南門外水庫(kù)防滲加固必要性與方案選擇的探討

紀(jì) 源 ， 袁 哲

（1.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110866）

0 引言

水庫(kù)作為一項(xiàng)重要的水利工程設(shè)施， 庫(kù)區(qū)的面積一般較大、地質(zhì)構(gòu)造及運(yùn)行環(huán)境都比較復(fù)雜，其特點(diǎn)決定了完全不漏水的水庫(kù)是不存在的。 但是， 一旦滲漏問題嚴(yán)重就會(huì)影響水庫(kù)的正常蓄水與興利運(yùn)用， 造成水資源的無(wú)故浪費(fèi)并影響壩基穩(wěn)定。 一般來(lái)說，水庫(kù)的滲漏總量（包括壩區(qū)的滲漏量）小于該河流多年平均流量的5%，或滲漏量小于該河流段平水期流量的1%—3%[1]， 就能夠保證水庫(kù)的正常興利運(yùn)用， 對(duì)于滲漏量過大的水庫(kù)則需要通過防滲加固工程來(lái)保證水庫(kù)的正常運(yùn)行。

南門外水庫(kù)上一次除險(xiǎn)加固工程于2010 年竣工，工程建設(shè)完成后進(jìn)行了一次蓄水，因滲漏原因未能成功。 由于該水庫(kù)不具備滲流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，因此采用滲流的有限元數(shù)值方法對(duì)其滲流量進(jìn)行計(jì)算分析， 做為南門外水庫(kù)防滲加固必要性與防滲加固型式選擇的依據(jù)。

1 工程概況

南門外水庫(kù)壩址建于林西縣林西鎮(zhèn)東南6km河沿村， 坐落在遼河流域西拉木倫河水系查干沐淪河支流嘎斯汰河右岸， 為嘎斯汰河中下游一座攔河蓄水及旁引屯蓄相結(jié)合的?。?）型水庫(kù)。 水庫(kù)以上流域地形屬低山丘陵區(qū)和沙丘區(qū)， 林草覆蓋率較低，植被條件一般，地形變化不大，多為沙丘、沙包，丘陵起伏，徑流的主要來(lái)源為降水，水土流失較為嚴(yán)重。 水庫(kù)引水渠由嘎斯汰河1#橡膠壩上游延伸至庫(kù)尾，全長(zhǎng)4.5km，現(xiàn)狀為梯形斷面明渠。大壩型式為土石壩，防滲體為上游壩坡15cm 厚的混凝土防滲板， 同時(shí)壩腳設(shè)水平土工膜防滲鋪蓋長(zhǎng)度為45m。

南門外水庫(kù)興利調(diào)度的任務(wù)主要是利用水庫(kù)來(lái)調(diào)蓄水量， 該水庫(kù)的運(yùn)行模式為攔河蓄水及旁引屯蓄相結(jié)合， 水庫(kù)引水口在嘎斯汰河1＃ 橡膠壩，利用1# 橡膠壩上游進(jìn)水閘按計(jì)劃旁引屯蓄嘎斯汰河水。 每年5 月中旬，橡膠壩充水起壩袋，汛期6 月20 日至8 月20 日橡膠壩塌壩度汛， 這期間水庫(kù)基本不在引水，8 月20 日至9 月20 日如河道有來(lái)水橡膠壩再次起壩引水， 汛期期間水庫(kù)補(bǔ)水根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和雨情情況擇機(jī)起壩引水。 汛期雨量充沛時(shí)水位最大蓄至784.02m，多余水量?jī)A瀉至下游。 水庫(kù)滲漏問題得到解決后，通過攔河蓄水及旁引屯蓄相結(jié)合的方式，可以有效節(jié)約資源，緩解該地區(qū)水資源的供需矛盾。

2 地質(zhì)條件概況

南門外水庫(kù)壩址區(qū)河谷為不對(duì)稱的U 型谷，河谷平坦、開闊，寬約750m。 兩岸山坡較緩，岸坡巖性主要為第四系坡洪積砂土、黏性土等。 工程水文地質(zhì)勘察期屬平水期， 天然地面以下地下水埋深約5—6m。 地下水類型為第四系潛水，主要接受大氣降水補(bǔ)給，并以地下徑流的方式排泄，主要含水層為卵石層，屬?gòu)?qiáng)透水。

根據(jù)南門外水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探成果顯示， 壩址區(qū)域地層巖性主要包括第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4apl）砂土、中更新統(tǒng)冰積（Q2gl）砂卵礫石及黏性土、侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組（J3t）凝灰?guī)r等，且水庫(kù)大壩基礎(chǔ)存在孔隙率大的松散砂、 卵礫石層以及其他強(qiáng)透水帶， 地基的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件就地面蓄水來(lái)說存在天然缺陷。 同時(shí)，南門外水庫(kù)大壩采用的是土石壩， 當(dāng)前大壩上游防滲面板厚度已不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，構(gòu)成壩體的介質(zhì)主要是碎石，在應(yīng)力和水庫(kù)蓄水的作用下極易發(fā)生壩體和壩基的滲漏，且存在使水庫(kù)大量漏失、揚(yáng)壓力超限和軟弱透水層出現(xiàn)管涌等滲透變形的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3 滲流問題的有限元計(jì)算

3.1 滲流基本定律

實(shí)際的地下水流只出現(xiàn)于固態(tài)的石頭以及巖土粒子之間的孔隙之內(nèi)， 因此深入研究大壩地基的空隙以及裂縫中的地下水運(yùn)動(dòng)狀況是非常艱難的。 為了方便科學(xué)研究，我們便把對(duì)壩基滲流介質(zhì)的研究簡(jiǎn)化為對(duì)連續(xù)性多孔介質(zhì)的研究， 探究均勻滲透規(guī)律的特征。 達(dá)西最早是在圓管中開展的有關(guān)滲流量實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究， 并提出了有名的達(dá)西定律： 滲透速率與斷面積和水頭損失成正比率關(guān)系，與滲透路線長(zhǎng)度成反比率關(guān)系。

式中：v滲透速度，m/s；Q滲透流量，m3/s；J—J=H/L，H為水頭，L為滲徑長(zhǎng)度，m；A滲流方向的截面積，m2；k土的滲透系數(shù)。

達(dá)西定律研究的這種假想流動(dòng)形式叫做滲透性流動(dòng)，又稱滲流假想流動(dòng)，所占有的空隙范圍叫做滲流范圍或者滲流場(chǎng)，關(guān)于這種流動(dòng)有如下假定：

（1）它經(jīng)過任何斷面的流速，和實(shí)際水流經(jīng)過同一斷面的流速都相同；

（2） 它在任何斷面上的壓強(qiáng)或水頭應(yīng)小于其實(shí)際流動(dòng)的壓強(qiáng)或水頭；

（3） 它在任何介質(zhì)孔隙內(nèi)所受到的阻礙都應(yīng)小于在實(shí)際流動(dòng)中受到的阻礙。

3.2 有限元計(jì)算方法

土石壩滲流問題的有限元計(jì)算采用單元離散化方法。 首先將計(jì)算區(qū)域劃分為多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子區(qū)域（即受限單元），然后將要計(jì)算的水頭函數(shù)替換為單元內(nèi)連續(xù)的子分區(qū)近似函數(shù)， 結(jié)合多項(xiàng)式插值法，來(lái)構(gòu)造單元的近似水頭函數(shù)表達(dá)式。

求解表達(dá)式時(shí)先將區(qū)域離散化， 然后再分成若干個(gè)單元，以建立等參數(shù)有限元的流形函數(shù)，然后針對(duì)任何一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)， 都能夠建立一個(gè)代數(shù)方程組。 如此一來(lái)，求解水頭函數(shù)的微分方程問題也將變成求解線性代數(shù)方程的問題。

目前對(duì)滲流問題的解決算法和軟件系統(tǒng)也有很多，如Ansys、flac、理正巖土等計(jì)算分析軟件系統(tǒng)等等。 本文采用理正巖土計(jì)算分析軟件 （學(xué)習(xí)版）， 應(yīng)用二維有限元模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)值運(yùn)算，對(duì)解析對(duì)象的特性以及工程設(shè)計(jì)的合理化等作出剖析、評(píng)價(jià)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)與優(yōu)化，這也正是開展有限元分析的主要目的所在。 計(jì)算過程中先進(jìn)行.dxf 格式模型的繪制，然后再讀進(jìn)滲流模塊計(jì)算軟件中；自動(dòng)生成浸潤(rùn)曲線（面）等勢(shì)線、流線、浸染線及其彩色應(yīng)力場(chǎng)、 計(jì)算結(jié)果曲線面積和滲流量、滲流出口比降等。

3.3 計(jì)算邊界參數(shù)界定

南門外水庫(kù)大壩防滲體為上游壩坡15cm 厚的混凝土防滲板，屬于非土質(zhì)防滲體，同時(shí)壩腳設(shè)水平土工膜防滲鋪蓋。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，大壩主體填筑土為非防滲體，滲透系數(shù)較大，結(jié)合原位測(cè)試成果和室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，給出填筑土內(nèi)摩擦角建議值為29°，滲透系數(shù)建議值為2.315×10-2cm/s（20m/d）＞1×10-4cm/s。 大壩現(xiàn)狀上游壩坡防滲混凝土板存在裂縫和孔洞， 部分混凝土板縫間止水缺失， 其防滲方式已不能滿足土石壩或面板堆石壩現(xiàn)行規(guī)范的要求。 因此將混凝土防滲板滲透系數(shù)進(jìn)行折減， 將防滲體的折減系數(shù)取為0.2 進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探成果揭露，各巖土層滲透系數(shù)采用表1 中建議值， 各地層巖性詳述如下：

表1 壩址各巖土層滲透系數(shù)建議值統(tǒng)計(jì)表

第①層：含細(xì)粒土砂（中砂），白色～黃褐色，稍濕，松散，主要礦物成分為石英和長(zhǎng)石，含泥量較高，局部夾有泥塊。分選性較好，級(jí)配較差。本層巖性成分與大壩填筑土相同。第①-1 層：低液限黏土（粉土），黃褐色，稍濕，密實(shí)。

第②層：含細(xì)粒土砂（中砂），白色-黃褐色，濕，中密-密實(shí)，主要礦物成分為石英和長(zhǎng)石。 分選性較好，級(jí)配較差。

第③層：級(jí)配不良礫（卵石），雜色，濕～飽和，密實(shí)。 磨圓較差，礫石主要呈次棱角狀，粒徑多在5cm 以上，鉆進(jìn)過程中多見超徑者，礫石巖性可見安山巖、英安巖和凝灰?guī)r等。

第④層：低液限黏土（粉質(zhì)黏土），黃褐色，硬塑，具中等壓縮性，層間局部夾有礫石，粒徑多不足2cm。

第④-1 層：含細(xì)粒土砂（細(xì)砂），黃褐色，飽和，密實(shí)，主要礦物成分為石英和長(zhǎng)石。 分選性較好，級(jí)配較差。

第⑤層：凝灰?guī)r，紫紅色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要由火山灰組成。 強(qiáng)風(fēng)化為主，呈碎塊狀。

4 結(jié)果與討論

4.1 不同工況下滲流

將現(xiàn)狀壩體計(jì)算參數(shù)帶入有限元模型，區(qū)域離散化示意圖見圖1，流網(wǎng)計(jì)算結(jié)果示意圖見圖2。 根據(jù)滲流有限元的計(jì)算成果，壩基滲流量按正常蓄水水位計(jì)算為10.66×104m3/d（計(jì)算長(zhǎng)度取垂直主河槽長(zhǎng)度720m），而水庫(kù)總庫(kù)容為150.24×104m3，按照計(jì)算結(jié)果推算， 水庫(kù)蓄水速度大于壩址滲流速度，但是滲流量極大，無(wú)法起到興利運(yùn)用的效果。 由于壩腳順河鋪設(shè)作為壩基防滲，土工膜長(zhǎng)度為45.0m，所以工程現(xiàn)狀滲流量大的原因可能是土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度不夠，因此無(wú)法達(dá)到理想的防滲效果。

圖1 區(qū)域離散化示意圖

圖2 流網(wǎng)計(jì)算結(jié)果示意圖

為了驗(yàn)證這一假設(shè)， 將上游壩腳土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度分別取為100m、150m、200m， 帶入有限元模型，進(jìn)行正常蓄水位下滲流量的有限元計(jì)算。 然后明確需要對(duì)比的指標(biāo)為壩基滲流量， 將不同工況下的布置型式繪制成.dxf 格式模型，分別帶入相同的有限元計(jì)算模型與工程地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)， 并對(duì)各個(gè)方案的計(jì)算滲流量占入庫(kù)流量比例與占總庫(kù)容比例進(jìn)行計(jì)算、分析和比較，從而得到定性分析的結(jié)果，不同工況下滲流有限元計(jì)算成果見表2。

表2 不同工況下滲流計(jì)算成果表

4.2 不同水平防滲長(zhǎng)度滲流量

根據(jù)水庫(kù)興利調(diào)度的任務(wù)， 南門外水庫(kù)汛期利用1# 橡膠壩上游進(jìn)水閘按計(jì)劃旁引屯蓄嘎斯汰河水， 汛期雨量充沛時(shí)水位最大蓄至784.02m，多余水量?jī)A瀉至下游， 為攔河蓄水及旁引屯蓄相結(jié)合水庫(kù)， 引水時(shí)需要橡膠壩壩袋充水后涌高河道水位進(jìn)入引水口到渠道， 取水口進(jìn)水閘為1 孔穿堤矩形涵閘結(jié)構(gòu)，涵洞尺寸為0.8m×1.0m，嘎斯汰河干流設(shè)計(jì)洪水位洪峰流量13.84m3/s， 進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量為8.64×104m3/d，水平防滲長(zhǎng)度分別取為100m、150m、200m 時(shí)滲流量的計(jì)算成果。 計(jì)算成果的對(duì)比分析情況見表3。

表3 不同水平防滲長(zhǎng)度滲流量計(jì)算成果表

通常來(lái)說， 正常運(yùn)行的水庫(kù)滲漏總量不小于該河流多年平均流量的5%，或小于該河流段平水期流量的1%～3%[1]。 經(jīng)過對(duì)比判斷，南門外水庫(kù)現(xiàn)狀壩基水平防滲長(zhǎng)度不能滿足正常運(yùn)行的滲漏總量要求，理論分析結(jié)論與實(shí)際情況相符，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行防滲加固是非常必要的。

4.3 水庫(kù)防滲加固方案選擇的探討

南門外水庫(kù)大壩為非土質(zhì)防滲體低壩， 庫(kù)區(qū)地質(zhì)條件是低山丘陵區(qū)和沙丘區(qū)， 壩基防滲型式的選擇是水庫(kù)設(shè)計(jì)與除險(xiǎn)加固的重點(diǎn)問題， 直接影響水庫(kù)是否能夠正常蓄水運(yùn)行。 根據(jù)前文水庫(kù)現(xiàn)狀滲流有限元計(jì)算分析的結(jié)果可知， 壩基防水平防滲長(zhǎng)度不能滿足正常運(yùn)行條件， 因此需要對(duì)壩基與庫(kù)區(qū)進(jìn)行防滲加固。 滲漏問題的處理比較麻煩，一旦選擇的防滲方式不正確，資金的投入將非常大， 在南門外水庫(kù)大壩壩基無(wú)相對(duì)隔水層的情況下，更應(yīng)慎重對(duì)待，應(yīng)在滲漏量、工程投資以及施工難易程度等諸多方面進(jìn)行比較、分析，壩基防滲方案一般分為垂直防滲和水平防滲兩種[3]。

垂直防滲的方式主要有：垂直鋪塑、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻等。 按防滲體形成原理不同，可分為防滲材料置換式和介入式。 置換式是指利用防滲材料代替原狀地基材料， 如薄混凝土防滲墻、垂直鋪塑等，一般需采取機(jī)械成槽后，再施工防滲體。 因此，對(duì)槽孔穩(wěn)定性要求較高，墻底易出現(xiàn)落淤， 影響墻體與相對(duì)不透水層的銜接可靠性。 介入式是指采用防滲材料對(duì)原狀地基直接改良使之具備防滲功能，如高噴板墻、深層攪拌樁等[4]。 由于南門外水庫(kù)地基無(wú)相對(duì)不透水層，如果采用懸掛式帷幕的方式進(jìn)行垂直防滲， 投資相對(duì)較高。

全庫(kù)盆防滲處理方式主要有： 復(fù)合土工膜防滲、瀝青砼防滲、鋼筋砼防滲3 種方式，通過從滲漏風(fēng)險(xiǎn)、 方案投資與實(shí)施難度等方面進(jìn)行工程的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，3 種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)， 但采用復(fù)合土工膜防滲的方式更符合南門外水庫(kù)的實(shí)際情況。 復(fù)合土工膜防滲的優(yōu)點(diǎn)包括：自身變形模量較大，適應(yīng)地基變形能力較好，對(duì)基礎(chǔ)要求較低，施工工藝較簡(jiǎn)單，防滲性能可靠，投資相對(duì)較小。 缺點(diǎn)包括：對(duì)土工復(fù)合膜上下墊層要求高，鋪設(shè)層數(shù)多，施工干擾大，接縫處理是滲漏的關(guān)鍵，因?yàn)榻涌p處理難于控制， 所以防滲效果的可控性仍有待檢驗(yàn)[5]。

由于南門外水庫(kù)庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，要查明所有的滲漏通道，摸清滲漏情況、滲流規(guī)律，存在相當(dāng)大的技術(shù)難度。 在實(shí)際勘測(cè)過程中， 可能會(huì)存在滲漏通道未查明或在防滲工作中被遺漏而未做處理的隱患，當(dāng)水庫(kù)蓄水后，一旦發(fā)現(xiàn)滲漏嚴(yán)重的地段， 還需要采取工程措施進(jìn)行封閉。 因此，初步擬定不采用垂直防滲的方式，采用全庫(kù)盆表面防滲的處理方式更加穩(wěn)妥可靠[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

南門外水庫(kù)地理位置臨近林西縣鎮(zhèn)區(qū)， 根據(jù)城市規(guī)劃與生態(tài)水利的建設(shè)需求， 其南側(cè)的林西工業(yè)園區(qū)、 林西東山生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)將陸續(xù)引進(jìn)相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)，園區(qū)內(nèi)的通水、通電、通訊及路平等“七通一平”建設(shè)，亟待進(jìn)一步完善。 水庫(kù)滲漏問題得到解決后， 不但可以給市民提供一處旅游、休閑、娛樂的選擇場(chǎng)所，并且可為工業(yè)園區(qū)提供可靠的補(bǔ)充水源， 使水庫(kù)工程與該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)。

本文采用二維有限元模型對(duì)南門外水庫(kù)的滲流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，其不足之處在于：南門外水庫(kù)大壩兩側(cè)壩肩位于沙丘坡地， 其壩肩滲流的封閉條件， 需要利用更加詳實(shí)的地質(zhì)勘察資料進(jìn)行三維滲流場(chǎng)的有限元的模擬。 總體來(lái)說，采用二維有限元模型計(jì)算分析方法對(duì)大壩滲流安全性進(jìn)行分析的方法是可行的， 但是該方法無(wú)法包含水庫(kù)滲漏的全部因素， 所以仍需要在工程實(shí)施過程中補(bǔ)充足夠的地質(zhì)勘察工作。 同時(shí)，在防滲加固工程的實(shí)施過程中， 還應(yīng)補(bǔ)充完善大壩的滲流安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)浸潤(rùn)線、滲透壓力（或滲透水頭）、滲流量進(jìn)行持續(xù)的觀測(cè)與分析。 □