基于AutoBank的紫金湖渗流稳定分析

基于AutoBank的紫金湖渗流稳定分析

杨国军陈利军刘帅鹏

杨国军陈利军刘帅鹏

1.南水北调中线局河南直管局2.郑州大学水利与环境学院3.南水北调中线局河南直管局

摘要：紫金湖位于河南省浚县县城西北侧，为浚县引黄灌区而开挖的人工调蓄湖，规划成水总面积0.55km2。因其成湖地层主要为粉砂和粘土,其建设存在开挖施工防渗、成湖后的湖岸及湖底防渗、地下水交换,以及防止周边地区浸没、盐渍化等问题。应用渗流有限元分析软件AutoBank对紫金湖工程施工和运行期防渗方案进行了模拟分析计算,深入研究工程区渗漏量、渗透坡降、渗流场的变化并优化防渗方案。

关键词：渗流分析；人工湖；有限元0引言目前，在城市生态改善以及灌溉调蓄工程的建设中，许多地方都在建设或拟建人工湖。紫金湖作为浚县引黄灌溉工程的调蓄湖，规划总面积0.63km2，成水总面积0.55m2，正常蓄水水深为4.2m，最大水深5.5m，在目前已建的人工湖工程中规模较大。从目前人工湖的建设过程看，存在许多新问题：用何种方案既能保证成湖蓄水以发挥湖体的功能，又不恶化地下水环境，保证地下水体的交换、防止周边地区浸没、盐渍化，同时还要考虑建设及运行成本的经济合理。这是本文研究的具体内容和目标。

1工程概况1.1工程基本情况浚县引黄灌区调蓄工程规划由浚县引黄总干渠引水至紫金湖，湖址位于县城西北3.0km，浚州办事处十里铺村东十里铺卫河裁湾段处，规划总库容204.9万m3，调蓄库容181.5万m3，死库容23.4万m3，调蓄湖占地总面积0.63km2，正常水位56.0m时水面面积0.55km2。调蓄湖每年调蓄用水量760万m3，出水量490万m3，设计灌溉面积31万亩。

1.2工程地质条件及评价根据地质勘查资料，紫金湖工程区范围内揭露的地层从新到老依次分为5个工程地质层：第1层（Q4ml）填筑土：黄褐色，松散、稍湿。主要以壤土为主，含植物根系。层底埋深0.4-1.3m，层底标高55.9-58.7m，层厚0.4-1.3m。

第2层壤土（Q4al+pl）：黄褐色，可塑。该层在场地内分布不均匀，局部夹有砂粒，局部缺失。层底埋深6.5-11.8m，层底标高47.1-52.3m，层厚5.9-11m。

第3层粉砂（Q4al+pl）：黄褐色，稍湿，稍密。该层在场地内分布不均匀，局部缺失。层底埋深5.5-7.9m，层底标高50.7-52.3m，层厚5-7.4m。

第4层黏土（Q4al+pl）：棕褐色-灰白色，可塑-硬塑。上部为淤泥质黏土，切面稍光滑，底部变为灰白色，含大量姜石，并可见钙质结核，钙核粒径最大1.5cm左右，该层在场地内分布不均匀，层底埋深9.8-12.8m，层底标高45.8-48m，层厚3.3-5.5m。

第5层粉砂（Q4al+pl）：褐黄色，中密-密实，稍湿。该层在场地内分布不均匀，局部夹黏土。层底埋深20.8-27.7m，层底标高30.3-38.3m，层厚8.3-17.5m。

第6层黏土（Q4al+pl）：黄褐色-棕红色，可塑-硬塑，揭露最大深度为8.7m。

2分析研究方法2.1计算分析方法浚县调蓄湖防渗工程是主池区成池工程的最关键环节，防渗分为完全防渗和有限防渗。完全防渗设计指防渗有效控制调蓄湖渗漏量，池水与地下水隔离，不相互交换。有限防渗设计指防渗体要能有效地控湖体渗漏量，可蓄水成池；同时为保证池内水体与地下水相互交换，防止出现各种生态环境问题，防渗体渗透系数不能太小，因此要求防渗体的渗透系数应具有可控性，防渗体为有限防渗[1][2]。

紫金湖工程岸线长4363m，防渗轮廓变化复杂，但基础覆盖层各层分布较均匀，其相对位置及层厚变化不大，同时其地下水水位标高在37.0～38.5m，地下水水体运动对湖体自身的渗流及稳定影响甚微，故分析时可采用二维渗流模型进行计算[3]。

2.2模型布置紫金湖南北长1355m，东西长985m，湖岸周长4363m，总面积0.63km2，湖区地层分布均匀。湖底渗漏影响半径280m，岸坡长度取为50m，湖底高程51.8m，正常蓄水位56.0m，正常水深4.2m，高程56.5m以上边坡采用1：3，高程56.5m以下边坡采用1：4。

3计算成果分析3.1渗流计算成果分析3.1.1无防渗措施时渗流分析调蓄湖若不采用任何防渗措施，水面位于正常蓄水位56.0m时，计算在选取的单元范围内渗透量为3.74×10-5m3/s，调蓄湖湖岸渗漏量为288m3/d，湖底渗透量为2941m3/d，合计3229m3/d。由于边坡和部分池底土层以黏土为主，渗透系数较小，为弱透水地层，但厚薄不一，分布不均匀，部分为粉砂、细砂，粉砂、细砂为强透水，漏水量大。渗漏将造成池周的地下水位抬高，给调蓄湖周围造成土地次生盐碱化，引起粮食减产，带来较大生态环境的负面影响。

而岸坡在无保护下渗流稳定性不够，其渗透比降最大值3.78，在渗流出逸点处有直接发生渗透破坏的可能，严重时会造成边坡的局部滑塌，砂基处也容易发生流沙和管涌破坏。

3.1.2采取防渗措施时渗流分析当采用垂直防渗与水平防渗相结合方案时，湖周岸坡采用水平厚度为3m（垂直厚度0.73m）的粘土防渗，由湖底防护到湖区正常蓄水位以上0.5m；湖底采用不小于1.5m厚黏土防渗。黏土渗透系数取实验值1.3×10－6cm/s时，计算分析得调蓄湖湖岸渗漏量为132m3/d，湖底渗透量为1473m3/d，合计1605m3/d，渗漏量较未采取防渗措施时大大降低，且已满足每天渗透量不大于1634m3之设计要求。

3.2稳定计算成果分析调蓄湖为正常水位56.0m，考虑地震情况下的岸坡稳定计算简图及结果见图3，在施工期及完建期，调蓄湖尚未蓄水，即无水且考虑地震情况下的岸坡稳定计算简图及结果见图1，图1施工及完建期岸坡稳定计算结果上述计算结果表明：计算断面临水坡在正常运用条件及非常运用条件下的岸坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求的最小安全系数,岸坡抗滑稳定安全满足规范要求。

4结论以上分析研究表明，垂直防渗与水平防渗相结合是各方案中较优的选择。湖岸粘土垂直防渗层不仅有效阻止了湖水通过砂层向周围地下水的大面积渗透补给，降低了湖岸线后的地下水位和抬高地下水的影响范围，缩短了周围地区可能受地下水位抬高引起的浸没范围，湖底水平防渗层有效地降低了湖水下渗补给的渗透流量，有力保证了成湖工程水量平衡的可行性。同时，此种防渗方案的实施也能确保工程蓄水后湖岸周围的渗流稳定。

参考文献[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制(第2版)[M].北京:中国水利电力出版社，2003.[2]顾慰慈.堤防工程设计计算简明手册[M].北京:中国水利水电出版社，2014.[3]堤防工程设计规范(GB50286-2013)[S].北京:中国计划出版社，2013.作者简介：杨国军(1983-)，男，南水北调中线局河南直管局，主要从事工程管理工作。

陈利军(1984-)，男，郑州大学硕士研究生，主要从事水工结构安全性检测方面的研究。

刘帅鹏(1977-)，男，南水北调中线局河南直管局，主要从事工程管理工作。