库盘大面积土工膜防渗体的渗漏估算#
姜海波，侍克斌*
基金项目：国家高等学校博士点专项科研基金(200807580007)；新疆水利水电工程重点学科基金
(xjzdxk-2002-10-05)
作者简介：姜海波，(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向：水利水电工程设计、施工理论及方案优选
研究. E-mail: klaud_123@163.com
（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）
5 摘要：对于大面积或全库盘使用土工膜防渗的水库，土工膜防渗体渗透特性的分析是工程设
计和施工的一项重要工作，这对利用和管理库区水资源具有重要的意义。从水量平衡角度，
采用达西定律对库盘大面积土工膜防渗体的渗透特性进行研究，分析库盘大面积土工膜防渗
体产生的破损孔洞对土工膜渗透特性的影响，计算大面积土工膜防渗体的渗透量和渗透系
数，从整体上得出大面积土工膜防渗体渗透特性的分析方法。结合工程实例，计算具体工程
10 土工膜防渗体的渗透量和渗透系数，得出该工程土工膜防渗体的渗透规律。
关键词：渗透分析；土工膜；达西定律；统计分析
 0 引言
30 近年来，土工膜作为工程防渗处理的一种主要材料[1]，已被许多水库大坝所采用，尤其
是库区坡度较缓的平原水库或丘陵水库，甚至采用了全库盘或部分库盘土工膜防渗。对于大
面积或全库盘使用土工膜防渗的水库，库盘土工膜防渗体的渗透分析对工程的运行管理有很
重要的现实意义。关于土工膜防渗体的渗透分析，大量的学者都对其进行了研究。陶同康
(1993) [2]从铺盖和透水地基界面的接触冲刷概念出发，研究复合土工薄膜用作斜墙铺盖防
35 渗，导出了极限铺盖长度和渗流量的计算公式。顾淦臣和陶同康(1994) [3，4]对上述问题又进
行了讨论，对其中的两个重要问题(复合土工薄膜极限铺盖长度和复合土工薄膜受力变形对
其渗流的影响)进行了商榷。吴景海和陈环(1995) [5]通过实验确定土工膜的渗透特性，计算了
土工膜防渗层的渗漏量，分析了各相关因素对渗漏量的影响，他们利用达西定律、水流连续
条件和Bessel 函数推导了土工膜复合防渗层渗漏量的计算公式，得出了土工膜复合防渗层
40 渗漏量的解析解。程鲲和王党在(2005) [6]结合复合土工膜的防渗特性和机理，用有限元法对
复合土工膜防渗土石坝进行了渗流分析。
 对于大面积土工膜防渗体渗透特性的分析，无法用传统的分析地层渗透特性的方法进行
分析，而传统的实验方法也无法模拟大面积土工膜防渗体的渗透特性。关于大面积土工膜防
渗体渗透特性的分析，国内外很少有这一方面的研究。大面积或全库盘采用土工膜防渗的水
45 库，土工膜有极强的防渗性能，其渗透系数很小，是较好的防渗材料[7]。但土工膜是柔性的，
在施工及运行中容易产生破损孔洞[8]，这些破损孔洞是库区渗漏的主要通道。因此，分析库
盘土工膜防渗体的渗透特性时，考虑施工及运行中所造成的破损孔洞对其渗透性的影响就显
得尤为重要。从水量平衡角度，采用达西定律对库盘大面积土工膜防渗体的渗透特性进行研
究，分析库盘大面积土工膜防渗体产生的破损孔洞对土工膜渗透特性的影响，计算大面积土
50 工膜防渗体的渗透量和渗透系数，从整体上得出大面积土工膜防渗体渗透特性分析的方法。
1 土工膜防渗体的渗透分析
水库库盘土工膜防渗结构通常有五个部分构成：防护层、上垫层、土工膜、下垫层和支
持层[9]。其中的土工膜是防渗结构的主体。因此，土工膜的完整性关系到整个库盘的防渗效
果。土工膜属于非孔隙介质[10]，目前对土工膜在水力梯度作用下的渗透机理认识得还不是
55 完全清楚。为了便于与孔隙介质比较，仍采用达西定律来描述在水力梯度作用下液体通过土
工膜的渗透规律。
对于大面积土工膜防渗体渗透特性的分析，无法用传统的分析地层渗透性的方法进行分
析，而传统的实验方法也无法模拟大面积土工膜防渗体的渗透特性。因此，本文中对土工膜
防渗体渗透特性的分析，将从水量平衡分析的角度，研究土工膜防渗体的渗透特性。
60 土工膜防渗体渗透特性的分析，主要是确定其渗透量和渗透系数。对于渗透量的确定，
采用水量平衡的原理进行计算，即库区渗透量为库区来水量减去泄水量，再减去库区水面蒸
发量和库区剩余水量，即
s L f c Q = Q .Q .W .Q （1）
式中： s Q 为土工膜防渗体的渗透量（m3）； L Q 为水库来水量（m3）；Qf 水库泄水量
（m3）；W 为水库库面蒸发水量（m3）； c 65 Q 为水库剩余水量（m3）。水库来水量减去剩
余水量为水库出库水量，出库水量由三部分构成：泄水量、蒸发水量和渗透量。这样可以通
过（2）式来计算库区渗透量。
Qs Qz Qf W = . . （2）
式中： s Q 为土工膜防渗体的渗透量（m3）； z Q 为水库出库水量（m3）；Qf 水库泄水
70 量（m3）；W 为水库库面蒸发水量（m3）。
对于各种水量的计算问题，水库出库水量和泄水量比较容易确定。而水库库面蒸发水量
的确定比较困难。通常有两种确定方法：
第一种方法是：1972 年9 月，世界气象组织蒸发组在日内瓦会议上作出决定：认为用
20m2 蒸发池研究浅水湖泊蒸发，可以得出满意的结果[11]。用20m2 蒸发池观测的蒸发量来代
75 替水库水面蒸发量，再换算成水库蒸发水量，其计算公式为
W = E × F 0 （3）
式中：W 为月（年）水面蒸发水量（m3）； 0 E 为水库库区月（年）水面蒸发量（mm）；
F 为水库库区月（年）平均水面面积（m2）。
第二种方法是采用蒸发器（皿）观测资料计算水库水面蒸发量，再换算成水库蒸发水量，
 80 其计算公式为
( ) s l W = B αE . E （4）
式中：W 为月（年）水库水面蒸发水量（m3）； B 为月（年）平均水位相应的库水面
面积（m2）；α 为蒸发器（皿）水面蒸发量折算系数； s E 为陆上蒸发站蒸发器（皿）月（年）
水面蒸发量（mm）； l E 为库区建库前月（年）陆面蒸发量（mm）。在没有陆面蒸发试验
85 资料时，可采用流域年降水量与年径流量之差(P . R) 近似代替。故（4）式变为
W B( E P R) s = α . + （5）
由于种种因素的制约，本论文中水库库面蒸发水量的计算采用第一种方法计算，也即采
用式（3）计算水库水面蒸发水量。将计算得出的水库库面蒸发水量代入到式（1），就可以
算得水库库区的渗透量。对于全库盘采用土工膜防渗的水库，计算得到的渗透量也即土工膜
90 防渗体的渗透量。然后，再利用达西定律计算土工膜防渗体的渗透系数[12]。
h A
k Qs
Δ .
.
=
δ
（6）
式中： k 为土工膜防渗体的渗透系数(cm/s)； s Q 为土工膜防渗体的单位时间渗透量
（m3/s）；δ 为土工膜防渗体的厚度（cm）； Δh 为土工膜防渗体上下的平均水头差（m）；
A 为土工膜防渗体的渗透面积（m2）。
95 2 工程实例分析
2.1 工程概况
新疆胜利水库是一座坝体、坝基及全库盘土工膜防渗的注入式丘陵水库，最大坝高
18.1m，主坝长198.1m，副坝长1875m，坝顶宽度为5m，库区最大水深为21m，库容为
2.0×107m3。工程位于新疆和田策勒县恰哈乡境内，地处策勒河与恰哈河中游相夹之间的丘
100 陵区。该地区属于温带干旱性荒漠气候，日照时间长，干旱少雨，年均降水量只有35mm，
年均蒸发量在2400mm 以上。
由于库盘中部低凹处部分覆有厚约2m 左右的冲洪积粉质壤土，渗透系数为
2.17×10-5cm/s，其余均由含砾粗砂和砂砾石构成，渗透系数为5.41×10-3cm/s 至1.16×10-2cm/s。
下部为半胶结的砂砾石层，但胶结性差且不连续。库区渗漏是本水库的主要地质问题。
105 根据库盘的地形和地质特点，库区土工膜防渗体分两期施工：一期铺设光面土工膜256
万m2。二期铺设土工膜(光面土工膜和复合土工膜)133.2 万m2，其中铺设复合土工膜30.6
万m2。由于库盘北部和主副坝附近岸坡较陡，无中细砂料，须从远处拉运细粒砂砾料作垫
层，故选择复合土工膜防渗结构，作为库盘防渗Ⅰ区。其它区域选择光面土工膜防渗结构，
作为库盘防渗Ⅱ区，如图1 所示。
110 胜利水库库盘防渗体分为4 层，由下至上分别为：20cm 下垫层；0.5mm 土工膜及复合
土工膜(规格为200g/m2/PE0.5/200g/m2)；20cm 上垫层；30cm 砂砾石防护层。采用了坝体、
坝基及全库盘土工膜防渗以来，库区渗漏问题得到了基本解决。
 Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
副
坝
光面土工膜2 5 6 万平方米
一期光面土工膜铺设边线
一期光面土工膜铺设边线
主坝
Ⅰ
副坝
二期土工膜铺设边线
图 1 胜利水库土工膜铺设示意图
Fig. 1 Contour for the geomembrane p 115 aved of shengli reservoir
2.2 土工膜渗透特性的分析
胜利水库库盘采用0.5mm 的聚乙烯光面土工膜及200g/0.5mm/200g 规格的复合土工膜
进行全库盘防渗，库盘防渗膜铺设面积达3.853×106m2，聚乙烯光面土工膜铺设面积为
120 3.589×106m2，复合土工膜铺设面积为2.64×105m2。胜利水库全库盘土工膜铺设面积居国内
外同类型工程之首。
经详细调查胜利水库自第一次蓄水以来土工膜的运行情况，聚乙烯光面土工膜出现孔洞
1155 处，复合土工膜出现孔洞84 处。这些孔洞的出现，一部分是在施工中产生的，未及时
发现修补，从而形成了渗漏的通道；还有一部分是由于上垫层中存在棱角尖锐的土体，在水
125 压作用下，刺穿土工膜形成孔洞，从而形成了渗漏的通道。
在这里为了比较库盘土工膜防渗体渗透特性随不同时期水库运行工况的变化规律，在考
虑土工膜防渗体在施工和使用中产生的破损孔洞对其渗透性影响的基础之上，利用第2 节的
计算方法计算不同时期库盘土工膜防渗体的渗透量和渗透系数，进而从整体上比较土工膜防
渗体的渗透规律。
130 水库逐年来水量、泄水量、蒸发量、平均水面面积见表1。由蒸发量和平均水面面积，
利用公式（3）可以计算出水库逐年蒸发水量，见表1。
表1 水库水位资料统计表
Tab. 1 The hydrological data of reseroir
年份 水库来水量
/(104m3)
泄水量
/(104m3)
蒸发量
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