東吉湖庫區(qū)防滲處理技術(shù)初探

樹 錦，袁 健

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇南京 210016；2.河海大學(xué),水利水電工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

1 水庫滲漏和發(fā)生管涌原因分析

1.1 工程概況

東吉谷地區(qū)位于南京市江寧區(qū)中部，地處東山副城到祿口新城這一發(fā)展“金軸”上，具有連接南京南站和祿口機(jī)場兩大樞紐港的黃金區(qū)位，是南京歷次總規(guī)都明確重點(diǎn)發(fā)展的“金軸”的重要組成部分，見圖1。交通便捷，腹地充沛。北靠吉山和東大山，西臨牛首—云臺生態(tài)廊道的地理位置令“東吉谷”坐擁青山、縱覽視野，蜿蜒流淌的云臺山河水系從地區(qū)中部經(jīng)過，在南面匯入外秦淮河。群山環(huán)抱水網(wǎng)縱橫的東吉谷是江寧不可多得的寶地，更是南京新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絕佳舞臺。

圖1 工程地理位置圖

新建東吉湖蓄水工程完工后，經(jīng)過兩個汛期的考驗(yàn)，運(yùn)行情況良好。

1.2 地質(zhì)條件

東吉湖庫岸填土中較大地段分布為強(qiáng)透水層。該層素填土灰黃色、灰褐色，可塑狀態(tài)，粘性土為主，其主要成份為粉質(zhì)粘土局部地段混塊石，層厚變化很大，碎石含量高，主要呈松散狀，塊石含量5%～48%，塊石直徑5 cm～200 cm。該層層厚0.20～11.80 m，層底高程 10.29～23.19 m，可能成為水平集中滲漏層。

水庫庫區(qū)內(nèi)素填土遍布于整個場區(qū)，除碎石含量較高且厚度較大的區(qū)域外，該層土為弱透水層。強(qiáng)透水層分部地段滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值2.0×10-4cm/s，場區(qū)中這兩段區(qū)域?qū)⒊蔀樗郊袧B漏段。河床夾碎石土不僅厚度大，而且分布在庫區(qū)下部、壩基和庫外的廣大范圍內(nèi)，形成良好的滲漏通道。

1.3 滲漏和管涌原因分析

根據(jù)以上現(xiàn)象和地質(zhì)條件分析可知，水庫水平防滲重點(diǎn)應(yīng)放在庫區(qū)北端強(qiáng)風(fēng)化安山巖和二級庫區(qū)塊石出露或埋深較小地段，其它部位要視天然鋪蓋分布厚度考慮。由于存在良好的滲流通道，因此水庫蓄水后可能滲漏嚴(yán)重。

當(dāng)庫水位升高，庫水進(jìn)入階地坎壁出露砂層形成滲流時，滲透坡降增大，流速增強(qiáng)，在反濾溝內(nèi)的臨空出逸點(diǎn)附近形成較集中的滲流，且對與砂層接觸的土層產(chǎn)生接觸沖刷，并攜帶細(xì)顆粒出逸，造成管涌現(xiàn)象的發(fā)生。

2 庫區(qū)防滲處理方案比較

地質(zhì)勘探資料表明壩基的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，卵礫石層厚度大、分布范圍廣，滲透性強(qiáng)，河床寬度大，施工難度大，而且費(fèi)用高。如果為了達(dá)到徹底解決滲漏問題，保證壩基不發(fā)生滲透破壞和下游不再發(fā)生沼澤化，可以采用深入基巖的垂直防滲墻[1,2]。另外，如果本著上堵下排的原則，也可以采用上游加強(qiáng)防滲與下游排滲減壓相結(jié)合的防滲措施，采用水平防滲方案。

針對東吉湖水庫的地層分布情況及蓄水后滲漏的特點(diǎn)，提出以下3個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

2.1 復(fù)合土工膜水平防滲方案

根據(jù)工程地質(zhì)資料分析，沿線部分庫岸附近的壤土覆蓋層較小，平均厚度不足50 cm；也就是說該段庫岸是主要的垂直入滲部位，水庫蓄水后容易造成岸坡失穩(wěn)。在庫區(qū)沿原河道部位，存在一條天然鋪蓋薄弱帶，且在東吉湖二級階地部位，有砂層或者砂卵石出露，為主要的垂直入滲部位，是造成庫區(qū)滲漏的主要原因。因此對庫區(qū)弱透水層較薄部位和砂層出露部位，采用復(fù)合土工膜水平防滲處理。

庫區(qū)主要垂直入滲部位為現(xiàn)代河床，因此水平防滲重點(diǎn)為庫區(qū)大面積的現(xiàn)代河床位置。對于可能存在局部的滲漏通道，也應(yīng)進(jìn)行封堵處理[3-5]。在上游滲流通道進(jìn)口采取粘土斜墻防滲措施，使下游土體承受的水頭減小，達(dá)到解決大壩滲流穩(wěn)定的目的。

2.2 壤土水平防滲方案

對天然鋪蓋厚度小于2.0 m的部位,先進(jìn)行平整,用壤土進(jìn)行鋪蓋補(bǔ)強(qiáng)。要求作為防滲鋪蓋的壤土必須有較小的滲透系數(shù)。

施工過程中，采用分層碾壓，控制最大干容量和最優(yōu)含水量。土料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)當(dāng)?shù)赝亮嫌脫魧?shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)來決定。壤土平均補(bǔ)強(qiáng)厚度為2.0 m，要求土料粘粒含量不少于20%，塑性指數(shù)取15～20，不得含有植物根莖、磚瓦垃圾等雜質(zhì)；粘土土料含水率與最優(yōu)含水率允許偏差為±3%；土方分層碾壓，厚度不大于0.3 m，壓實(shí)度不低于0.93。

2.3 垂直防滲方案

混凝土防滲墻布置在壩軸線上游壩腳位置。防滲墻頂端埋入壩腳，下端要求穿透夾石層至不透水層。壩基為素填土、粉質(zhì)粘土、殘積土及安山巖多層結(jié)構(gòu)，其中夾石層下分布有較連續(xù)的粘土層，滲透系數(shù)較小，可作為相對隔水層，為減少工程量及施工難度，在粘土層較厚部位，防滲墻下端打入粘土層內(nèi)不小于2.0 m，粘土層較薄的部位要求防滲墻嵌入基巖[7-9]。防滲墻平均深度為7.5 m，墻體厚度0.6 m，混凝土強(qiáng)度為C10。

2.4 方案比較

經(jīng)比較分析可知[6]：（1）垂直防滲方案。防滲效果好，但是滲墻總面積達(dá)1.8萬m2，工期長。工程總投資最高，達(dá)2160萬元。（2）壤土水平防滲方案。施工較易，但防滲處理效果不如復(fù)合土工膜水平防滲方案，總投資為1990萬元。施工用的粘壤土要到庫區(qū)或庫外較遠(yuǎn)的地方運(yùn)土，施工時要嚴(yán)格控制碾壓質(zhì)量。（3）復(fù)合土工膜水平防滲方案。施工容易，防滲效果好于壤土防滲方案，總投資為1180萬元，施工方法簡單，復(fù)合土工膜埋于地下，不存在老化，耐久性較好。

通過綜合分析比較，結(jié)合大壩防滲，在迎水坡進(jìn)行加高培厚，新筑粘土斜墻，回填土壓實(shí)度要求在0.96以上，滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s，采用壩體粘土斜墻防滲與庫區(qū)復(fù)合土工膜水平防滲補(bǔ)強(qiáng)方案相結(jié)合的形式，能夠較好地解決東吉湖庫區(qū)現(xiàn)狀的滲漏問題，見圖2。

3 復(fù)合土工膜水平防滲方案設(shè)計(jì)

3.1 天然鋪蓋滲透穩(wěn)定分析

庫區(qū)最低點(diǎn)的高程為12.5 m，校核洪水位為21.82 m，因此黃土狀壤土層所承受的最大水頭為9.32 m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定，斜墻的容許滲透梯度為5，心墻的容許滲透梯度為4。實(shí)際上,防滲體的容許滲透梯度視土的性質(zhì)不同而異，輕壤土為3～4，壤土為4～6，粘土為6～8。通?？刂品罎B體的容許梯度為5～6。因此，從滲透穩(wěn)定考慮，庫區(qū)較低部位，天然鋪蓋小于2.0 m的部位需要做防滲處理，才能保證防滲層的滲透穩(wěn)定。

圖2 樁號K0+143大壩加固橫剖面設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

3.2 庫區(qū)防滲面積分析

在確定復(fù)合土工膜防滲的范圍時，需要從投資和防滲效果兩個方面考慮。正常蓄水位情況下，鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲，需要復(fù)合土工膜面積為26.4萬 m2。

3.3 復(fù)合土工膜設(shè)計(jì)

3.3.1 材料選擇

選用聚乙烯（PE）膜，兩布一膜復(fù)合土工膜厚度選取為0.5 mm。

選用材料物理力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)符合下列要

求：密度不應(yīng)低于900 kg/m3，破壞拉應(yīng)力不應(yīng)低于12 MPa，斷裂伸長率不應(yīng)低于300%，彈性模量（E）在5℃不應(yīng)低于70 MPa，抗凍性（脆性溫度）不應(yīng)低于-60℃，聯(lián)接強(qiáng)度應(yīng)大于母材強(qiáng)度；撕裂強(qiáng)度應(yīng)大于等于40 N/mm，抗?jié)B強(qiáng)度應(yīng)在1.05 MPa水壓下48 h不滲水，滲透系數(shù)應(yīng)小于10-11cm/s。

同時，復(fù)合土工膜應(yīng)滿足飲水工程和其它衛(wèi)生性能要求，所用材料均符合國家現(xiàn)行有關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括膜上保護(hù)層、支持層和復(fù)合土工膜防滲層。

膜上保護(hù)層的主要作用是減緩復(fù)合土工膜的老化、防御水流和波浪對復(fù)合土工膜的沖刷、人蓄破壞、冰凍損害以及作為壓重抵抗膜下水氣壓力的浮起等。材料為原地壤土壓實(shí)。 同樣要檢查與膜直接接觸的壤土中不能有尖銳材料?？紤]水深、流速、日曬和冰凍等因素，選定膜上保護(hù)層厚度為70 cm。水位變幅區(qū)考慮波浪沖刷，局部加厚為100 cm。

膜下為黃土狀壤土，沒有尖銳的石子等物，所以可以直接鋪設(shè)復(fù)合土工膜；對于砂卵石出漏部位，在砂卵石上部要鋪設(shè)10 cm厚壤土，再鋪設(shè)復(fù)合土工膜。

庫區(qū)防滲采用埋壓式PE復(fù)合土工膜防滲。根據(jù)復(fù)合土工膜與膜上保護(hù)層之間的摩擦系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算控制邊坡系數(shù)不陡于為1∶5，見圖3。

圖3 復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.3.3 聯(lián)接設(shè)計(jì)

復(fù)合土工膜聯(lián)接好壞直接影響防滲的效果。復(fù)合土工膜周邊與相對不透水的鋪蓋緊密聯(lián)接，形成封閉的不透水結(jié)構(gòu)體。因此，在周邊設(shè)錨固槽，槽深度為膜下50 cm，槽底寬50 cm，將復(fù)合土工膜錨固于槽內(nèi)。膜與膜之間搭接寬度應(yīng)滿足焊接工藝要求，取為10 cm。

4 結(jié)論及建議

（1）通過對東吉湖水庫新建工程的現(xiàn)場調(diào)查分析，提出了復(fù)合土工膜水平防滲與粘土斜墻垂直防滲相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，并論證分析該方案的科學(xué)合理及可行性。

（2）庫區(qū)鋪設(shè)復(fù)合土工膜施工過程中可能造成膜體損壞，無法運(yùn)用大型碾壓設(shè)備，宜改用蛙式打夯機(jī)進(jìn)行碾壓。

（3）建議在人工湖泊多級庫區(qū)防滲處理施工過程中，采用逐級設(shè)圍堰分段施工的方式，針對不同的地質(zhì)條件查明滲漏原因，避免造成工程措施投資偏高的現(xiàn)象。