平原水库渗漏分析及防渗处理方案探究

张 恺

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710003）

城市平原水库多建设在河道冲积平原,表层为黏土或壤土,下部多为夹砂层。蓄水后容易形成渗漏通道,对工程安全运行造成很大影响,甚至严重影响周边居民生命财产安全。因此平原水库工程防渗至关重要,根据工程实际情况和优缺点进行合理布置防渗方案,不仅能节约工程投资和方便运行管理,同时方便施工提高工作效率。

1 工程实例概述

陕西省斗门水库工程位于西安市西郊沣河右岸原昆明池遗址,距西安市中心约20 km,斗门水库工程是引汉济渭输配水工程的调蓄水库,是以供水、改善生态环境为主,兼顾防洪等综合利用的平原水库。工程为Ⅲ等中型水利工程,库区岸线拟利用昆明池遗址考古岸线,水库总库容5052 万m3,库区总面积10.4 km2,库周总长14.9 km,按南北池布置,南、北池之间设双向挡水坝。

2 工程区地质条件

根据地质勘察成果,工程区所处地貌单元主要有渭河一级阶地及二级阶地；勘探揭示地表20 m～30 m 范围内砂层按照高程分布主要分为4 层,即395 m、390 m、385 m、380 m高程砂层。

根据砂层的分布高程、分布范围、累积厚度等,将库坝区分为六个区（分区见图1）。

图1 地质分区平面图

Ⅰ-1 区、Ⅰ-2 区：主要分布390 m 高程砂层和385 m高程砂层。本区两层砂层连通,中间粘性土层以壤土层为主。Ⅱ-1 区：主要分布390 m 高程砂层,西北侧穿过试验段延伸至库外。Ⅱ-2 区：主要分布390 m 高程砂层,连通性好,东北侧延伸至库外。Ⅲ区:主要分布385 m 高程砂层,连通性较好。Ⅳ区:主要分布385 m 高程砂层,为整层砂,连通性好,西南侧延伸至库外。Ⅴ区：主要分布385 m 高程砂层,连通性好,东南侧延伸至库外。Ⅵ区：本区无砂层分布,砂层不连续。

结合本次及前期钻孔揭示情况,在砂层分布最多及累积厚度最大的Ⅰ-1 区及Ⅰ-2 区,两层砂局部具连通性；在Ⅰ-1区及Ⅰ-2 区两区库区砂层在平面上分布不连续,呈透镜状、窝状；在竖向上砂层层位不稳定,分布规律性差,局部上下层贯通； Ⅰ、Ⅱ区砂层分布相对集中,地勘不建议采取垂直防渗措施。

3 已成试验段渗漏成果分析

3.1 试验段监测情况

2017 年 10 月 1 日,斗门水库一期工程（试验段）修建基本完成并对外开放。斗门水库试验段工程属北池库区的一部分,试验段库区面积0.53 km2,水面面积 0.47 km2。

根据2020 年7 月8 日～8 月20 日库水位资料,渗漏分析采用特殊时间段法,选取两个时段水库注水量为 0 的 2020 年7 月 11 日～7 月 14 日,7 月 20 日～7 月 21 日进行分析,规律如下：①12 日9 点至17 点,8 个小时库水位由3.49 m 降至3.48 m, 降 低1 cm；②12 日17 点 至13 日9 点,16 个小时库水位由3.48 m 降至3.47 m,降低1 cm；③20 日17 点至21 日9 点,16 个小时库水位由3.49 m 降至3.48 m,降低1 cm；7 月11 日中雨,库水位为3.49 m,7 月12 日、13 日晴天,为了简化分析,雨后两天不考虑绿化用水。从②③可以看出,晚上每8 个小时库水位降低0.5 cm,鉴于夜晚温度不高,蒸发量按0 考虑；试验段2017 年9 月蓄水,截止目前正常运行近3 年,渗漏已经趋于稳定,据此判断上午9 点至17 点,8 个小时渗漏量引起库水位下降应该是0.5 cm,蒸发引起的库水位下降应该也是0.5 cm。

综上分析, 试验段库水位平均每天下降约2 cm, 扣除0.5 cm 蒸发损失,斗门水库试验段由渗漏引起的库水位平均每天下降约1.5 cm。试验段水面面积约465577 m2,计算每日渗漏量约6984 m3,年渗漏量约255 万m3。

3.2 试验段渗漏量计算

3.2.1采用参数

计算所采用的筑坝土料和坝基岩土相关参数由《地质勘察报告》提供,根据室内试验成果,结合邻近类似工程相关资料,确定围坝渗流计算参数。

根据地勘提供的库区纵横剖面,库区15 m 深度范围内防渗土层有壤土、淤泥质土、黄土及粉质黏土,其中壤土占比约超过50%,不同岩性防渗土层中垂直渗透系数最小为1.5×10-5cm/s,最大为5.1×10-5cm/s,最大值与最小值之比为3.4,小于5。本次试验段计算原状土层垂直渗透系数采用5.1×10-5cm/s,砂层渗透系数采用3.2×10-2cm/s。

3.2.2计算结果

采用渗流场数值分析有限单元法,渗流分析采用南京水利科学研究院开发的《土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序》（DQB）进行计算。

试验段正常蓄水位400.49 m,下游与现状地下水位衔接。根据地勘提供的参数,计算试验段每日渗漏量为6055 m3,年渗漏量为221 万m3；根据观测资料计算每日渗漏量约6984 m3,年渗漏量约255 万m3。两种方法日渗漏量相差约929 m3,年渗漏量相差约34 万m3；经试算,采用“土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序（DQB）”计算的年渗漏量达到监测值255 万m3时,对应原状土综合渗透系数为1.0×10-4cm/s。

3.3 渗漏量分析

通过试验段监测资料及渗漏计算,监测数据计算的渗漏量与理论计算值基本相当,说明复核计算中防渗土层及砂层的渗透系数等指标参数采用地勘推荐值是合理的。但以观测资料计算的年渗漏量最大,为255 万m3,偏于安全考虑,北池渗漏计算原状土渗透系数采用试验段最大渗漏量反算的综合渗透系数1.0×10-4cm/s,砂层渗透系数采用本次试验值3.2×10-2cm/s。

4 天然防渗与防渗处理后渗漏量复核对比

4.1 天然状况下渗漏量复核

4.1.1计算工况

北池正常蓄水位400.49 m、设计洪水位400.79 m、校核洪水位400.90 m、死水位397.20 m,根据本工程水位自身特点,设计洪水位和校核洪水位与正常蓄水变化不大,且洪水历时较短,不会在堤坝内形成稳定渗流,故本次只对正常蓄水位工况下渗漏量进行了复核计算。

本次地勘在试验段地下水位变化调查的基础上,对蓄水后南北池库区地下水变化进行了分析预测,渗漏量计算中坝后水位采用正常蓄水位运行工况下预测水位。

4.1.2采用参数

筑坝土料渗透系数计算采用5×10-6cm/s；坝基及库区土层渗透系数采用试验段观测渗漏量反演的综合渗透系数1.0×10-4cm/s,中砂层渗透系数采用3.2×10-2cm/s。

4.1.3 计算方法及典型断面

采用渗流场数值分析有限单元法,渗流分析采用南京水利科学研究院开发的《土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序》（DQB）进行计算。

断面选取根据坝址地形、坝基地质条件,共选取八个具有代表性的计算断面,分别为北池0+680.00、北池2+968.00、北池4+468.00、北池5+000.00、北池6+360.00、北池7+040.00、北池8+500.00、北池9+100.00。

计算结果可知,北池年渗漏量为664 万 m3,年渗漏量占北池库容2045 万m3的32.5%。

4.2 库底采用防渗措施处理情况下渗漏量复核

4.2.1防渗设计方案

北池围坝坝坡前设置水平铺盖,长30 m,厚度1.0 m；结合地质资料北池Ⅰ区域库底及迎水岸坡防渗层采用1.5 m 厚的翻夯土；Ⅱ区库底采用1.0 m 厚的翻夯土,迎水岸坡防渗层采用1.5 m 厚的翻夯土；Ⅲ区域库底及迎水岸坡防渗层采用1.0 m 厚的翻夯土；Ⅳ、Ⅵ区迎水岸坡防渗层采用1.0 m厚的翻夯土,其他区域采用0.6 m 厚的翻夯土；原设计坝前水平铺盖长度30 m 维持不变,水平铺盖厚度1.0 m,此厚度小于以上区域翻夯厚度时,取翻夯厚度。施工中要求先下挖至各分区翻夯底高程,开挖底面经压实后采用原土翻夯至库底设计高程。翻夯碾压后土的渗透系数不大于5×10-6cm/s。翻夯范围内砂层出露部位或土料质量技术指标不符合要求时,可根据厚度及范围采用全部挖除后壤土换填或铺设土工膜。

北池库底面积531.88 万m2,1.5 m 翻夯区域面积为50.72 万m2,占库底面积9.54%；1.0 m 翻夯区域面积为69.69 万m2,占库底面积13.1%；0.6 m 翻夯区域面积为360.5 万m2,占库底面积67.78%。

4.2.2渗漏计算结果

计算坝体、迎水岸坡、库底翻夯区渗透系数采用5×10-6cm/s。坝基及库区原状土层渗透系数采用试验段观测渗漏量反演的综合渗透系数1.0×10-4cm/s,中砂层渗透系数采用3.2×10-2cm/s。

在考虑防渗措施情况下,北池围坝的渗流计算结果见表1。

根据表1 计算结果可知,考虑防渗措施后北池年渗漏量为314 万m3,年渗漏量占北池库容2045 万m3的15%。

表1 北池围坝渗流计算成果表

续表1

4.3 防渗处理影响分析

根据本次及前期地质勘察成果,工程区库底地层主要为壤土层及粉质粘土层,中间夹多层砂层；砂层是影响库区渗漏的主要地层；虽按勘探揭示砂层的空间分布将工程区划分为6 个区,但库区砂层在平面上分布不连续,呈透镜状、窝状；在竖向上砂层层位不稳定,分布规律性差,局部上下层贯通；Ⅰ、Ⅱ区砂层分布相对集中。因此不采取垂直防渗措施。

本次设计根据地勘成果,库区范围内土层渗透系数为1.9×10-5cm/s～5.1×10-5cm/s,各层土渗透系数基本相当,垂直截渗不能形成封闭体,采用截渗防渗意义不大,因此,本阶段从防渗材料的耐久性、施工工艺利求简单、投资节约等因素考虑采用换填土料进行水平防渗。针对不同分区采用水平防渗处理措施。

5 结语

目前水利工程与城市水资源利用结合越来越紧密,工程防渗直接影响城市发展。 要求防渗方案更加合理有效将水利和生态系统相结合,充分利用雨洪资源。对营造城市滨水景观、提升城市品位,同时对提高城市供水保证率具有十分重要的作用。