铺盖方案不是最佳选择。

3.3 运行期防渗墙方案渗流场

针对防渗墙的尺寸和渗透性进行了数值模拟，分析现设计方案设置塑性混凝土防渗墙后水库运行期三维渗流场。

（1）设计方案。现设计方案防渗墙厚40 cm、渗透系数为1×10-6 cm/s，墙进入相对不透水层（第⑥层）1 m，该层渗透系数取平均值，为5×10-6 cm/s。经模拟分析，该方案沿防渗墙的外渗流量为151×104 m3/a。

（2）比较方案。针对不同材质（渗透系数不同）及不同厚度防渗墙成墙后水库运行期三维渗流场的变化进行了12种工况的数值模拟，比较分析采用不同渗透性能及不同厚度的防渗墙对地下流场的影响。

（3）地下水位分析。不同防渗工况下地下水位最大抬高值见图2。由图2可以看出，各模拟工况下库周地下水位均有不同程度的降低，防渗墙起到了较好的延长渗径的作用，防渗墙本身承担了最大14 m水头压力，有效阻止了地下水位的升高。本次模拟仅考虑稳定渗流，研究水库蓄水后周边地下水位稳定期的渗流场，库周地下水位因水库蓄水而有不同程度的升高。

根据地下水位模拟升高情况可以得出，防渗墙渗透性对该区地下水位影响显著。比较防渗墙渗透系数在1×10-5～1×10-7 cm/s范围变化对地下水位等值线变化的影响可以看出，渗透系数从1×10-6 cm/s变为1×10-7 cm/s时地下水位变化约为7.0 m，从水位的变化也可以看出防渗墙具有有效阻渗作用。因此，选用合适渗透材料的防渗墙对地下水位变化具有关键作用。

防渗墙厚度对地下水位的影响较其渗透性对地下水位的影响弱。假定库区水平渗透，防渗墙起到决定性作用，基于渗流理论，水库渗漏量与防渗墙厚度关系可根据达西定律进行推算，防渗墙厚度与防渗墙的渗透系数近似成反比关系，当防渗墙厚度增大一半，即渗透系数缩小一半，水力坡降减小一半，则水库渗漏量减小一半，防渗墙厚度与水库渗漏量成反比。因此，當防渗墙厚度在22～40 cm范围变化时，其对地下水位影响不大。防渗墙厚度受工程限制很难显著增大，而防渗材料选择较为自由，所以可以按照具体施工工艺要求及安全要求确定防渗墙厚度，而水库浸没的影响范围应根据渗透性指标来确定。控制库岸线后地下水位升高值在10 m以下，比较分析各计算结果，选择厚度为40 cm、渗透系数不大于1×10-6 cm/s的防渗墙可满足设计要求。

（4）渗漏量分析。图3为不同防渗墙厚度工况下水库渗漏量与渗透系数的关系。可见，防渗墙厚度对渗漏量影响较小，所以选择防渗墙应首先考虑其渗透系数，然后考虑其厚度，而防渗墙几何尺寸的选择受制于成墙工艺。

根据蓄水条件及环境影响下的渗漏量控制指标可知，设计允许渗漏量为260×104 m3/a，从图3可以看出，当防渗墙厚度固定为30 cm时，其渗透系数在1×10-6～5×10-6 cm/s范围均能达到设计要求。推荐施工时采用厚度为40 cm、渗透系数为1×10-6 cm/s的防渗墙，既满足工程安全需求又便于施工。

3.4 防渗墙局部缺失渗流分析

工程施工中往往会因施工质量欠缺而导致防渗墙下部出现开叉，造成防渗墙局部缺失，从而影响防渗墙的整体防渗效果。

设防渗墙厚度为40 cm、渗透系数为1×10-6 cm/s，选择中部防渗墙段长150 m、底部10 cm开叉缺失进行模拟计算，得到总渗漏量为165.29×104 m3/a，对比防渗墙无局部缺失下的总渗漏量（151.06×104 m3/a）可知，防渗墙缺失下的总渗漏量增加了9.4%。防渗墙无局部缺失对渗漏量有一定影响，能够起到阻水作用，但要较大的贯入度才能发挥功效，从经济角度出发，悬挂式防渗墙较截断式防渗墙的防渗效果差，建议采用截断式防渗墙。

4 结 论

对濮阳市引黄灌溉调节水库不同防渗措施下的渗漏量进行三维渗流分析，对比防渗效果，得出以下结论：

（1）该水库蓄水运行期无防渗措施下的主要问题是渗漏量大，库周局部范围和两湖之间产生浸没，低洼处出现渗透破坏。因此，有必要采取渗控措施。

（2）铺盖方案能够有效控制地下水位和库底渗漏量，满足设计渗漏量要求，但由于铺盖方案存在土料供应不足、铺土容易出现裂缝、库底清淤维护难度大等问题，因此铺盖方案不是最佳选择。

（3）防渗墙渗透性大小相较其厚度对水库渗漏量影响更为显著，选取防渗墙时应优先选用防渗性能好的防渗墙，再考虑其几何尺寸。总体上来说，渗透系数不大于1×10-6 cm/s、厚度为40 cm的防渗墙可以满足防渗和施工设计总渗漏量的要求。

参考文献：

[1] 刘慧.台兰河地下水库结构及调蓄能力研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2012：1-2.

[2] 毛邦燕，许模，张世殊，等.矿区水库渗漏影响评价问题模糊综合评价研究[J].人民长江，2007，38（6）：105-108.

[3] 丁胜祥，王俊，沈燕舟，等.长江上游大型水库运用对三峡水库汛末蓄水影响的初步分析[J].水文，2012，32（1）：34-40.

[4] 王春磊，宁保辉，朱翠民.前坪水库大坝坝体及坝基渗透稳定研究[J].人民黄河，2018，40（12）：110-113

[5] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利电力出版社，1990：13-20.

[6] 谢晓勇，侍克斌.干旱区平原水库渗流及下游土壤盐渍化分析[J].水资源与水工程学报，2014，25（2）：180-183.

【责任编辑 张华岩】