玉灘水庫壩址滲漏對水庫安全的影響研究

廖方元

（四川省水利水電勘測設計研究院勘測分院，四川 成都 610500）

隨著水庫蓄水后，水庫水位升高，水庫內(nèi)外的水力坡度逐漸增大，由此導致庫水經(jīng)壩基和壩肩巖體、土體中的裂隙、孔隙、破碎帶或巖溶通道向壩下游滲漏,該現(xiàn)象稱為壩基或繞壩(壩肩)滲漏。壩址滲漏是玉灘水庫工程主要的地質(zhì)問題，壩址滲漏不僅影響玉灘水庫工程的效益、壩體的穩(wěn)定性，還會產(chǎn)生環(huán)境問題[1]。

玉灘水庫壩址滲漏是建設過程中主要關注的問題，現(xiàn)在，壩基滲漏計算方法主要有斷面流量法和數(shù)值法。斷面流量法是依據(jù)達西定律，計算通過壩下地基斷面的流量。數(shù)值法主要采用二維滲流模型和三維滲流模型[2]進行模擬計算。

玉灘水庫區(qū)覆蓋層與基巖均屬透水巖體，水庫蓄水后庫區(qū)水位隨即抬升，增大了水庫水力坡度，由此導致壩址滲漏，滲透不僅影響水庫整體的安全性和穩(wěn)定性，還會對水庫壩址環(huán)境的水文、地質(zhì)等產(chǎn)生后遺問題，從而降低到水庫的整體效益。本文利用MODFLOW地下水模擬軟件對水庫壩址滲漏進行模擬分析。

1 工程概況

玉灘水庫位于重慶市大足區(qū)境內(nèi)，灌溉面積為32.84萬畝，是重慶市境內(nèi)的一座大（二型）水庫。玉灘水庫工程的主要任務是農(nóng)業(yè)灌溉及城鄉(xiāng)供水。2011年，玉灘水庫工程實現(xiàn)下閘蓄水；2012年9月，樞紐工程以優(yōu)良的評價完成竣工及水保、檔案等全部單項驗收。

水庫總庫容量由2360萬m3擴建至14960萬m3（大二型水庫）。灌溉面積為32.84萬畝，其中改善灌溉面積18.27萬畝，新增灌溉面積14.57萬畝。供水人口59.1萬人，按95%的保證率供生活和工業(yè)用水6118萬m3。玉灘水庫正常蓄水位海拔高度358.5 m，相應庫容1.321億m3，校核洪水位353.31 m，總庫容1.496億m3。水庫設計洪水標準為100年一遇洪水，洪峰流量為2230 m3/s；校核洪水標準為2000年一遇洪水，洪峰流量為4270m3/s。

玉灘水庫樞紐建筑物主要由主壩、副壩、溢洪道及左、右岸灌溉引水隧洞組成。水庫工程主壩推薦壩型為瀝青心墻石渣壩，泄洪建筑物布置于左岸香爐石山左側(cè)埡口處，灌溉引水隧洞分別布置在主壩左、右兩岸，主壩壩址右岸埡口處布置7座漿砌石副壩。樞紐主要建筑物主壩、副壩、溢洪道、右岸灌溉引水隧洞為2級建筑物，其他次要建筑物為3級，左岸灌溉引水隧洞及其進水口按3級建筑物設計，泵站工程等別為Ⅳ等，建筑物級別為4級。

2 水庫壩址區(qū)地質(zhì)條件

玉灘水庫位于四川盆地東南部，水庫壩址以出露為主要的基巖構成，其出露基巖地層主要是中生界侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組上段紅色碎屑巖，根據(jù)巖性組合特征可以劃分為7層，而壩址區(qū)出露第2至第5層。該水庫壩址含水層地下水為基巖下的地下裂隙水，而且形成這種基巖下的地下裂隙水的主要原因是因為基巖風化帶開裂，進而導致水庫區(qū)地下水源集成[3]。

3 壩址滲漏計算

壩址滲漏按其發(fā)生滲漏部位又可分為壩基滲漏和繞壩滲漏兩種類型。其中壩基滲漏是指通過壩基覆蓋層及透水巖體向下游發(fā)生滲漏；繞壩滲漏是指繞過兩岸壩肩向下游發(fā)生滲漏。使用解析法可以計算得到壩基滲漏量和左右兩岸繞壩肩滲漏量。

3.1 壩址壩基滲漏量計算

水庫壩址壩基滲漏量計算公式為：

式中：Q為水庫壩址滲漏量，m3/d；K為巖體滲漏系數(shù)，m/d，取0.1 m/d；b1為過水斷面寬度，m，取5 m；H為水庫壩址滲漏水頭損失，m，為27.8 m；H1為過水斷面最大值，m，取40 m；h1為過水斷面最小值，m，取0 m；J為水庫壩址水力坡度，m；L為水庫壩址滲漏凈長，m，約為9.7 m。

水庫的正常蓄水位(海拔高度)是358.5 m,下游河水位是330.7 m；根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料,經(jīng)計算，四川紅層區(qū)玉灘水庫的壩址壩基滲漏量Q為121.3 m3/d，,約4.4×10 m4/a。

3.2 壩址繞壩滲漏量計算

水庫壩址繞壩滲漏量計算公式為：

式中：Q為水庫壩址滲漏量，m3/d；K為巖體滲漏系數(shù)，取0.1 m/d；H為有效水頭高度，為27.8 m；H1為水庫水位高出隔水層的高度，為45m；h1為河流水邊線的含水層厚度，為5 m；r為水庫壩址繞壩滲流半徑，為10 m；b為水庫壩址沿岸滲流長度，m，b＝L／π，L 取 65 m，。

經(jīng)計算，壩址繞壩肩滲漏量Q為16.1 m3/d，即0.59X104m/a,兩壩肩總滲漏量總計為1.17×104m3/a。

3.3 壩址滲漏程度分析

由以上計算結果可知，該水庫樞紐大壩的總滲漏量為壩基滲流量與繞壩滲流量之和QL=5.60×104m/a。

依據(jù)工程地形圖,勾勒出庫區(qū)四周的分水嶺位置,得到庫區(qū)匯水面積A=755.4×104m2,而研究區(qū)年平均降雨量P=1063 mm。在極限情況下,若認為所有降雨都形成產(chǎn)流,匯集后向出口排泄,則出口斷面徑流量Q=803.0×104m3/a。

壩滲流總量與徑流量之比(QL/Q0）=0.7%，根據(jù)《水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 373-2007)的規(guī)定，總滲流量小于河流多年平均流量的3%,為輕微滲漏水庫,滲流對壩基穩(wěn)定性影響較小。

4 水庫壩址區(qū)滲漏分析

4.1 建模

MODFLOW地下水模擬軟件是三維地下水計算模擬軟件之一，展示出來的有限差分法便于人們對水庫壩址區(qū)滲漏情況進行了解，使水庫壩址區(qū)滲漏在現(xiàn)實條件下模擬軟件中得到建設。

通過MODFLOW地下水模擬軟件建設出天然水流狀態(tài)時的蓄水情況以及水庫壩址建成后的蓄水情況，將模擬區(qū)的邊界抽象條件變化為直觀可見的概念結構。天然水流邊界概化，見圖1，水庫壩址建成后的邊界概化，見圖2。

圖1 天然水流邊界概化

圖2 水庫壩址建成后的邊界概化

地下水模擬軟件清晰的展示了水庫壩址建成后正常的蓄水工作狀況，由圖2反應了四川紅層區(qū)玉灘水庫的壩址低滲的區(qū)域，集中在壩上邊墻體邊界。

4.2 模擬結果分析

4.2.1 地下水滲流場分析

對比天然狀態(tài)和正常蓄水情況的滲流場平面等直線圖（圖3）可以看出:（1）天然無壩情況下，壩址區(qū)段河谷滲流場主要由兩岸較高的地下水位向河谷滲透形成。滲流場受地形控制明顯,近河谷地帶坡度陡,水力梯度也較大,離河谷距離增加水力梯度變緩。（2）蓄水后在上下游水位差的作用下,庫水的滲漏主要是繞壩基滲漏,以及在大壩兩側(cè)產(chǎn)生的繞壩滲流。

圖3 壩區(qū)地下水滲流場平面圖（模型第2層）

由圖4、圖5可以看出,水庫蓄水使得區(qū)域地;下水水位總體上有一定抬升。模擬設置的觀測孔抬升水位1.0 m～6.7 m不等。總體上，上游抬升幅度大于壩軸線,而壩軸線又大于下游；壩右岸抬升幅度又大于左岸。從壩軸線和壩上游200 m剖面看,離沖溝越近水位抬升幅度越大；而壩下游200 m觀測剖面,離沖溝越遠水位抬升幅度越大。這是由于大壩擋水，地下水繞壩滲流的結果。

圖4 天然條件下滲流場剖面圖（模型第15列）

圖5 正常蓄水工況下滲流場剖面圖（模型第15列）

4.2.2 滲漏量計算

在模型中,通過設置均衡域來進行滲流量的計算。分別設置了壩基滲流均衡域、左壩肩均衡域和右壩肩均衡域3個計算區(qū)域(圖6)。其中壩基滲流均衡域貫穿模型，所以在模型的5個層上均有賦值;左右壩肩僅涉及到模擬的第1、第2層。模擬結果見圖7。

圖6 水均橫區(qū)設置平面示意圖

圖7 模擬滲流量柱狀圖

對比解析法與數(shù)值法2種方法計算得到的滲漏量（表1）,壩基滲漏數(shù)值模擬得到的結果偏大；而2種方法對左右壩肩滲漏量的計算總量一致,數(shù)值模擬結果右壩肩偏小，左壩肩偏大；所以總滲漏量數(shù)值模擬計算的結果大于解析法。但總體上誤差較小,驗證了模型的有效性。滲漏對于大壩穩(wěn)定性影響有限[4]。

表1 兩種方法滲透量對比 單位：(m3/d)

5 結論

運用解析法與數(shù)值法預測了壩址滲漏量,兩者預測結果較為接近,可以相互印證，表明在均質(zhì)介質(zhì)中能較好地預測水庫滲漏量。計算該水庫總滲漏量為（5.60～6.86）×104m3/a，四川紅層區(qū)水庫壩址的滲漏占所在河流平均量的3%，水庫壩址存在輕微的滲漏情況，不會對水庫壩基的穩(wěn)定性、安全性造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。