平原水庫(kù)“防-截-導(dǎo)”滲流控制對(duì)壩后地下水位的影響

王 琳，毛海濤，2，嚴(yán)新軍，黃 風(fēng)，林 榮

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056002；3.巫溪縣后溪河水電開發(fā)有限公司，重慶 405800)

1 研究背景

在干旱、半干旱地區(qū)的平原灌區(qū)，平原水庫(kù)的滲漏抬升了壩后農(nóng)田水位，造成土壤次生鹽漬化[1]。在“鹽隨水走”的作用下，土地次生鹽漬化等壩后生態(tài)問(wèn)題將愈演愈重[2]。因此，減少大壩壩后滲漏量，將地下水位埋深控制在“地下水臨界深度”以下，即易鹽堿化地區(qū)不發(fā)生耕作層土壤鹽漬化并且作物不受鹽害存在的最淺地下水埋藏深度[3]，是治理土壤鹽漬化的關(guān)鍵。

由于平原水庫(kù)壩長(zhǎng)且覆蓋層深，采用全封閉式垂直防滲體的防滲效果較好，但施工技術(shù)要求極高而且修建預(yù)算費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)方面難以承受[4]；若采用水平鋪蓋防滲，雖降低了施工難度與預(yù)算費(fèi)用，但防滲效果不及垂直防滲[5]。防滲方面主要還是以考慮滲流穩(wěn)定和大壩安全性為主，僅通過(guò)上游防滲體難以實(shí)現(xiàn)對(duì)下游滲漏量的控制。對(duì)此要從控制滲水“源頭”方面下手，即在壩后設(shè)置截排系統(tǒng)對(duì)水庫(kù)滲漏水進(jìn)行截流、排導(dǎo)，防止大量滲水流入下游抬升壩后農(nóng)田地下水位，從而達(dá)到治理壩后農(nóng)田土壤鹽漬化的效果[6]。

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)利用截滲、排滲的方法來(lái)降低農(nóng)田地下水位埋深展開了大量的研究。羅紈等[7]研究表明農(nóng)田排水溝能有效控制地下水埋深并可以排出淋洗土壤鹽堿水，達(dá)到維持灌區(qū)水鹽平衡的目的；李山等[8]提出田間排水溝溝內(nèi)存在積水時(shí)，會(huì)對(duì)農(nóng)田地下水進(jìn)行反滲補(bǔ)給，但積水反滲并未引起作物根系區(qū)出現(xiàn)大量積鹽的現(xiàn)象，因此并不會(huì)對(duì)農(nóng)田地下水含鹽量造成影響；潘延鑫等[9]研究發(fā)現(xiàn)排水溝對(duì)農(nóng)田地下水有控制作用，農(nóng)田地下水位會(huì)隨著田間相鄰排水溝水位的變化而變化，且變化趨勢(shì)基本一致；Karandish等[10]研究表明，截滲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。毛海濤等[11]則提出從水庫(kù)的防滲體和排滲體相結(jié)合的方法出發(fā)，從源頭上控制壩后的地下水位，使其控制在地下水臨界水位以下。但針對(duì)干旱區(qū)平原水庫(kù)的水位控制問(wèn)題，還缺乏系統(tǒng)的分析，許多學(xué)者忽略了截滲后積水的有效疏導(dǎo)等問(wèn)題，并且在聯(lián)合使用下降低地下水位的效果方面還亟需研究。

因此，本文以內(nèi)陸干旱地區(qū)典型平原水庫(kù)——恰拉水庫(kù)為研究對(duì)象，以非飽和土體滲流理論作為理論基礎(chǔ)，利用ABAQUS有限元軟件[12]進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算分析，研究了平原水庫(kù)“防-截-導(dǎo)”聯(lián)合滲流控制下對(duì)壩后地下水埋深的影響，在保證壩基滲流的安全性和穩(wěn)定性的前提下，防止壩后農(nóng)田發(fā)生土壤鹽漬化。

2 非飽和滲流理論

對(duì)非飽和土體進(jìn)行滲透系數(shù)定義時(shí)，需要考慮兩個(gè)影響滲透系數(shù)的主要因素，即孔隙比和飽和度。飽和度通常被表述成基質(zhì)吸力的函數(shù)，采用土壤水分特征曲線(簡(jiǎn)稱SWCC)來(lái)描述非飽和土的基質(zhì)吸力與含水量之間的關(guān)系。

2.1 非飽和土體滲流理論

基質(zhì)吸力由孔隙水壓力和孔隙氣壓力共同決定，采用Van Genuchten[13]非飽和土水特征曲線方程。

um=ua-uw

(1)

(2)

式中：um、ua、uw分別為基質(zhì)吸力、孔隙氣壓力和孔隙水壓力，kPa；θw、θs、θr分別為土體的體積含水率、飽和狀態(tài)體積含水率和殘余狀態(tài)體積含水率；αw為與進(jìn)氣值倒數(shù)相關(guān)的參數(shù)；nw、mw分別為超過(guò)進(jìn)氣值后與土壤-水份特征曲線(SWCC)斜率相關(guān)的參數(shù)和非飽土殘余狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)，mw與nw的關(guān)系可表示為:

(3)

2.2 體積含水率與飽和度的關(guān)系

通過(guò)非飽和滲流方程可以得到基質(zhì)吸力與體積含水率之間的關(guān)系，在數(shù)值模擬時(shí)需要考慮飽和度與基質(zhì)吸力的影響，因此需要進(jìn)行體積含水率θw與飽和度Sr之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

(4)

式中：Sr為土體飽和度;θw為土壤體積含水率;e為土壤孔隙比;n為孔隙率。

2.3 飽和度對(duì)滲透性影響

在非飽和滲流過(guò)程中，要考慮土體的飽和度Sr對(duì)滲透系數(shù)k的影響，根據(jù)飽和度Sr的不同取值范圍確定折減系數(shù)km來(lái)修正滲透系數(shù)k。

當(dāng)飽和度Sr<1.0時(shí)，km=(Sr)3；

當(dāng)飽和度Sr≥1.0時(shí)，km=1.0。

在計(jì)算時(shí)滲透系數(shù)k按照飽和度的不同修正為k=km·kS，kS為土體的飽和滲透系數(shù)。

2.4 飽和度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系

當(dāng)土體處于非飽和狀態(tài)，uw<0，土體的基質(zhì)吸力往往用-uw表示。出于對(duì)土體吸濕和脫濕特性[14]的考慮，應(yīng)控制土體飽和度在基質(zhì)吸力的作用下處于某一范圍內(nèi)。因此，在研究非飽和土問(wèn)題時(shí)，還需要定義吸濕曲線和脫水曲線并考慮兩者間的變化規(guī)律。

3 數(shù)值模擬

3.1 工程概況

恰拉水庫(kù)為典型的內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)，位于東經(jīng)86°36′～86°57′，北緯40°04′～40°59′范圍內(nèi)，坐落在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內(nèi)。水庫(kù)庫(kù)容為1.61×108m3，工程規(guī)模屬于大(2)型。水庫(kù)三面環(huán)繞筑黏土均質(zhì)壩，建基面高程為869.0 m，壩頂高程為877.3 m，水庫(kù)的設(shè)計(jì)水位為875.0 m。壩高8.3 m，壩頂寬6.0 m，上游與下游壩坡均為1∶2.5。壩基以細(xì)砂為主，壩基深度取100 m。庫(kù)區(qū)氣候?yàn)闃O端干旱的大陸性氣候，常年平均氣溫為10.6℃，其中年內(nèi)極端最高氣溫達(dá)42.2℃[15]。多年的平均降水量與平均蒸發(fā)量分別為21.5、2 680 mm，由于年平均降水量很小，建模時(shí)不考慮滲流自由面上的降雨入滲。在水庫(kù)修建之前，該地區(qū)的農(nóng)田地下水埋深接近3 m。水庫(kù)蓄水后，抬升了地下水位，水庫(kù)周邊農(nóng)田出現(xiàn)土壤鹽漬化的現(xiàn)象且逐年加劇。

使庫(kù)區(qū)周邊農(nóng)田發(fā)生土壤鹽漬化的地下水位臨界深度[16]可表示為：

Hk=Hz+Hg+Ha

(5)

式中:Hz為作物根系層厚度，m，庫(kù)區(qū)周邊生長(zhǎng)的農(nóng)田作物根系層厚度取0.3 m[17]；Hg為毛管水強(qiáng)烈上升高度，m，該地區(qū)取1.65 m;Ha為安全超高，m，當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值一般取0.5 m[18]。

由此可知，當(dāng)?shù)氐叵滤慌R界深度為Hk=0.3+1.55 +0.6 =2.45 m。

3.2 模型建立

3.2.1 工況設(shè)置 為了系統(tǒng)研究不同防滲方案下，壩后截滲溝和導(dǎo)水體系對(duì)水位的控制效果，本研究在防滲方面設(shè)置了3種工況，分別為：(1)無(wú)防滲措施；(2)土工膜水平鋪蓋防滲措施，水平鋪蓋長(zhǎng)度為壩前水頭6 m的22倍，即132 m；(3)懸掛式混凝土垂直防滲墻深度20 m[19]，如圖1所示。

圖1 3種防滲工況的模型斷面圖(單位：m)

截滲溝(又稱截水溝)位于壩后距壩址100 m處，深度取1.5、2.5、3.5、4.5 m進(jìn)行對(duì)比。為更好地反映截滲溝排水效果(導(dǎo)滲)對(duì)地下水位的影響，截滲溝均設(shè)置5～6個(gè)不同的積水深度作為對(duì)比研究。

為便于觀察壩后地下水位埋深的變化趨勢(shì)，分別在壩后距壩址20、40、60……200 m處設(shè)置10個(gè)水位數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，編號(hào)為P20、P40、P60…P200。

3.2.2 模型邊界條件的設(shè)定 3種工況下，模型整體定義的邊界條件(除水平鋪蓋與垂直防滲墻的邊界定義)大致相同，具體為圖1(a)所示：

(1)S1為已知總水頭邊界條件，即上游邊界條件，總水頭Φ1=H1。在ABAQUS/Standard中指定該邊界上的孔隙水壓力，其關(guān)系式為：

uw=(H1-Y)γw

(6)

式中：uw為孔隙水壓力，kPa；H1為水頭高度，m，根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)水位取6 m；Y為空間分布計(jì)算的縱坐標(biāo)，m；γw為水的容重，kN/m3，取值為10 kN/m3。

(2)S2為不透水邊界條件，即邊界上通過(guò)的流量為零。一般所有邊界在軟件中初始默認(rèn)設(shè)定為不透水邊界，因此不需要額外定義。

(3)S3為自由溢出段邊界條件，即下游邊界條件，在定義該邊界條件時(shí)需要將孔隙水壓力uw定為0即可。其中S3邊界條件里壩體的下游坡面與壩后區(qū)域又是排水邊界，因此要注意在ABAQUS/Model/Keywords里定義這兩處的初始土體飽和滲透系數(shù)ks。

(4)S4為截滲溝的邊界條件，其中底部為不透水邊界無(wú)需定義，溝的左右兩側(cè)既有截滲溝的定水頭邊界又為自由溢出段邊界。定水頭Φ2=H2，與孔隙水壓力的關(guān)系為：

uw=(H2-Y)γw

(7)

式中：H2為溝內(nèi)的水頭，即積水高度，m。

由于該邊界也是自由溢出段邊界因此初始孔隙水壓力uw應(yīng)為0，但公式(7)在定義時(shí)剛開始溝內(nèi)無(wú)積水高度，隨著時(shí)間增加才有積水高度，因此滿足初始uw為0的條件，公式(7)成立。

(5)水平鋪蓋(包括斜心墻)與垂直防滲墻在定義不透水邊界條件時(shí)，只需選定材料不對(duì)此做滲透分析即可。

3.3 計(jì)算參數(shù)

采用張力計(jì)法[20]測(cè)得壩基土樣的土壤水分特征曲線，通過(guò)SWCC中的參數(shù)換算得到對(duì)應(yīng)的飽和度隨基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)ks的變化曲線。利用ABAQUS分析時(shí)，非飽和壩體和壩基土體的飽和度選取范圍為0.01～1，其各參數(shù)關(guān)系如圖2、3所示。

圖2 土體體積含水率隨基質(zhì)吸力的變化關(guān)系

壩體、壩基、水平鋪蓋和垂直防滲墻的數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。將飽和度隨基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)的變化曲線和物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)輸入軟件并創(chuàng)建計(jì)算參數(shù)，再根據(jù)滲流有限元的計(jì)算原理創(chuàng)建初始邊界條件。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 截滲溝及深度對(duì)地下水位的影響

壩后設(shè)置截滲溝可以明顯降低壩后的地下水位，壩后設(shè)置截滲溝壩后水位可降低到地面以下，而無(wú)截滲溝時(shí)，壩后在300 m范圍內(nèi)均有地表積水，如圖4所示。壩后達(dá)到滲流穩(wěn)定時(shí)且溝內(nèi)水位在短時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，對(duì)比各工況下地下水埋深h1隨截滲溝深度H的變化曲線，如圖5所示。

圖3 土體飽和度隨基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)的變化關(guān)系

圖4 有無(wú)截滲溝壩后地下水位的變化

圖5 地下水位埋深隨截滲溝深度的變化曲線

由圖5可得，以無(wú)防滲措施為例，H=1.5、2.5、3.5、4.5 m時(shí)，P20～P200的地下水位埋深h1分別為：0.24～0.85 m、0.61～1.72 m、0.95～2.11 m、1.12～2.67 m?？梢?jiàn)各工況下壩后農(nóng)田的地下水位均隨截滲溝深度增大而降低，截滲溝越深，降低地下水位效果越好；壩后地下水位以截滲溝為中心，形成降落“漏斗”，截滲溝上游水位略高于下游水位。各工況在壩后P180左右均基本趨于穩(wěn)定，P200處的地下水位不再發(fā)生變化。除此之外還發(fā)現(xiàn)，同種工況下截滲溝深度H每增加1.0 m，最終地下水位降低深度會(huì)增大1.22～2.02倍。

綜合對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)間內(nèi)，隨著截滲溝深度的增大，無(wú)防滲措施下的峰值降落差最明顯。截滲溝深度H從1.5 m增大到4.5 m時(shí)，無(wú)防滲措施、垂直防滲、水平鋪蓋3種工況下的觀測(cè)點(diǎn)峰值分別降落了2.42、2.33、2.35 m?？梢?jiàn)，在無(wú)防滲措施情況下，由于滲流量大，截滲溝及其深度變化對(duì)壩后水位影響最大。

4.2 防滲形式對(duì)壩后地下水位的影響

以截滲溝H=1.5 m為例，且溝內(nèi)積水水位穩(wěn)定后對(duì)比3種工況下，壩后地下水位的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 各工況下壩后地下水位變化規(guī)律

圖6顯示，由于垂直防滲在滲流控制方面優(yōu)于水平鋪蓋，減小了滲水的總量。因此結(jié)合壩后截滲溝后，控制地下水位效果最佳，其次是水平鋪蓋和無(wú)防滲工況。無(wú)防滲措施、水平鋪蓋、垂直防滲3種工況下的觀測(cè)點(diǎn)峰值分別為1.23、1.38、1.49 m；穩(wěn)定后P200處地下水位埋深h1分別為0.85、0.95、1.11 m。在垂直防滲措施下水位降落峰值均大于其他兩種工況，且趨于穩(wěn)定后的地下水位最低?？梢?jiàn)，防滲效果越好，截滲的壓力就會(huì)越小，截滲溝的深度就可以適當(dāng)減小。

4.3 “導(dǎo)滲”作用對(duì)壩后地下水埋深的影響

壩后截滲溝控制壩后地下水位雖然效果明顯，但隨著滲水量的增大，截滲溝水位也會(huì)逐漸上升，若溝中水體若不能及時(shí)排除，對(duì)壩后地下水位也會(huì)有一定的影響。以H=4.5 m時(shí)，結(jié)合截滲溝效果最佳的垂直防滲措施為例，來(lái)分析導(dǎo)滲的作用見(jiàn)圖7。

圖7(a)表明，截滲溝積滿后壩后穩(wěn)定區(qū)的地下水位為0.43 m，降落漏斗區(qū)域范圍也變小，積滿水的截滲溝在控制壩后地下水埋深的功能基本喪失；圖7(b)表明，將截滲溝內(nèi)部水體導(dǎo)出并在滲流穩(wěn)定后，壩后整體地下水位降低，降落漏斗區(qū)域?qū)Φ叵滤裆畹挠绊懛秶鷶U(kuò)大，最終在下游水位穩(wěn)點(diǎn)區(qū)的地下水位降低至2.96 m，大于當(dāng)?shù)氐摹芭R界水深”。

圖7 截滲溝積水積滿和導(dǎo)出后壩后地下水位的變化(單位：m)

此外，導(dǎo)滲還具有時(shí)效性，并控制在合適的水位，導(dǎo)滲后在不同截滲溝水位下，壩后地下水位的對(duì)比如圖8所示。

圖8顯示，截滲溝H=4.5 m，P100處的地下水位維持在2.88 m時(shí)，壩后滲流穩(wěn)定后地下水位為2.46 m(圖8(a))。若能及時(shí)排除截滲溝內(nèi)部的滲漏水，使其P100處的地下水位降至3.89 m，則滲流穩(wěn)定后P200處的地下水位為2.96 m(圖8(b))。因此“導(dǎo)滲”也是必要的治理壩后土壤鹽漬化的重要環(huán)節(jié)。

圖8 截滲溝內(nèi)積水變化對(duì)壩后水位的影響

4.4 “截滲”與“導(dǎo)滲”聯(lián)合作用對(duì)壩后地下水位的影響

通過(guò)改變截滲溝內(nèi)積水深度，來(lái)反映 “截滲”“導(dǎo)滲”的過(guò)程對(duì)地下水的影響，即從截滲溝積水集滿開始，取5～6個(gè)逐級(jí)減小的積水深度值作對(duì)比，如圖9所示。

圖9 3種防滲工況下壩后地下水位埋深隨截滲溝內(nèi)積水深度的變化曲線

如圖9所示，以H=4.5 m為例，無(wú)防滲措施、水平鋪蓋和垂直防滲措施下溝內(nèi)積水深度為4.5、3.5、2.5、1.5、0.5、0.1 m時(shí)壩后P200處的地下水位分別為0.05、0.75、1.38、1.92、2.45、2.67 m；0.15、0.87、1.46、2.01、2.51、2.71 m；0.43、1.18、1.78、2.42、2.96、3.15 m。可知各工況下地下水位h1與截滲溝積水深度h2的變化趨勢(shì)基本一致，基本呈線性變化。h1與h2呈反比，即截滲溝中積水深度h2越低，積水量越小時(shí)，地下水埋深h1越大。其中，水平鋪蓋措施下，h1隨h2的變化較為平緩，無(wú)防滲措施其次，垂直防滲措施變化最為明顯。通過(guò)綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，垂直防滲措施結(jié)合“截滲-導(dǎo)滲”的作用效果是無(wú)防滲措施條件下的1.16～1.30倍，是水平鋪蓋措施條件下的1.15～1.21倍。

上文所述，截滲溝的深度越大，增大地下水埋深效果也越明顯，但考慮到施工經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，開挖深度不宜過(guò)大，因此需要確定不同工況下合理的截滲溝開挖深度。分析圖9(d)可知，H=4.5 m時(shí)，當(dāng)截滲溝內(nèi)積水全部排出，下游水位達(dá)到穩(wěn)定后，水平鋪蓋措施下P200處的地下水埋深h1=2.71 m，無(wú)防滲措施下的地下水埋深h1=2.67 m。由于恰拉水庫(kù)周邊農(nóng)田土壤不發(fā)生鹽漬化的地下水臨界水深Hk=2.45 m，這兩種工況下的地下水埋深正好略大于“臨界水深”。因此在“截滲”與“導(dǎo)滲”聯(lián)合作用的條件下，截滲溝深度設(shè)計(jì)為H=4.5 m，最有利于無(wú)防滲措施和水平鋪蓋措施下防止壩后發(fā)生土壤鹽漬化的現(xiàn)象。

在垂直防滲措施下H=4.5 m時(shí)，h1>3.0 m，其地下水埋深太深時(shí)不利于植株根系的生長(zhǎng)。觀察圖9(c)發(fā)現(xiàn)，H=3.5 m時(shí)，垂直防滲措施下壩后200 m處的地下水埋深h1=2.72 m正好位于“臨界水深”以下。

綜上可得，在“截滲”與“導(dǎo)滲”的聯(lián)合作用下，無(wú)防滲措施、水平鋪蓋、垂直防滲的最適截滲溝設(shè)計(jì)深度分別為4.5、4.5、3.5 m。

5 結(jié) 論

本文基于非飽和滲流理論，以干旱區(qū)典型平原水庫(kù)——恰拉水庫(kù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了水庫(kù)防滲、排滲和導(dǎo)滲對(duì)大壩下游周邊農(nóng)田地下水位的影響，結(jié)論如下：

(1)綜合防滲與截滲、導(dǎo)滲聯(lián)合計(jì)算結(jié)果，垂直防滲優(yōu)于水平鋪蓋，水庫(kù)防滲效果越好，下游截滲和導(dǎo)滲的壓力就越小，并可適當(dāng)降低壩后截滲溝的深度和相應(yīng)開挖工程量。

(2)截滲溝越深，溝內(nèi)積水深度越小對(duì)降低下游地下水位越有利。截、導(dǎo)聯(lián)合使用下，無(wú)防滲措施、水平鋪蓋、垂直防滲墻結(jié)合截滲溝的最適深度分別為4.5、4.5、3.5 m。

(3)防滲在總體上控制了滲流量，截滲有效地截?cái)嗔藟魏鬂B流量，“導(dǎo)滲”則解決了滲流的“去處”問(wèn)題，使截滲溝對(duì)壩后農(nóng)田地下水的控制效果具有持續(xù)性。防、截、導(dǎo)三者聯(lián)合作用可以有效地將壩后農(nóng)田地下水位控制在“臨界水深”以下，防止壩后農(nóng)田發(fā)生土壤鹽漬化。