水庫(kù)防滲措施及壩后排水溝距離對(duì)周邊農(nóng)田地下水埋深的影響

毛海濤，王正成※，王曉菊,2，黃慶豪，劉 陽(yáng)

（1. 重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404100；2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；3. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

水庫(kù)防滲措施及壩后排水溝距離對(duì)周邊農(nóng)田地下水埋深的影響

毛海濤1，王正成1※，王曉菊1,2，黃慶豪3，劉 陽(yáng)3

（1. 重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404100；2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；3. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

干旱區(qū)平原水庫(kù)滲漏對(duì)下游農(nóng)田土壤的水鹽動(dòng)態(tài)變化影響較大，易造成土壤的次生鹽漬化和沼澤化。水庫(kù)常采用“上防下排”措施來(lái)降低壩后農(nóng)田地下水埋深，但排水溝參數(shù)如何選擇，與壩基防滲體如何聯(lián)合使用，治理效果如何等都值得深入研究。該文基于非飽和土體滲流理論，以恰拉水庫(kù)周邊農(nóng)田為研究對(duì)象，針對(duì)“上防下排”措施進(jìn)行數(shù)值模擬，分析恰拉水庫(kù)采用水平鋪蓋、懸掛式防滲墻或無(wú)防滲措施時(shí)，壩后農(nóng)田地下水埋深與壩后排水溝位置及深度的關(guān)系，并針對(duì)下游壩坡穩(wěn)定及壩后積水進(jìn)行分析，并通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明：在不同的滲流控制方案下，農(nóng)田地下水埋深均以排水溝中軸線為對(duì)稱軸呈現(xiàn)“漏斗形”降落趨勢(shì)，排水溝前地下水埋深逐漸增大，排水溝后的地下水位有一小幅度的減小，因此，“上防下排措施”從“源頭”處減小滲水進(jìn)入壩后農(nóng)田，增大農(nóng)田地下水埋深。3種方案對(duì)比顯示，不同“上防下排”滲流控制方案在遏制水庫(kù)滲漏和減小壩后農(nóng)田地下水的效果不同。懸掛式防滲墻和無(wú)防滲體工況不能有效減小水庫(kù)的滲漏量，聯(lián)合排水溝使用效果較差。22倍水頭的水平鋪蓋在滲流控制方面優(yōu)于懸掛式防滲墻和無(wú)防滲體時(shí)的工況，聯(lián)合壩后排水溝及時(shí)排水后，可有效的將地下水埋深控制在2.72 m左右，大于當(dāng)?shù)氐牡叵滤R界水位2.45，有效遏制壩后土壤的鹽漬化趨勢(shì)。排水溝設(shè)置的位置和深度對(duì)大壩穩(wěn)定存在一定影響，計(jì)算實(shí)際工況（22倍水平鋪蓋）時(shí)下游壩坡抗滑安全系數(shù)為1.358，大于下游壩坡最小抗滑安全系數(shù)1.242，下游壩坡處于安全狀態(tài)。排水溝設(shè)置后，壩趾至溝間的積水長(zhǎng)度是產(chǎn)生壩后沼澤化的主要原因。計(jì)算和實(shí)測(cè)實(shí)際情況下的積水長(zhǎng)度為0.27 m，沼澤化面積較小。此外，計(jì)算還發(fā)現(xiàn)避免農(nóng)田沼澤化對(duì)應(yīng)的排水溝最小深度為5.18 m，實(shí)際工程中排水溝深度為6 m，可見當(dāng)前的防滲形式以及排水溝至壩趾的距離及深度是合理的。庫(kù)水位變動(dòng)、排水溝排水的及時(shí)性對(duì)壩后地下水埋深也有較大的影響，排水溝作為輔助措施應(yīng)與農(nóng)田排水溝（渠）、水庫(kù)防滲體以及農(nóng)田灌溉制度配合使用，才能更加有效的發(fā)揮作用。

地下水；土壤；模型；土地鹽漬化；水平鋪蓋；排水溝

0 引 言

為滿足干旱、半干旱區(qū)耕地農(nóng)業(yè)灌溉，需在耕地周邊修建大量的平原注入式水庫(kù)[1-2]。以新疆為例，修建平原水庫(kù)多達(dá)600余座[3]。由于平原水庫(kù)壩長(zhǎng)、蓄水面積寬廣，防滲工程難度大，滲漏問(wèn)題較為嚴(yán)重[4]。滲漏導(dǎo)致水庫(kù)周邊農(nóng)田地下水位抬升，加之干旱、半干旱地區(qū)的氣候條件，土壤水分和潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤次生鹽漬化[5-6]，中國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)顯示，鹽漬化土壤面積為3.6′107hm2，耕地中鹽漬化面積達(dá)到9.209′106hm2，占總耕地面積的20.73%[7-8]，嚴(yán)重影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9]。為了減小次生鹽漬化的危害，干旱區(qū)平原水庫(kù)依據(jù)“上防下排”的理念來(lái)控制地下水埋深?！吧戏馈敝饕侵杆畮?kù)及壩基采用水平鋪蓋、垂直防滲墻等[10]進(jìn)行防滲，“下排”是指壩后設(shè)置排水溝（井）截滲，二者聯(lián)合使用來(lái)控制壩后地下水位。

干旱區(qū)平原水庫(kù)下游排水溝分為農(nóng)田排水溝和壩后排水溝。1）農(nóng)田排水溝通常是指天然形成的裸露在地表或者是在農(nóng)田內(nèi)挖掘的水道[11-12]，其作用在于及時(shí)排走田間多余的水，從而降低地下水位。2）壩后排水溝是在壩后人工修建的水道，旨在截?cái)嗨畮?kù)滲水，從“源頭”處減少滲漏水進(jìn)入壩后農(nóng)田。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)農(nóng)田排水溝調(diào)節(jié)地下水開展大量的研究。如Armsirong等[13]提出農(nóng)田排水溝能及時(shí)將田間過(guò)多的水分排出農(nóng)田，起到排澇降漬的作用；潘延鑫等[14]針對(duì)鹵泊灘鹽堿地進(jìn)行研究，提出干旱蒸發(fā)和上游灌區(qū)的退水會(huì)影響農(nóng)田排水溝降低地下水位的效果；農(nóng)田排水溝能有效控制地下水埋深，并排出淋洗土壤鹽堿的水分，達(dá)到維持灌區(qū)水鹽平衡、穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的目的[15]；彭世彰等[16]針對(duì)新疆鞏留縣團(tuán)結(jié)灌區(qū)進(jìn)行研究，得出農(nóng)田排水溝能有效控制農(nóng)田地下水埋深；趙曉宇等[17]針對(duì)華北平原農(nóng)田排水溝進(jìn)行研究，得出平填末級(jí)排水溝會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田排水體系貫通性下降，但由于該地區(qū)降水總量減少、地下水位下降，對(duì)農(nóng)田洪澇災(zāi)害的發(fā)生影響不大；李山等[18]提出當(dāng)排水溝中的水分反滲補(bǔ)給農(nóng)田地下水，田間地下水中的鹽分雖然有所增加，但作物根區(qū)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的鹽分累積，對(duì)田間地下水鹽分濃度影響不大；潘延鑫等[19]研究表明相鄰排水溝水位與農(nóng)田地下水位變化基本一致，排水溝水位變化可以直接或間接地影響周圍農(nóng)田的地下水位和鹽分含量；但關(guān)于壩后排水溝控制農(nóng)田地下水埋深方面的研究成果鮮見，而壩后排水溝能從“源頭”上減小進(jìn)入農(nóng)田的水量，對(duì)壩后農(nóng)田的地下水升降更有指導(dǎo)意義，需深入研究。

本文以新疆內(nèi)陸干旱區(qū)典型平原水庫(kù)—恰拉水庫(kù)壩后排水溝及壩后農(nóng)田為研究對(duì)象，基于非飽和土體滲流理論進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算，研究壩后排水溝（下文簡(jiǎn)稱排水溝）在不同位置及深度的情況下對(duì)地下水埋深的影響，借助極限平衡理論分析下游壩坡穩(wěn)定狀況，并針對(duì)壩后積水進(jìn)行分析。以期為干旱區(qū)平原水庫(kù)防滲體及壩后排水溝的設(shè)置提供理論支撐，防止水庫(kù)周邊農(nóng)田發(fā)生鹽堿化及沼澤化。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 非飽和土體滲流理論

非飽和土體的體積含水率θw及滲透系數(shù)k均為基質(zhì)吸力um的函數(shù)[20]，基質(zhì)吸力由孔隙水壓力及孔隙氣壓力共同決定。非飽和土體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線即為土水特征曲線，滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系即為非飽和土滲流方程。本文采用Van Genuchten等[21-22]非飽和土水特征曲線方程和滲流方程。

非飽和土壤水分特征曲線方程為

式中um為基質(zhì)吸力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；θw為體積含水率；θs為土體飽和體積含水率；θr為土體殘余體積含水率；αw為與進(jìn)氣值倒數(shù)相關(guān)的參數(shù)；nw為超過(guò)進(jìn)氣值后土水特征曲線斜率相關(guān)的模型參數(shù)，反應(yīng)體積含水率變化速率；mw為與非飽和土殘余狀態(tài)相關(guān)的模型參數(shù)，其與nw的關(guān)系式為

Mualem Y[22]提出的非飽和土滲流方程為

式中k為土體滲透系數(shù)；ks為飽和滲透系數(shù)，與土體孔隙率的關(guān)系為

式中ks0為土體初始飽和滲透系數(shù)；n為土體孔隙率；n0為土體初始孔隙率。

1.2 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法

在非飽和土滲流分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究壩坡的穩(wěn)定性，將計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k'與最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kmin進(jìn)行比較，分析壩坡的穩(wěn)定狀態(tài)[23]。壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

式中k′為壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；li為土體滑弧穿過(guò)第i單元的長(zhǎng)度， m；φi為第i單元土體的內(nèi)摩擦角；ci為第i單元土體的凝聚力，kPa；τi、σni為第i單元圓弧滑面上的切向應(yīng)力和法相應(yīng)力，kPa，其表達(dá)式分別為

式中x為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它與飽和度、應(yīng)力路徑及土體類型有關(guān)；σix為水平應(yīng)力，kPa；σiy為豎向應(yīng)力，kPa；τixy為單元剪應(yīng)力，kPa；α為滑動(dòng)面切線與水平向的夾角，(°)。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程概況

恰拉水庫(kù)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)86°36′～86°57′，北緯40°59′～40°04′范圍內(nèi)，屬于典型的內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)。水庫(kù)庫(kù)容為1.61億m3，根據(jù)水利水電樞紐工程的分等指標(biāo)，當(dāng)總庫(kù)容在1～10億m3時(shí)，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。庫(kù)區(qū)氣候?qū)贅O端干旱的大陸性氣候，多年平均降水量21.5 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 680 mm，多年平均氣溫10.6 ℃，年極端最高氣溫達(dá)42.2 ℃[24]。水庫(kù)建設(shè)前，周邊農(nóng)田地下水埋深接近3 m，鹽堿化問(wèn)題鮮見。建壩蓄水后，地下水位抬升，導(dǎo)致水庫(kù)周邊農(nóng)田土壤鹽堿化。

地下水位臨界深度[25]計(jì)算表達(dá)式為

式中Z為作物根系層厚度，m；G為毛管水強(qiáng)烈上升高度，m；A為安全超高，m。

恰拉水庫(kù)周圍的主要作物為小麥、玉米和棉花，作物根系層厚度取0.3 m；土壤毛管水強(qiáng)烈上升高度為1.65 m[26]。根據(jù)新疆灌區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，安全超高通常取0.5 m[27]。由此可得，恰拉水庫(kù)周邊農(nóng)田發(fā)生土壤鹽漬化地下水位臨界深度Hk=0.3+1.55 +0.6 =2.45 m。

恰拉水庫(kù)、壩后排水溝和農(nóng)田研究區(qū)域的分布，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域總體布置圖Fig.1 Study area general layout

2.2 模型建立

恰拉水庫(kù)典型斷面如圖2a所示，建基面高程為869 m，壩頂高程為877.3 m，最大壩高8.3 m，水庫(kù)設(shè)計(jì)水位為875 m。黏土均質(zhì)壩頂寬6 m，上下游壩坡均為1：2.5，壩基深100 m，以細(xì)砂為主。排水溝深度為6 m，底寬0.5 m，距離壩趾100 m。水庫(kù)壩基采用土工膜水平鋪蓋防滲體，水平鋪蓋長(zhǎng)度為壩前水頭6 m的22倍，即132 m（下文簡(jiǎn)稱水平鋪蓋）。

圖2 模型斷面圖Fig.2 Model section map

本文為了研究不同“上防下排”方案對(duì)壩后農(nóng)田地下水埋深的影響，在防滲體方面又假定了懸掛式防滲墻圖2b和無(wú)防滲措施圖2c的2種工況；混凝土防滲墻厚度為0.4 m，伸入壩基20 m，距壩踵23.6 m。在壩后排水溝方面，又假定增設(shè)了距壩趾S為20、60和140 m共3種工況。此外，為了能更好反映不同距離的地下水埋深，模型中在壩后0～500 m每隔50 m設(shè)置一個(gè)基點(diǎn)，編號(hào)為P0、P50……P500，共計(jì)11個(gè)。

2.3 計(jì)算參數(shù)

采用張力計(jì)法（張力計(jì)、陶土管）和垂直入滲剖面法[28-30]，測(cè)得壩體及壩基土樣體積含水率θw和滲透系數(shù)k隨基質(zhì)吸力um的變化曲線，如圖3－4所示。

圖3 土體體積含水率及滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化Fig.3 Variation of volumetric water content and permeability coefficient with matric suction

借助SYS數(shù)顯液塑限測(cè)定儀測(cè)定土樣的液塑限；三軸試驗(yàn)測(cè)定土體的凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ；將土樣、懸掛式防滲墻和水平鋪蓋的基本物理性質(zhì)列入表1。防滲墻的滲透系數(shù)為7.83′10-9m/s。

將體積含水率隨基質(zhì)吸力的變化曲線、土水特征曲線、基本物理指標(biāo)輸入到有限元軟件Seep/w中，進(jìn)行非飽和土滲流計(jì)算，得出基點(diǎn)的地下水埋深h1。滲流計(jì)算結(jié)果作為初始條件，采用滲流與極限平衡耦合的方法，對(duì)下游壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析[31]。

表1 試驗(yàn)土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical property of test soil

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

分別計(jì)算出水庫(kù)無(wú)防滲措施、采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時(shí)壩后農(nóng)田地下水埋深。不同方案下排水溝對(duì)農(nóng)田地下水埋深都有較為明顯的影響，以無(wú)防滲措施時(shí)，排水溝距離壩趾140 m和排水溝深度為6 m為例，作農(nóng)田地下水位線如圖4所示。

圖4 農(nóng)田地下水埋深Fig.4 Farmland groundwater level

在上述3種防滲方案下，計(jì)算得到各基點(diǎn)地下水埋深h1的變化曲線，如圖5所示。

由圖4，圖5可得，采用不同“上防下排”滲流控制方案時(shí)，地下水位的變化規(guī)律都是隨著基點(diǎn)至壩趾距離的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。以圖5a中h2=6m為例，當(dāng)壩基無(wú)防滲措施時(shí)，P0～P500的地下水埋深分別為：2.16、3.01、2.23、2.1、2.08、2.08、2.06、…、2.06m。由此可得，當(dāng)排水溝深度及位置一定時(shí)，地下水位以排水溝中軸線為對(duì)稱軸呈現(xiàn)“漏斗形”降落趨勢(shì)，排水溝前的農(nóng)田地下水埋深逐漸增大，排水溝后水位小幅度降低，最終趨于穩(wěn)定。對(duì)比溝前、溝后的地下水埋深可知，后者地下水埋深明顯大于前者，可見地下水流經(jīng)排水溝會(huì)產(chǎn)生較大的水頭損失，其埋深將增大。

3.1 排水溝位置對(duì)地下水埋深的影響

由圖5可得，當(dāng)排水溝深度一定，排水溝至壩趾的距離S變化會(huì)影響壩后農(nóng)田地下水埋深，因此有必要針對(duì)排水溝至壩趾的距離S對(duì)地下水埋深h1的影響進(jìn)行探討。

圖5 地下水埋深的變化曲線Fig.5 Variation curves of groundwater level

作各方案下壩后農(nóng)田內(nèi)地下水埋隨著距離不發(fā)生變化時(shí)的水深，即為穩(wěn)定后的地下水埋深h1，其隨排水溝至壩趾距離S變化如圖6所示。

由圖6a可得，不同排水溝深度下，穩(wěn)定后的地下水埋深隨排水溝至壩趾的距離的變化規(guī)律基本一致。以排水溝深度6 m為例，排水溝至壩趾的距離S分別為：20、60、100、140 m，穩(wěn)定后的地下水埋深h1分別為：0.48、1.61、2.4、2.89 m，S由20 m增至140 m時(shí)，穩(wěn)定后的地下水埋深h1增大2.41 m。同理可得，當(dāng)h2=1、2、3、4、5 m時(shí)，S由20 m增至140 m時(shí)，h1分別增大0.03、0.52、1.03、1.63、2.24 m?？梢?，不同排水溝深度h2下，排水溝至壩趾的距離S越大，穩(wěn)定后的地下水埋深h1越大。

采用懸掛式防滲墻防滲時(shí)如圖6b，地下水埋深h1隨S的變化規(guī)律與圖6a一致；但其地下水埋深h1相比無(wú)防滲時(shí)有較小幅度的增大，以S=140 m、h2=5 m為例，采用懸掛式防滲墻時(shí)地下水埋深僅增大0.03 m。可見，懸掛式防滲墻在減少滲流量方面的效果較差，與排水溝聯(lián)合使用控制農(nóng)田地下水埋深的效果并不明顯。而圖6c顯示采用水平鋪蓋時(shí)，其地下水埋深h1相比無(wú)防滲措施時(shí)存在明顯的增大趨勢(shì)，仍以S=140 m、h2=5 m為例，采用水平鋪蓋時(shí)地下水埋深增大0.4 m，能有效減小滲流量。

圖6 穩(wěn)定后的地下水埋深隨排水溝至壩趾距離的變化Fig.6 Variation of groundwater level with distance between drain and toe

從上述分析中不難發(fā)現(xiàn)，采用不同“上防下排”措施時(shí)，穩(wěn)定后的地下水埋深h1隨排水溝至壩趾的距離S的增加而增大。對(duì)比3種防滲方案可得，水平鋪蓋在控制滲流量方面的效果優(yōu)于懸掛式防滲墻。

3.2 排水溝深度對(duì)地下水埋深的影響

排水溝的深度變化會(huì)影響壩后農(nóng)田地下水埋深，作壩后農(nóng)田穩(wěn)定后的地下水埋深h1隨排水溝深度h2變化曲線如圖7所示。

圖7 穩(wěn)定后的地下水埋深隨排水溝深度的變化曲線Fig.7 Variation curves of groundwater level after stabilization with drain depth

由圖7a可得，無(wú)防滲措施時(shí)，穩(wěn)定后的壩后農(nóng)田地下水埋深h1會(huì)隨著排水溝深度h2而改變。以S=20 m為例，排水溝深度h2由1增至10 m時(shí)，地下水埋深h1增大3.07 m；同理，當(dāng)S=60、100、140 m時(shí)，隨著排水溝深度h2增大， h1分別增大2.78、3.05、2.89 m。采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時(shí)如圖7b、7c，地下水埋深h1的變化規(guī)律同圖7a一致。但也存在一些差異，以S=100 m、 h2=6 m為例，無(wú)防滲措施、采用懸掛式防滲墻、水平鋪蓋時(shí)穩(wěn)定后的地下水埋深分別為2.4、2.43、2.98 m。水平鋪蓋相比無(wú)防滲墻措施和懸掛式防滲墻，地下水埋深增大較為明顯。

綜上可得，水庫(kù)采用不同“上防下排”措施時(shí)，壩后農(nóng)田地下水埋深h1隨著排水溝深度h2的增加而增大。同樣，水平鋪蓋在控制滲流量方面的效果優(yōu)于懸掛式防滲墻和無(wú)防滲措施。

4 排水溝最小深度的確定

恰拉水庫(kù)周邊農(nóng)田土壤發(fā)生鹽漬化的地下水臨界水深Hk=2.45 m，排水溝要將農(nóng)田地下水位控制在2.45 m時(shí)所需要的深度，定義為排水溝最小深度h2min。

圖5中不同工況下線性規(guī)律明顯，線條間距隨排水溝深度變化均勻，因此可采用線性插值法得出排水溝在不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的最小深度h2min，如圖8所示。

圖8 排水溝最小深度隨排水溝至壩趾的距離的變化曲線Fig.8 Variation curves of minimum drain depth with distance between drain and toe

4.1 同種防滲方案下排水溝最小深度

無(wú)防滲措施時(shí)如圖8中曲線Ⅰ所示；排水溝至壩趾的距離S由20 m增加到140 m時(shí)，排水溝最小深度h2min減小3.71 m。可見排水溝最小深度h2min隨著至壩趾的距離S的增加逐漸減小。采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時(shí)，如圖8中Ⅱ、Ⅲ所示，h2min隨S的變化規(guī)律同曲線Ⅰ一致；S由20 m增加至140 m時(shí)，h2min分別減小3.28、1.2 m。

綜上所述，水庫(kù)采用不同“上防下排”措施時(shí)，排水溝至壩趾的距離S增加，其最小深度h2min逐漸減小。即壩后農(nóng)田地下水位達(dá)到臨界深度時(shí)，距離壩趾較遠(yuǎn)的排水溝需要的深度較小。

4.2 不同種防滲方案下排水溝最小深度

當(dāng)排水溝至壩趾的距離S=140 m，水庫(kù)無(wú)防滲措施、采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋時(shí)，排水溝最小深度h2min分別為：5.32、5.31、4.71m。由此可得，排水溝位置一定時(shí)，無(wú)防滲措施時(shí)h2min最大，懸掛式防滲墻時(shí)次之，水平鋪蓋時(shí)最小。由此可得，采用水平鋪蓋與排水溝結(jié)合使用，能有效減少滲水進(jìn)入壩后農(nóng)田，其效果優(yōu)于另外2種。實(shí)際工程中，當(dāng)水庫(kù)采用水平鋪蓋控滲，S=100 m時(shí)，排水溝最小深度h2min=5.18。

水庫(kù)無(wú)防滲措施、垂直防滲墻和水平鋪蓋方案時(shí)，排水溝至壩趾距離S由20 m增大至140 m時(shí)，渠道最小深度分別減小3.71、3.28、1.2 m；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線近似于線性變化，其斜率分別為0.031、0.027、0.01。由此可得，在3種工況中排水溝至壩趾的距離S對(duì)無(wú)防滲措施時(shí)的h2min影響最大。

5 積水長(zhǎng)度及下游壩坡穩(wěn)定

5.1 壩趾與排水溝間積水分析

當(dāng)農(nóng)田地下水埋深h1≥0 m時(shí)，地表積水、土地沼澤化，導(dǎo)致水庫(kù)周邊土地的利用率降低。根據(jù)農(nóng)田地下水位線得出壩趾與排水溝間的積水長(zhǎng)度L（下文簡(jiǎn)稱積水長(zhǎng)度），隨排水溝深度h2的變化曲線，如圖9所示。

圖9 積水長(zhǎng)度隨排水溝深度的變化曲線Fig.9 Variation curves of seeper length with drain depth

無(wú)防滲措施時(shí)，如圖9a所示。當(dāng)S=20、60、100、140 m時(shí)，排水溝深度h1由1增至10 m時(shí)，積水長(zhǎng)度分別縮短8.39、40.49、59.67、73.45 m。由此可得，當(dāng)排水溝至壩趾的距離一定時(shí)，積水長(zhǎng)度L隨著排水溝深度h2增加而縮短。當(dāng)h2=1～6 m時(shí)，S由20增大至140 m時(shí)，積水長(zhǎng)度分別伸長(zhǎng)96.33、72.25、56.02、45.43、40.02、31.27 m。當(dāng)排水溝深度一定時(shí)，排水溝至壩趾的距離S越大，積水越長(zhǎng)。3種方案積水長(zhǎng)度L隨S和h2的變化規(guī)律一致。

可見，水庫(kù)采用不同“上防下排”措施，排水溝至壩趾的距離S一定時(shí)，積水長(zhǎng)度L隨著排水溝深度h2增大而縮短；當(dāng)排水溝深度h2一定時(shí)，積水長(zhǎng)度L隨著排水溝至壩趾間距離S的增加而伸長(zhǎng)。

5.2 下游壩坡抗滑穩(wěn)定分析

壩后開挖排水溝后，下游壩坡抗滑阻力降低，抗滑安全系數(shù)k′減小，因此有必要針對(duì)采用不同排水溝時(shí)的下游壩坡抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

采用不計(jì)條間作用力的瑞典圓弧法計(jì)算壩坡抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，大壩正常運(yùn)行條件下的最小安全系數(shù)為規(guī)定值的0.92倍[32]；恰拉水庫(kù)下游壩坡最小抗滑安全系數(shù)kmin=1.35×0.92=1.242。

借助滲流與極限平衡法（瑞典圓弧法）耦合計(jì)算方法[31]，得出排水溝至壩趾的不同距離S及深度h2時(shí)下游壩坡的抗滑安全系數(shù)k′。圖10為排水溝距離壩基20、60 m，排水溝深度h2=4、5 m時(shí)，下游壩坡抗滑安全系數(shù)k′及其對(duì)應(yīng)的滑弧。

圖10 抗滑安全系數(shù)與潛在滑動(dòng)面Fig.10 Resist slippage safety factor and potential sliding surface

由圖10可得，當(dāng)S=20 m、h2=4 m時(shí)，抗滑安全系數(shù)k′=1.313>kmin=1.242，壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；h2=5m時(shí)，抗滑安全系數(shù)k′=1.236kmin=1.242，壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)比圖10a、10b可知，當(dāng)排水溝至壩趾的距離一定時(shí)，排水溝深度越大，越不利于壩坡穩(wěn)定。而圖10b、圖10c則反映出當(dāng)排水溝深度一定時(shí)，排水溝距離壩趾越近，越不利于壩坡穩(wěn)定。

無(wú)防滲措施時(shí)，作壩坡抗滑安全系數(shù)k'隨排水溝至壩趾的距離S和深度h2變化的曲面圖，如圖11所示，采用懸掛式防滲墻和水平鋪蓋壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的曲面圖與之類似。

由圖11可得，無(wú)防滲措施時(shí)，S=20 m、h2=5～10 m時(shí)，k'分別為：1.236、1.118、1.141、1.124、1.086、1.015kmin，壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 無(wú)防滲措施下游壩坡抗滑安全系數(shù)隨排水溝位置及深度的變化Fig.11 Variation of resist slippage safety factor with positin and depth of drain without seepage prevention measures

綜上所述，采用不同“上防下排”措施時(shí)，排水溝至壩趾的距離S越小，深度h2越大，對(duì)下游壩坡的穩(wěn)定越不利。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 地下水埋深

恰拉水庫(kù)實(shí)際防滲措施是132 m的水平鋪蓋，和上述水平鋪蓋工況下仿真情況一致。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，與數(shù)值模擬中的基點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)，在恰拉水庫(kù)下游試驗(yàn)區(qū)每隔50 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)5個(gè)，編號(hào)為P50、P100、P150、P200和P250，如圖12所示。

為了確保觀測(cè)時(shí)水庫(kù)運(yùn)行工況與數(shù)值模擬邊界條件的一致性。觀測(cè)時(shí)間設(shè)在2014年和2015年的4月和7月，期間水庫(kù)水位最接近設(shè)計(jì)水位，排水溝深度為6 m，排水溝及時(shí)排水，溝中無(wú)積水存在，通過(guò)田間試驗(yàn)，測(cè)得監(jiān)測(cè)點(diǎn)P50～P250的地下水埋深，將試驗(yàn)結(jié)果列入表2。

圖12 農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.12 Layout drawing of monitoring points in farmland

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水埋深Table 2 Groundwater level of monitoring points

根據(jù)表2作農(nóng)田地下水埋深h1隨觀測(cè)點(diǎn)至壩趾間距離S1的變化曲線，并與圖7c中6 m的模擬值進(jìn)行對(duì)比如圖13所示。

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水埋深變化曲線Fig.13 Variation curves of groundwater level of monitoring points

分析圖13可得，圖13和圖5中曲線的變化規(guī)律一致。如試驗(yàn)得出當(dāng)h=874.8 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P50、P100、P150、P200、P250的地下水埋深分別為1.78、6、3.21、3.09、3.04 m。模擬得出當(dāng)h=875 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P50、P100、P150、P200、P250的地下水埋深分別為1.71、6、3.16、3.04、2.99 m。對(duì)比數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果，庫(kù)水位僅相差0.2 m，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水埋深僅相差0～0.07 m。可見，數(shù)值模擬和試驗(yàn)可以互相驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)水位對(duì)壩后地下水埋深也存在一定的影響。觀測(cè)期間水庫(kù)水位未達(dá)到設(shè)計(jì)水位875 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)P50、P150、P200、P250的地下水埋深分別為1.78～2.42、3.21～3.62、3.09～3.49、3.04～3.47 m，略小于數(shù)值模擬得出的地下水埋深。

6.2 積水長(zhǎng)度與壩坡穩(wěn)定

試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恰拉水庫(kù)下游農(nóng)田并無(wú)積水現(xiàn)象，而數(shù)值模擬計(jì)算有0.27 m的積水長(zhǎng)度，存在較小誤差。由圖12可知，恰拉水庫(kù)下游存在多條垂直壩軸線的“積水排水溝”，可將積水匯集至壩后排水溝（平行壩軸線），該排水系統(tǒng)能及時(shí)排走積水，避免壩后農(nóng)田積水。而在數(shù)值模擬時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，忽略了垂直壩軸線排水溝的作用，僅著重考慮了壩后排水溝，因此試驗(yàn)和模擬結(jié)果出現(xiàn)了較小的差異。

恰拉水庫(kù)下游壩坡設(shè)置了大壩變形觀測(cè)儀，水庫(kù)自改建蓄水以來(lái)，下游壩坡沉降變形和水平位移分別為5.8和2.3 cm，滿足碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL274-2001）的變形穩(wěn)定條件。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.358>1.242，壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)和數(shù)值模擬得出的結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬的精確性。

需要說(shuō)明的是，恰拉水庫(kù)實(shí)際防滲體為水平鋪蓋，壩后排水溝深度為6 m，距離壩趾100 m。文中垂直防滲體和無(wú)防滲措施為假定方案，但各方案下排水溝位置和深度對(duì)壩后農(nóng)田地下水埋深的影響規(guī)律基本一致，壩后積水和壩坡穩(wěn)定總體規(guī)律相同，只是存在數(shù)值上的差異。因此，對(duì)實(shí)際工程的原位觀測(cè)結(jié)果在總體上可以驗(yàn)證文中數(shù)值模擬的正確性。

7 討 論

7.1 防滲方案對(duì)地下水埋深的影響

干旱區(qū)平原水庫(kù)位于農(nóng)田上游，蓄水后大量的滲漏水成為農(nóng)田地下水的 “補(bǔ)給源”，導(dǎo)致下游農(nóng)田出現(xiàn)沼澤化和鹽漬化等生態(tài)問(wèn)題。因此干旱區(qū)平原水庫(kù)的滲流控制方案決定著壩后農(nóng)田地下水位。文中對(duì)比了水庫(kù)水平鋪蓋、垂直防滲墻和不設(shè)防滲體3種方案，結(jié)果顯示前者優(yōu)于后兩者方案。這是因?yàn)?2倍水頭的水平鋪蓋在減小水庫(kù)滲漏量方面的效果優(yōu)于懸掛式防滲墻和無(wú)防滲情況。換言之，滲流控制方案減小水庫(kù)滲流量越大，在遏制壩后及周邊農(nóng)田地下水位的效果就越好。

實(shí)際中干旱區(qū)平原水庫(kù)往往坐落在透水性較大的深厚覆蓋層甚至是無(wú)限深透水壩基上，加之大壩長(zhǎng)度較大，采用全封閉式垂直防滲墻造價(jià)過(guò)高，難度較大，而水平鋪蓋施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低，優(yōu)勢(shì)明顯。文中將恰拉水庫(kù)作為干旱區(qū)平原水庫(kù)的典型，其水文、地質(zhì)以及水庫(kù)運(yùn)行等均具有區(qū)域共性，計(jì)算結(jié)果也具有代表性，故文中推薦22倍水頭的水平鋪蓋作為干旱區(qū)平原水庫(kù)防滲方案。

7.2 庫(kù)水位變化對(duì)地下水埋深的影響

數(shù)值模擬未考慮水位變化對(duì)壩后農(nóng)田地下水埋深的影響，而是采用水庫(kù)設(shè)計(jì)水位875 m，對(duì)壩后排水溝進(jìn)行計(jì)算分析。如在該水位下農(nóng)田地下水埋深為2.72 m，積水長(zhǎng)度為0.27 m，實(shí)際上水庫(kù)運(yùn)行水位一般不大于設(shè)計(jì)水位，因此只要保證在設(shè)計(jì)水位下地下水埋深大于2.45 m，在其他運(yùn)行工況也能滿足要求。這樣得到的排水溝深度、距離等也可作為設(shè)計(jì)參考值，具有代表性。

從第6節(jié)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)水位與排水溝水位、壩后農(nóng)田地下水埋深關(guān)系密切。當(dāng)水庫(kù)水位上升，滲漏損失加大導(dǎo)致農(nóng)田地下水埋深減小，水庫(kù)下游積水長(zhǎng)度增加；當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，效果相反。但只要運(yùn)行水位低于設(shè)計(jì)水位，水位變動(dòng)不會(huì)帶來(lái)新的不利影響。

7.3 排水溝及時(shí)排水的必要性

壩后排水溝從農(nóng)田地下水補(bǔ)給源頭（平原水庫(kù)）后進(jìn)行截滲，從總水量上進(jìn)行了削減，對(duì)壩后農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境改善起到了重要作用。文中數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)均要求排水溝及時(shí)排出滲漏水，實(shí)際運(yùn)行中排水溝及時(shí)排水對(duì)下游農(nóng)田水鹽動(dòng)態(tài)變化影響較大。以試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)P200為例，觀測(cè)點(diǎn)周圍沿地表垂直開挖地層剖面，分別采集不同埋深的土壤樣品裝入土樣袋。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試土樣含鹽（%）并計(jì)算其脫鹽率，在壩后排水溝排水和不排水情況土壤的脫鹽率如下表3所示。

表3 不排水和排水時(shí)土壤脫鹽率（P200）Table 3 Soil desalinization ratio under condition of no drain and drain (P200)

由此可見，排水溝及時(shí)排水是十分必要的。

8 結(jié) 論

本文基于非飽和土滲流機(jī)理、極限平衡與滲流耦合理論，以干旱區(qū)典型水利工程—恰拉水庫(kù)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬和農(nóng)田試驗(yàn)，分析中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)平原水庫(kù)排水溝深度對(duì)周邊農(nóng)田地下水埋深的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）水平鋪蓋、懸掛式防滲墻和無(wú)防滲措施分別與排水溝聯(lián)合控滲減排的結(jié)果表明，不同“上防下排”滲流控制方案在遏制水庫(kù)滲漏和減小壩后農(nóng)田地下水的效果是不同的。懸掛式防滲墻和無(wú)防滲體工況不能有效減小水庫(kù)的滲漏量，聯(lián)合排水溝使用效果較差。

2）水庫(kù)采用不同“上防下排”措施時(shí)，排水溝至壩趾的距離越大，排水溝需要的最小深度會(huì)減小。即控制壩后農(nóng)田地下水位達(dá)到臨界深度時(shí)，距離壩趾較遠(yuǎn)的排水溝需要的深度較小，但排水溝越遠(yuǎn)不利于農(nóng)田的有效利用，此外，還發(fā)現(xiàn)壩后農(nóng)田地下水埋深會(huì)隨著排水溝深度的增加而增大。

3）恰拉水庫(kù)目前采用22倍水頭的水平鋪蓋和6 m排水溝聯(lián)合使用，排水溝距離壩趾為100 m，該方案能有效降低壩后農(nóng)田的地下水埋深至2.98 m，大于臨界深度2.45 m，農(nóng)田不會(huì)發(fā)生次生鹽漬化。

4）恰拉水庫(kù)下游壩坡抗滑安全系數(shù)為1.358>1.242（壩坡最小抗滑安全系數(shù)），壩坡處于安全狀體；壩趾至渠道間的積水長(zhǎng)度僅為0.27 m，沼澤化面積較小。避免農(nóng)田沼澤化對(duì)應(yīng)的排水溝最小深度為5.18 m，實(shí)際工程中排水溝深度為6 m。由此可見，排水溝的設(shè)計(jì)是合理的。

5）不同平原水庫(kù)在確定壩后排水溝位置及深度時(shí)，應(yīng)結(jié)合水庫(kù)防滲措施、壩后農(nóng)田需達(dá)到的地下水埋深、農(nóng)田積水和下游壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行綜合分析。排水溝作為輔助措施應(yīng)與農(nóng)田排水溝（渠）、水庫(kù)防滲體以及農(nóng)田灌溉制度配合使用，才能更加有效地發(fā)揮作用。

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Influence of reservoir seepage prevention measures and drainage ditch behind dam on groundwater depth of surrounding farmland

Mao Haitao1, Wang Zhengcheng1※, Wang Xiaoju1,2, Huang Qinghao3, Liu Yang3
(1. College of Civil Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China; 2. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3 College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China.)

Reservoir leakage has a great influence on water-salt dynamic, which is easy to cause soil secondary salinization and swamping in arid area. Groundwater depth of farmland behind dam is reduced by anti-seepage body and drain measure usually. Drainage ditches are set up behind dam, which can cut off seepage water and discharge water, therefore reducing the leakage loss. But how to choose parameters of drain, how to be combined with impervious body, and so on, these questions need to be studied further. Based on unsaturated soil seepage theory, aimed to the farmland around Qiala Reservoir, this paper calculated the combination measures by numerical simulation, and analyzed the relationship between groundwater depth and depth and position of drainage ditch by vertical cutoff wall, horizontal impervious blanket or non anti-seepage measures. Besides, we analyzed the downstream slope stability and adopted the field experiment to validate it. This research showed that the buried depth of farmland groundwater is characterized by a “funnel-shaped” downward trend taking the central axis of drainage ditch as a symmetrical axis in different seepage control schemes. The groundwater depth increased gradually before the drainage ditch, and decreased a little after the drainage ditch. Therefore, the “anti-seepage body and drain measure” reduce seepage into the farmland from the source, which can make farmland maintain a low groundwater depth. Different seepage control schemes of “anti-seepage body and drain measure” were different on the curbing and the effect of reducing the leakage of reservoir to farmland. The hanging cutoff wall and the non-impervious body cannot reduce the leakage of the reservoir effectively, and we found the combination of the former 2 ways has a weaker effect on anti-seepage. By comparing the 3 schemes, it was considered that the horizontal impervious blanket with a length of 22 times water head was better than the suspended cutoff wall and non-impervious body in seepage control. After combining it with the drainage ditch and the drainage in time, we controlled the groundwater depth at about 2.72 m effectively, which was greater than the local critical groundwater depth of 2.45 m, and curbed the trend of soil salinization after dam effectively. Drainage ditch position and depth had some effect on dam; we calculated the actual construction (length of 22 times water head) and found the downstream dam slope anti slide safety coefficient was 1.358, which was larger than the minimum slope anti slide safety coefficient of 1.242, so the downstream slope of the dam was in a safe state. After the drainage ditches were set up, the length of hydrops from the dam toe to drainage ditch was the main reason to the soil swamping. By calculating and measurement in the actual condition, we found the length of hydrops was 0.27 m, and the swamping area was smaller. In addition, calculations also revealed that the minimum depth of drainage ditches corresponding to avoiding field swamping was 5.18 m. Drain depth was 6 m in practical project, and thus the present cutoff wall, the distance between drainage ditch and dam toe, and the drain depth were reasonable. The study also found that water level changing and making sure draining timely have great effects on groundwater depth; drainage ditch was an auxiliary measure, and it can be combined with drainage and impervious body and farmland irrigation system, which can have a more effective influence.

groundwater; soils; models; soil salinization; horizontal impervious blanket; drainage ditch

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013

TU640.32

A

1002-6819(2017)-11-0098-10

毛海濤，王正成，王曉菊，黃慶豪，劉 陽(yáng). 水庫(kù)防滲措施及壩后排水溝距離對(duì)周邊農(nóng)田地下水埋深的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：98－107.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013 http://www.tcsae.org

Mao Haitao, Wang Zhengcheng, Wang Xiaoju, Huang Qinghao, Liu Yang. Influence of reservoir seepage prevention measures and drainage ditch behind dam on groundwater depth of surrounding farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 98－107. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.013 http://www.tcsae.org

2016-11-25

2017-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309262）；重慶市科委基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2015jcyjA0300、cstc2015jcyjA00022）；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ1601024）；重慶三峽學(xué)院校企合作項(xiàng)目（16PY03）

毛海濤，男，博士、副教授，主要從事干旱區(qū)節(jié)水灌溉及土壤次生鹽漬化機(jī)理研究。重慶 重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，404100。

Email：maohaitao1234@163.com

※通信作者：王正成，男，主要從事干旱區(qū)土壤鹽堿化及土石壩滲流機(jī)理研究。重慶 重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，404100。

Email：wangzhengcheng194@163.com