王 琳，毛海涛，2，严新军，黄 风，林 荣

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056002；3.巫溪县后溪河水电开发有限公司，重庆 405800)

1 研究背景

在干旱、半干旱地区的平原灌区，平原水库的渗漏抬升了坝后农田水位，造成土壤次生盐渍化[1]。在“盐随水走”的作用下，土地次生盐渍化等坝后生态问题将愈演愈重[2]。因此，减少大坝坝后渗漏量，将地下水位埋深控制在“地下水临界深度”以下，即易盐碱化地区不发生耕作层土壤盐渍化并且作物不受盐害存在的最浅地下水埋藏深度[3]，是治理土壤盐渍化的关键。

由于平原水库坝长且覆盖层深，采用全封闭式垂直防渗体的防渗效果较好，但施工技术要求极高而且修建预算费用高，经济方面难以承受[4]；若采用水平铺盖防渗，虽降低了施工难度与预算费用，但防渗效果不及垂直防渗[5]。防渗方面主要还是以考虑渗流稳定和大坝安全性为主，仅通过上游防渗体难以实现对下游渗漏量的控制。对此要从控制渗水“源头”方面下手，即在坝后设置截排系统对水库渗漏水进行截流、排导，防止大量渗水流入下游抬升坝后农田地下水位，从而达到治理坝后农田土壤盐渍化的效果[6]。

近年来，许多国内外学者针对利用截渗、排渗的方法来降低农田地下水位埋深展开了大量的研究。罗纨等[7]研究表明农田排水沟能有效控制地下水埋深并可以排出淋洗土壤盐碱水，达到维持灌区水盐平衡的目的；李山等[8]提出田间排水沟沟内存在积水时，会对农田地下水进行反渗补给，但积水反渗并未引起作物根系区出现大量积盐的现象，因此并不会对农田地下水含盐量造成影响；潘延鑫等[9]研究发现排水沟对农田地下水有控制作用，农田地下水位会随着田间相邻排水沟水位的变化而变化，且变化趋势基本一致；Karandish等[10]研究表明，截渗沟水位变化可以直接或间接地影响周围农田的地下水位和盐分含量。毛海涛等[11]则提出从水库的防渗体和排渗体相结合的方法出发，从源头上控制坝后的地下水位，使其控制在地下水临界水位以下。但针对干旱区平原水库的水位控制问题，还缺乏系统的分析，许多学者忽略了截渗后积水的有效疏导等问题，并且在联合使用下降低地下水位的效果方面还亟需研究。

因此，本文以内陆干旱地区典型平原水库——恰拉水库为研究对象，以非饱和土体渗流理论作为理论基础，利用ABAQUS有限元软件[12]进行数值建模计算分析，研究了平原水库“防-截-导”联合渗流控制下对坝后地下水埋深的影响，在保证坝基渗流的安全性和稳定性的前提下，防止坝后农田发生土壤盐渍化。

2 非饱和渗流理论

对非饱和土体进行渗透系数定义时，需要考虑两个影响渗透系数的主要因素，即孔隙比和饱和度。饱和度通常被表述成基质吸力的函数，采用土壤水分特征曲线(简称SWCC)来描述非饱和土的基质吸力与含水量之间的关系。

2.1 非饱和土体渗流理论

基质吸力由孔隙水压力和孔隙气压力共同决定，采用Van Genuchten[13]非饱和土水特征曲线方程。

um=ua-uw

(1)

(2)

式中：um、ua、uw分别为基质吸力、孔隙气压力和孔隙水压力，kPa；θw、θs、θr分别为土体的体积含水率、饱和状态体积含水率和残余状态体积含水率；αw为与进气值倒数相关的参数；nw、mw分别为超过进气值后与土壤-水份特征曲线(SWCC)斜率相关的参数和非饱土残余状态相关的参数，mw与nw的关系可表示为:

(3)

2.2 体积含水率与饱和度的关系

通过非饱和渗流方程可以得到基质吸力与体积含水率之间的关系，在数值模拟时需要考虑饱和度与基质吸力的影响，因此需要进行体积含水率θw与饱和度Sr之间的关系转换，转换关系式为：

(4)

式中：Sr为土体饱和度;θw为土壤体积含水率;e为土壤孔隙比;n为孔隙率。

2.3 饱和度对渗透性影响

在非饱和渗流过程中，要考虑土体的饱和度Sr对渗透系数k的影响，根据饱和度Sr的不同取值范围确定折减系数km来修正渗透系数k。

当饱和度Sr<1.0时，km=(Sr)3；

当饱和度Sr≥1.0时，km=1.0。

在计算时渗透系数k按照饱和度的不同修正为k=km·kS，kS为土体的饱和渗透系数。

2.4 饱和度与基质吸力之间的关系

当土体处于非饱和状态，uw<0，土体的基质吸力往往用-uw表示。出于对土体吸湿和脱湿特性[14]的考虑，应控制土体饱和度在基质吸力的作用下处于某一范围内。因此，在研究非饱和土问题时，还需要定义吸湿曲线和脱水曲线并考虑两者间的变化规律。

3 数值模拟

3.1 工程概况

恰拉水库为典型的内陆干旱区平原水库，位于东经86°36′～86°57′，北纬40°04′～40°59′范围内，坐落在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县境内。水库库容为1.61×108m3，工程规模属于大(2)型。水库三面环绕筑黏土均质坝，建基面高程为869.0 m，坝顶高程为877.3 m，水库的设计水位为875.0 m。坝高8.3 m，坝顶宽6.0 m，上游与下游坝坡均为1∶2.5。坝基以细砂为主，坝基深度取100 m。库区气候为极端干旱的大陆性气候，常年平均气温为10.6℃，其中年内极端最高气温达42.2℃[15]。多年的平均降水量与平均蒸发量分别为21.5、2 680 mm，由于年平均降水量很小，建模时不考虑渗流自由面上的降雨入渗。在水库修建之前，该地区的农田地下水埋深接近3 m。水库蓄水后，抬升了地下水位，水库周边农田出现土壤盐渍化的现象且逐年加剧。

使库区周边农田发生土壤盐渍化的地下水位临界深度[16]可表示为：

Hk=Hz+Hg+Ha

(5)

式中:Hz为作物根系层厚度，m，库区周边生长的农田作物根系层厚度取0.3 m[17]；Hg为毛管水强烈上升高度，m，该地区取1.65 m;Ha为安全超高，m，当地经验取值一般取0.5 m[18]。

由此可知，当地地下水位临界深度为Hk=0.3+1.55 +0.6 =2.45 m。

3.2 模型建立

3.2.1 工况设置 为了系统研究不同防渗方案下，坝后截渗沟和导水体系对水位的控制效果，本研究在防渗方面设置了3种工况，分别为：(1)无防渗措施；(2)土工膜水平铺盖防渗措施，水平铺盖长度为坝前水头6 m的22倍，即132 m；(3)悬挂式混凝土垂直防渗墙深度20 m[19]，如图1所示。

图1 3种防渗工况的模型断面图(单位：m)

截渗沟(又称截水沟)位于坝后距坝址100 m处，深度取1.5、2.5、3.5、4.5 m进行对比。为更好地反映截渗沟排水效果(导渗)对地下水位的影响，截渗沟均设置5～6个不同的积水深度作为对比研究。

为便于观察坝后地下水位埋深的变化趋势，分别在坝后距坝址20、40、60……200 m处设置10个水位数据采集点，编号为P20、P40、P60…P200。

3.2.2 模型边界条件的设定 3种工况下，模型整体定义的边界条件(除水平铺盖与垂直防渗墙的边界定义)大致相同，具体为图1(a)所示：

(1)S1为已知总水头边界条件，即上游边界条件，总水头Φ1=H1。在ABAQUS/Standard中指定该边界上的孔隙水压力，其关系式为：

uw=(H1-Y)γw

(6)

式中：uw为孔隙水压力，kPa；H1为水头高度，m，根据水库设计水位取6 m；Y为空间分布计算的纵坐标，m；γw为水的容重，kN/m3，取值为10 kN/m3。

(2)S2为不透水边界条件，即边界上通过的流量为零。一般所有边界在软件中初始默认设定为不透水边界，因此不需要额外定义。

(3)S3为自由溢出段边界条件，即下游边界条件，在定义该边界条件时需要将孔隙水压力uw定为0即可。其中S3边界条件里坝体的下游坡面与坝后区域又是排水边界，因此要注意在ABAQUS/Model/Keywords里定义这两处的初始土体饱和渗透系数ks。

(4)S4为截渗沟的边界条件，其中底部为不透水边界无需定义，沟的左右两侧既有截渗沟的定水头边界又为自由溢出段边界。定水头Φ2=H2，与孔隙水压力的关系为：

uw=(H2-Y)γw

(7)

式中：H2为沟内的水头，即积水高度，m。

由于该边界也是自由溢出段边界因此初始孔隙水压力uw应为0，但公式(7)在定义时刚开始沟内无积水高度，随着时间增加才有积水高度，因此满足初始uw为0的条件，公式(7)成立。

(5)水平铺盖(包括斜心墙)与垂直防渗墙在定义不透水边界条件时，只需选定材料不对此做渗透分析即可。

3.3 计算参数

采用张力计法[20]测得坝基土样的土壤水分特征曲线，通过SWCC中的参数换算得到对应的饱和度随基质吸力和渗透系数ks的变化曲线。利用ABAQUS分析时，非饱和坝体和坝基土体的饱和度选取范围为0.01～1，其各参数关系如图2、3所示。

图2 土体体积含水率随基质吸力的变化关系

坝体、坝基、水平铺盖和垂直防渗墙的数值模拟计算参数见表1。将饱和度随基质吸力和渗透系数的变化曲线和物理、力学性质指标输入软件并创建计算参数，再根据渗流有限元的计算原理创建初始边界条件。

表1 数值模拟计算参数

4 数值模拟结果与分析

4.1 截渗沟及深度对地下水位的影响

坝后设置截渗沟可以明显降低坝后的地下水位，坝后设置截渗沟坝后水位可降低到地面以下，而无截渗沟时，坝后在300 m范围内均有地表积水，如图4所示。坝后达到渗流稳定时且沟内水位在短时间内不发生变化，对比各工况下地下水埋深h1随截渗沟深度H的变化曲线，如图5所示。

图3 土体饱和度随基质吸力和渗透系数的变化关系

图4 有无截渗沟坝后地下水位的变化

图5 地下水位埋深随截渗沟深度的变化曲线

由图5可得，以无防渗措施为例，H=1.5、2.5、3.5、4.5 m时，P20～P200的地下水位埋深h1分别为：0.24～0.85 m、0.61～1.72 m、0.95～2.11 m、1.12～2.67 m。可见各工况下坝后农田的地下水位均随截渗沟深度增大而降低，截渗沟越深，降低地下水位效果越好；坝后地下水位以截渗沟为中心，形成降落“漏斗”，截渗沟上游水位略高于下游水位。各工况在坝后P180左右均基本趋于稳定，P200处的地下水位不再发生变化。除此之外还发现，同种工况下截渗沟深度H每增加1.0 m，最终地下水位降低深度会增大1.22～2.02倍。

综合对比不难发现，相同时间内，随着截渗沟深度的增大，无防渗措施下的峰值降落差最明显。截渗沟深度H从1.5 m增大到4.5 m时，无防渗措施、垂直防渗、水平铺盖3种工况下的观测点峰值分别降落了2.42、2.33、2.35 m。可见，在无防渗措施情况下，由于渗流量大，截渗沟及其深度变化对坝后水位影响最大。

4.2 防渗形式对坝后地下水位的影响

以截渗沟H=1.5 m为例，且沟内积水水位稳定后对比3种工况下，坝后地下水位的变化规律如图6所示。

图6 各工况下坝后地下水位变化规律

图6显示，由于垂直防渗在渗流控制方面优于水平铺盖，减小了渗水的总量。因此结合坝后截渗沟后，控制地下水位效果最佳，其次是水平铺盖和无防渗工况。无防渗措施、水平铺盖、垂直防渗3种工况下的观测点峰值分别为1.23、1.38、1.49 m；稳定后P200处地下水位埋深h1分别为0.85、0.95、1.11 m。在垂直防渗措施下水位降落峰值均大于其他两种工况，且趋于稳定后的地下水位最低。可见，防渗效果越好，截渗的压力就会越小，截渗沟的深度就可以适当减小。

4.3 “导渗”作用对坝后地下水埋深的影响

坝后截渗沟控制坝后地下水位虽然效果明显，但随着渗水量的增大，截渗沟水位也会逐渐上升，若沟中水体若不能及时排除，对坝后地下水位也会有一定的影响。以H=4.5 m时，结合截渗沟效果最佳的垂直防渗措施为例，来分析导渗的作用见图7。

图7(a)表明，截渗沟积满后坝后稳定区的地下水位为0.43 m，降落漏斗区域范围也变小，积满水的截渗沟在控制坝后地下水埋深的功能基本丧失；图7(b)表明，将截渗沟内部水体导出并在渗流稳定后，坝后整体地下水位降低，降落漏斗区域对地下水埋深的影响范围扩大，最终在下游水位稳点区的地下水位降低至2.96 m，大于当地的“临界水深”。

图7 截渗沟积水积满和导出后坝后地下水位的变化(单位：m)

此外，导渗还具有时效性，并控制在合适的水位，导渗后在不同截渗沟水位下，坝后地下水位的对比如图8所示。

图8显示，截渗沟H=4.5 m，P100处的地下水位维持在2.88 m时，坝后渗流稳定后地下水位为2.46 m(图8(a))。若能及时排除截渗沟内部的渗漏水，使其P100处的地下水位降至3.89 m，则渗流稳定后P200处的地下水位为2.96 m(图8(b))。因此“导渗”也是必要的治理坝后土壤盐渍化的重要环节。

图8 截渗沟内积水变化对坝后水位的影响

4.4 “截渗”与“导渗”联合作用对坝后地下水位的影响

通过改变截渗沟内积水深度，来反映 “截渗”“导渗”的过程对地下水的影响，即从截渗沟积水集满开始，取5～6个逐级减小的积水深度值作对比，如图9所示。

图9 3种防渗工况下坝后地下水位埋深随截渗沟内积水深度的变化曲线

如图9所示，以H=4.5 m为例，无防渗措施、水平铺盖和垂直防渗措施下沟内积水深度为4.5、3.5、2.5、1.5、0.5、0.1 m时坝后P200处的地下水位分别为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。可知各工况下地下水位h1与截渗沟积水深度h2的变化趋势基本一致，基本呈线性变化。h1与h2呈反比，即截渗沟中积水深度h2越低，积水量越小时，地下水埋深h1越大。其中，水平铺盖措施下，h1随h2的变化较为平缓，无防渗措施其次，垂直防渗措施变化最为明显。通过综合对比发现，垂直防渗措施结合“截渗-导渗”的作用效果是无防渗措施条件下的1.16～1.30倍，是水平铺盖措施条件下的1.15～1.21倍。

上文所述，截渗沟的深度越大，增大地下水埋深效果也越明显，但考虑到施工经济等问题，开挖深度不宜过大，因此需要确定不同工况下合理的截渗沟开挖深度。分析图9(d)可知，H=4.5 m时，当截渗沟内积水全部排出，下游水位达到稳定后，水平铺盖措施下P200处的地下水埋深h1=2.71 m，无防渗措施下的地下水埋深h1=2.67 m。由于恰拉水库周边农田土壤不发生盐渍化的地下水临界水深Hk=2.45 m，这两种工况下的地下水埋深正好略大于“临界水深”。因此在“截渗”与“导渗”联合作用的条件下，截渗沟深度设计为H=4.5 m，最有利于无防渗措施和水平铺盖措施下防止坝后发生土壤盐渍化的现象。

在垂直防渗措施下H=4.5 m时，h1>3.0 m，其地下水埋深太深时不利于植株根系的生长。观察图9(c)发现，H=3.5 m时，垂直防渗措施下坝后200 m处的地下水埋深h1=2.72 m正好位于“临界水深”以下。

综上可得，在“截渗”与“导渗”的联合作用下，无防渗措施、水平铺盖、垂直防渗的最适截渗沟设计深度分别为4.5、4.5、3.5 m。

5 结 论

本文基于非饱和渗流理论，以干旱区典型平原水库——恰拉水库为研究对象，系统研究了水库防渗、排渗和导渗对大坝下游周边农田地下水位的影响，结论如下：

(1)综合防渗与截渗、导渗联合计算结果，垂直防渗优于水平铺盖，水库防渗效果越好，下游截渗和导渗的压力就越小，并可适当降低坝后截渗沟的深度和相应开挖工程量。

(2)截渗沟越深，沟内积水深度越小对降低下游地下水位越有利。截、导联合使用下，无防渗措施、水平铺盖、垂直防渗墙结合截渗沟的最适深度分别为4.5、4.5、3.5 m。

(3)防渗在总体上控制了渗流量，截渗有效地截断了坝后渗流量，“导渗”则解决了渗流的“去处”问题，使截渗沟对坝后农田地下水的控制效果具有持续性。防、截、导三者联合作用可以有效地将坝后农田地下水位控制在“临界水深”以下，防止坝后农田发生土壤盐渍化。