黃土地區(qū)調(diào)蓄池滲漏分析

李 鵬

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 712000）

黃土地區(qū)調(diào)蓄池滲漏分析

李 鵬

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 712000）

黃土地區(qū)調(diào)蓄水池的新建越來越多，其滲漏特性、滲漏計算及防滲處理問題亟需解決。通過對陜北定邊縣陡溝調(diào)蓄池黃土庫區(qū)地質(zhì)條件說明、滲漏類型識別、滲漏原因分析及滲漏方法計算，認為黃土地區(qū)調(diào)蓄池滲漏損失量主要以前期對庫底及庫周土層的飽和需水量為主，滲漏類型主要為臨時滲漏，而后期土層飽和后滲漏即永久滲漏量對庫區(qū)蓄水影響不大。進而提出通過引水工程取用臨時滲漏量，對地下水取用困難的永久滲漏型水庫進行防滲處理。

黃土地區(qū)；臨時滲漏；永久滲漏；分析

陡溝調(diào)蓄池位于定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)陡溝村以西天然凹地處，為鹽環(huán)定定邊供水提升改造工程的調(diào)蓄水池，是以供水為主的Ⅳ等?。?）型工程，總庫容963萬m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。堤型為土堤，正常蓄水位高程1510 m，最大堤高40 m[1]。

與常規(guī)峽谷型水庫不同，陡溝蓄水池為黃土地區(qū)蓄水池，其主要滲漏為前期對庫底土的飽和需水量，飽和后滲漏量很小，而水庫建成蓄水僅飽和庫底黃土層就需要大量的水，從而形成了滲漏問題，如有大裂縫存在，滲漏將更加嚴重，如富平縣街子水庫，每日滲漏3萬～5萬m3，對于干旱區(qū)中小型水庫，滲漏量較為客觀。本文通過陡溝調(diào)蓄池庫區(qū)滲漏量進行計算，論述該類庫區(qū)滲漏問題評價中的計算方法，為今后黃土地區(qū)調(diào)蓄水池滲漏量的計算提供參考依據(jù)。

1 蓄水池區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

蓄水池位于鄂爾多斯地臺斜向的陜北臺凹，屬陜甘寧盆地中部盆地形平原，為下白堊系向斜部分，呈單斜構(gòu)造。池區(qū)地貌主要為堆積侵蝕黃土斜坡及風(fēng)洪積平原，其中黃土斜坡以5°～10°的緩坡逐漸過渡到平原。

1.2 地層巖性

池區(qū)地面高程1492～1510 m，溝內(nèi)坡降0.05，兩側(cè)邊坡較緩，出露地層主要為第四系黃土、黃土狀土及砂壤土層，其中黃土及黃土狀土層土質(zhì)均一，主要分布在庫區(qū)兩岸，砂壤土層主要分布于溝心，根據(jù)地質(zhì)勘察溝心部位上覆土層厚度在40 m左右，地層單一，下覆白堊系涇川組砂泥巖層。

1.3 水文地質(zhì)

工程區(qū)為干旱的大陸性氣候，降雨量少，蒸發(fā)量大，地下水主要受大氣降水補給，池區(qū)目前為一干溝，無流水，勘探點揭示70 m范圍內(nèi)未見地下水位，蓄水后主要持水層為黃土層孔隙及裂隙。

1.4 巖土層滲透系數(shù)

通過對各巖土層進行室內(nèi)試驗分析，上覆黃土、黃土狀土、砂壤土層滲透系數(shù) K=2.0×10-5～9.45×10-5cm/s，屬微透水性，孔隙率n=43%～51%，飽和度Sr=17.4%～52.5%。

2 池區(qū)滲漏問題分析

2.1 滲漏類型分析

根據(jù)池區(qū)地形條件，池區(qū)黃土粱峁兩岸有低鄰谷分布，左岸為陡溝，右岸為泉子溝，兩岸鄰谷分布如圖1，對池區(qū)鄰谷滲漏分析如下：

圖1 鄰谷分布示意(圖中兩岸水位高程為推測水位)

（1）陡溝調(diào)蓄池與陡溝鄰谷間黃土粱寬度相對較窄處正常蓄水位1510 m處，寬度約500 m，與泉子溝寬度約400 m，陡溝調(diào)蓄池溝谷底高程1475～1510 m，陡溝溝谷底高程1460～1465 m，泉子溝溝谷底高程1440～1450 m。

（2）根據(jù)野外調(diào)查，陡溝調(diào)蓄池與陡溝、泉子溝溝道內(nèi)無常流水，枯水期地下水位低于溝底，據(jù)溝谷間農(nóng)戶家機井調(diào)查結(jié)果顯示，鄰谷間黃土梁存在地下分水嶺，但低于正常蓄水位。

（3）分水嶺處地層結(jié)構(gòu)可分為兩層，上部為第四系中上更新統(tǒng)風(fēng)、洪積黃土狀壤土夾古土壤，下部為白堊系K1z6泥巖、砂巖，基巖分布高程1430～1440 m，低于水庫正常蓄水位。

（4）黃土滲透系數(shù) 3.71×10-5cm/s＜1×10-4cm/s，屬于弱透水層；黃土狀壤土滲透系數(shù) 7.45×10-5cm/s＜1×10-4cm/s，屬于弱透水層。

經(jīng)過對分水嶺地形地貌、地層結(jié)構(gòu)以及地層滲透性的綜合分析，鄰谷滲漏對水庫蓄水影響較小，水庫蓄水初期存在暫時性滲漏，但水庫永久滲漏輕微，對水庫蓄水運行影響不大。

2.2 庫區(qū)臨時滲漏及其滲漏量計算

由于池區(qū)溝谷均為干溝，缺少季節(jié)性河流，為解決其缺水問題，利用池區(qū)洼地做水庫盆地，蓄積外來引水，庫身全部坐落于黃土中，根據(jù)前述基本地質(zhì)條件，地下水位埋深較大，庫底主要組成為Q3eol黃土、Q2eol+pl黃土狀壤土夾古土壤及Q3al+pl砂壤土，根據(jù)試驗結(jié)果，滲透系數(shù)為2.0×10-5～9.45×10-5微透水，可不考慮蓄水后堤基及堤肩滲漏問題，含水率w=5.9%～13.3%，飽和度Sr=17.4%～52.5%,含水率較低，且遠未飽和。

臨時滲漏主要發(fā)生在蓄水初期，為浸潤庫底黃土層滲漏類型。其滲漏原因主要由于黃土飽和差較大，存在較大負壓，飽和庫底的黃土層需要大量水，時間較長，滲漏主要補給浸潤庫底黃土層，如圖2。當(dāng)下滲水的鋒面達到地下水面或不透水層，該階段的滲漏結(jié)束。

圖2 庫水對圍堤區(qū)黃土層的浸潤

根據(jù)勘探調(diào)查，池區(qū)黃土均質(zhì)，地下水基本水平，水庫蓄水后滲漏是垂直的，當(dāng)滲透鋒面達地下水面或不透水層時，浸潤線輪廓在橫斷面如圖3，根據(jù)水面寬度、蓄水深度和入滲深度的不同，可將庫底劃分為若干計算段，根據(jù)《黃土地區(qū)工程地質(zhì)》中關(guān)于浸潤庫底黃土層滲漏量的計算公式[2]其浸潤飽和庫底滲漏量為：

式中：Vi為第 i段飽和庫底滲漏量，m3；bi為第 i段水面寬度，m；Hi為第i段水庫平均水深，m；hi為第i段庫底以下非飽和黃土厚度，m；Li為第i段長度，m；μ0i為第i段庫底黃土飽和差，可取黃土飽和含水量與自然含水量之差，以體積比記為孔隙度n與天然體積含水量之差；a為浸潤輪廓向外擴散以H計的倍數(shù)，一般取3～4。根據(jù)以上公式計算如表1，示意圖如圖3。

圖3 圍堤區(qū)浸潤庫底黃土層滲漏總量計算示意圖

表1 圍堤區(qū)浸潤庫底黃土層滲漏量計算

根據(jù)計算結(jié)果可知，使庫底飽和共需水量約1070.8萬m3，蓄水前期每日滲漏量為1.43萬m3，占每日補給水量的20%左右，經(jīng)過約2.05年可完成該飽和過程。

2.3 庫區(qū)永久滲漏及滲漏量計算

庫區(qū)浸潤臨時滲漏完成后，隨著時間的延長，滲流水向外擴散，隨著時間延長，滲流水向外擴散越遠，滲流量在不斷減小，并最終形成穩(wěn)定滲流（圖 4），即水力坡降隨時間增長而變小，根據(jù)同類水庫運行特點，可用體積法估算其滲漏量，根據(jù)達西定律簡要計算其滲流量見表 2。

圖4 圍堤區(qū)永久滲漏計算示意

表2 庫底黃土層飽和后圍堤區(qū)滲漏量計算

根據(jù)設(shè)計提供資料，引水管流量為0.8 m3/s，每日滲漏量占補給量的2%左右，對庫區(qū)蓄水影響不大。

3 滲漏損失及防滲處理

3.1 滲漏損失評價

由于黃土導(dǎo)水性小，滲透性不大，故陡溝水庫鄰谷滲漏損失對庫區(qū)蓄水影響不是很大；鄰谷滲漏通過黃土地層的滲漏量雖然不大，但長期浸滲，鄰谷斜坡黃土層中固體顆粒間的膠結(jié)物軟化、溶解和流失，有可能在水動力作用下，土顆粒逐漸被水流帶出，發(fā)生管涌?；蛘哙徆刃逼曼S土在滲漏水流浸潤后，抗剪強度大大降低，使鄰谷岸坡產(chǎn)生滑坡，再加上鄰谷滲漏地段有嚴重塌岸的可能，使得滲漏途徑縮短，滲漏量不斷加大，而滲漏的加大，又進一步增添了鄰谷岸坡的不穩(wěn)定因素?？傊?，黃土梁構(gòu)成的水庫鄰谷滲漏，即使?jié)B漏量不大，也應(yīng)考慮防滲處理。

黃土地區(qū)臨時滲漏量較大，但從水資源綜合利用考慮，可認為其滲透到有限范圍內(nèi)，把地表水作為地下水儲存起來，只是改變了水的蓄存方式，并未造成滲漏損失，在使用時可通過井抽取一部分，目前，國內(nèi)都有尋找適宜條件，修筑人工補水的地下水庫儲存水源以防止其被大量蒸發(fā)的實例。

3.2 防滲處理

鄰谷滲漏的防滲處理應(yīng)與塌岸處理同時考慮，清除岸坡疏松坡積堆積物，如鄰谷原岸坡過陡，應(yīng)適當(dāng)削坡。

對陜北地區(qū)，引入水源貧乏，當(dāng)庫底滲漏量大，不能發(fā)揮蓄水效益，且地下水取用困難時，應(yīng)對庫底進行防滲處理。處理方法是先蓄水一兩次，等庫水干后，填塞構(gòu)造裂縫和濕陷裂縫，再整理庫底進行原土翻壓，或塑料薄膜防滲處理。

4 結(jié)語

蓄水池滲漏問題是蓄水池重要的工程地質(zhì)問題，黃土地區(qū)蓄水池滲漏主要在前期臨時滲漏，應(yīng)視其滲漏量大小、補水、取用難易程度等進行區(qū)別對待，采取對應(yīng)的防滲措施。

[1]李鵬,王德輝等.陡溝調(diào)蓄池工程工程地質(zhì)勘察報告[R].陜西西安：陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，2017.

[2]喬平定,李增均.黃土地區(qū)工程地質(zhì)[M].北京:水利水電出版社，1990

TU991.13

B

1673-9000（2017）05-0125-03

2017-05-20

李鵬（1985-），男，山西晉中人，工程師，主要從事水利電力勘測設(shè)計工作。