廖方元

（四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)分院，四川 成都 610500）

隨著水庫(kù)蓄水后，水庫(kù)水位升高，水庫(kù)內(nèi)外的水力坡度逐漸增大，由此導(dǎo)致庫(kù)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(kù)工程主要的地質(zhì)問(wèn)題，壩址滲漏不僅影響玉灘水庫(kù)工程的效益、壩體的穩(wěn)定性，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題[1]。

玉灘水庫(kù)壩址滲漏是建設(shè)過(guò)程中主要關(guān)注的問(wèn)題，現(xiàn)在，壩基滲漏計(jì)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(dá)西定律，計(jì)算通過(guò)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(jìn)行模擬計(jì)算。

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

1 工程概況

玉灘水庫(kù)位于重慶市大足區(qū)境內(nèi)，灌溉面積為32.84萬(wàn)畝，是重慶市境內(nèi)的一座大（二型）水庫(kù)。玉灘水庫(kù)工程的主要任務(wù)是農(nóng)業(yè)灌溉及城鄉(xiāng)供水。2011年，玉灘水庫(kù)工程實(shí)現(xiàn)下閘蓄水；2012年9月，樞紐工程以優(yōu)良的評(píng)價(jià)完成竣工及水保、檔案等全部單項(xiàng)驗(yàn)收。

水庫(kù)總庫(kù)容量由2360萬(wàn)m3擴(kuò)建至14960萬(wàn)m3（大二型水庫(kù)）。灌溉面積為32.84萬(wàn)畝，其中改善灌溉面積18.27萬(wàn)畝，新增灌溉面積14.57萬(wàn)畝。供水人口59.1萬(wàn)人，按95%的保證率供生活和工業(yè)用水6118萬(wàn)m3。玉灘水庫(kù)正常蓄水位海拔高度358.5 m，相應(yīng)庫(kù)容1.321億m3，校核洪水位353.31 m，總庫(kù)容1.496億m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水，洪峰流量為2230 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇洪水，洪峰流量為4270m3/s。

玉灘水庫(kù)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(kù)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(jí)建筑物，其他次要建筑物為3級(jí)，左岸灌溉引水隧洞及其進(jìn)水口按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，泵站工程等別為Ⅳ等，建筑物級(jí)別為4級(jí)。

2 水庫(kù)壩址區(qū)地質(zhì)條件

玉灘水庫(kù)位于四川盆地東南部，水庫(kù)壩址以出露為主要的基巖構(gòu)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(kù)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?yàn)榛鶐r風(fēng)化帶開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致水庫(kù)區(qū)地下水源集成[3]。

3 壩址滲漏計(jì)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(guò)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(guò)兩岸壩肩向下游發(fā)生滲漏。使用解析法可以計(jì)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(jì)算

水庫(kù)壩址壩基滲漏量計(jì)算公式為：

式中：Q為水庫(kù)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(guò)水?dāng)嗝鎸挾?，m，取5 m；H為水庫(kù)壩址滲漏水頭損失，m，為27.8 m；H1為過(guò)水?dāng)嗝孀畲笾担琺，取40 m；h1為過(guò)水?dāng)嗝孀钚≈?，m，取0 m；J為水庫(kù)壩址水力坡度，m；L為水庫(kù)壩址滲漏凈長(zhǎng)，m，約為9.7 m。

水庫(kù)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(chǎng)鉆孔資料,經(jīng)計(jì)算，四川紅層區(qū)玉灘水庫(kù)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(jì)算

水庫(kù)壩址繞壩滲漏量計(jì)算公式為：

式中：Q為水庫(kù)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(kù)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(kù)壩址繞壩滲流半徑，為10 m；b為水庫(kù)壩址沿岸滲流長(zhǎng)度，m，b＝L／π，L 取 65 m，。

經(jīng)計(jì)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(jì)為1.17×104m3/a。

3.3 壩址滲漏程度分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，該水庫(kù)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(kù)區(qū)四周的分水嶺位置,得到庫(kù)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(rèn)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(kù),滲流對(duì)壩基穩(wěn)定性影響較小。

4 水庫(kù)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(jì)算模擬軟件之一，展示出來(lái)的有限差分法便于人們對(duì)水庫(kù)壩址區(qū)滲漏情況進(jìn)行了解，使水庫(kù)壩址區(qū)滲漏在現(xiàn)實(shí)條件下模擬軟件中得到建設(shè)。

通過(guò)MODFLOW地下水模擬軟件建設(shè)出天然水流狀態(tài)時(shí)的蓄水情況以及水庫(kù)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(jiàn)的概念結(jié)構(gòu)。天然水流邊界概化，見(jiàn)圖1，水庫(kù)壩址建成后的邊界概化，見(jiàn)圖2。

圖1 天然水流邊界概化

圖2 水庫(kù)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(kù)壩址建成后正常的蓄水工作狀況，由圖2反應(yīng)了四川紅層區(qū)玉灘水庫(kù)的壩址低滲的區(qū)域，集中在壩上邊墻體邊界。

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 地下水滲流場(chǎng)分析

對(duì)比天然狀態(tài)和正常蓄水情況的滲流場(chǎng)平面等直線圖（圖3）可以看出:（1）天然無(wú)壩情況下，壩址區(qū)段河谷滲流場(chǎng)主要由兩岸較高的地下水位向河谷滲透形成。滲流場(chǎng)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(kù)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(chǎng)平面圖（模型第2層）

由圖4、圖5可以看出,水庫(kù)蓄水使得區(qū)域地;下水水位總體上有一定抬升。模擬設(shè)置的觀測(cè)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(cè)剖面,離沖溝越遠(yuǎn)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(jié)果。

圖4 天然條件下滲流場(chǎng)剖面圖（模型第15列）

圖5 正常蓄水工況下滲流場(chǎng)剖面圖（模型第15列）

4.2.2 滲漏量計(jì)算

在模型中,通過(guò)設(shè)置均衡域來(lái)進(jìn)行滲流量的計(jì)算。分別設(shè)置了壩基滲流均衡域、左壩肩均衡域和右壩肩均衡域3個(gè)計(jì)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(gè)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(jié)果見(jiàn)圖7。

圖6 水均橫區(qū)設(shè)置平面示意圖

圖7 模擬滲流量柱狀圖

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

表1 兩種方法滲透量對(duì)比 單位：(m3/d)

5 結(jié)論

運(yùn)用解析法與數(shù)值法預(yù)測(cè)了壩址滲漏量,兩者預(yù)測(cè)結(jié)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(yù)測(cè)水庫(kù)滲漏量。計(jì)算該水庫(kù)總滲漏量為（5.60～6.86）×104m3/a，四川紅層區(qū)水庫(kù)壩址的滲漏占所在河流平均量的3%，水庫(kù)壩址存在輕微的滲漏情況，不會(huì)對(duì)水庫(kù)壩基的穩(wěn)定性、安全性造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。