全庫盆土工膜防滲在巖溶水庫中的應(yīng)用

李泳冰

【摘要】巖溶地區(qū)成庫條件十分復(fù)雜，地質(zhì)勘察工作很難查明庫區(qū)內(nèi)所有巖溶的情況，本文針對(duì)小型水庫的庫區(qū)防滲進(jìn)行探討，分析了土工膜全庫區(qū)防滲的優(yōu)缺點(diǎn)，通過比選提出了巖溶地區(qū)小型水庫的最優(yōu)防滲方案，并詳細(xì)提出了的防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】土工膜；全庫盆；巖溶；防滲

1、工程概況

某水庫位于重慶市巖溶發(fā)育地區(qū)，水庫庫容為37.3萬m3，屬?。?）型水庫，主壩擋水建筑物采用埋石混凝土重力壩方案，最大壩高30.5m，最大壩底寬26.5m，壩軸線長140.0m，壩頂寬5.0m。溢流壩段布置于河床段，長13.0m；左岸非溢流壩段長67.0m；右岸非溢流壩段長60.0m。非溢流壩段布置于左右岸岸坡。溢流堰采用無閘門控制的表孔溢流，共設(shè)2孔，孔口尺寸為5×2m（B×H）。下挖式消力池緊接溢流壩末端布置，池長10.0m，池凈寬10.0m。

水庫位于魚皮澤背斜的北西翼，河谷為縱向谷，受地層巖性及構(gòu)造影響，庫區(qū)內(nèi)巖溶較發(fā)育，水庫成庫條件差。水庫蓄水后存在沿巖層走向方向及左岸低鄰谷方向的滲漏，存在庫首右岸的繞壩滲漏及庫區(qū)內(nèi)劉拿子-風(fēng)吹埡口溶槽的巖溶滲漏。庫區(qū)已查明4處上升泉，1處落水洞。地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜。

2、庫區(qū)防滲設(shè)計(jì)

由于本工程屬于?。?）型水庫工程，庫區(qū)存在多處不確定的巖溶通道，成庫地質(zhì)條件差，但庫區(qū)水資源豐富，工程的社會(huì)效益好，故本工程的實(shí)施是很必要的。庫區(qū)防滲采用注漿方案存在失敗的主要風(fēng)險(xiǎn)：①由于工程較小，探清全部巖溶通道費(fèi)用較高，巖溶通道的走向、大小及范圍不確定，巖溶地區(qū)注漿量無法控制；②庫區(qū)巖溶范圍廣，注漿范圍大，無法確定注漿位置；③庫區(qū)巖溶處理不確定性太大，且處理效果較難控制。因此采用合理的庫區(qū)防滲方案是保證水庫工程順利實(shí)施的重要前提。

2.1 庫區(qū)防滲方案的選擇。根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，庫盆內(nèi)大多基巖裸露，基巖總體完整性較好，僅劉拿子-風(fēng)吹埡口溶槽地表有覆蓋層分布，覆蓋層厚0.5-2.0m。庫盆內(nèi)未見明顯的大型巖溶塌陷及大型暗河系統(tǒng)，庫盆已發(fā)現(xiàn)的落水洞（消水坑或漏斗）規(guī)模較小，表層覆蓋層薄，下部基巖主要以溶蝕裂隙為主，水庫蓄水造成大面積巖溶塌陷的可能性較小。庫盆地基整體穩(wěn)定性較好，適宜進(jìn)行庫盆整體防滲。

全庫盆防滲處理方案主要有三種，分別為：復(fù)合土工膜防滲、瀝青砼防滲、鋼筋砼防滲，三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，本工程通過充分的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，綜合考慮采用土工膜防滲。土工膜防滲優(yōu)點(diǎn)：自身變形模量較大，適應(yīng)地基變形能力較好，對(duì)基礎(chǔ)要求較低，施工工藝較簡單，防滲性能可靠，投資最小。缺點(diǎn)：對(duì)土工復(fù)合膜上下墊層要求高，鋪設(shè)層數(shù)多，施工干擾大，接縫處理難于控制，接縫處理是滲漏的關(guān)鍵。防滲可靠性略差。方案的選擇主要從施工工藝、防滲布置、基礎(chǔ)處理、單位面積投資、優(yōu)缺點(diǎn)等幾個(gè)方面來比較。

2.1.1 復(fù)合土工膜方案：（1）施工工藝，鋪面基本平整，土工膜沿一定方向鋪設(shè)，不能太緊，應(yīng)留有一定伸縮量，以適應(yīng)基體的變形。土工膜兩邊均預(yù)留一定寬度PE膜與PET不粘合層，鋪設(shè)時(shí)要調(diào)整好每個(gè)單元土工膜走向，以便于兩個(gè)單元土工膜的焊接。土工膜的焊接：a對(duì)于鋪設(shè)好的土工膜，邊緣接縫處要求不能有污物、水份、塵土等。b焊接前要調(diào)整好接縫處兩幅邊PE單膜，使之搭接一定的寬度，且平整、無折皺。（2）防滲布置，巖基陡坡段30cm漿砌石、3cm砂漿找平下墊層、緩坡段15cm中粗砂下墊層→復(fù)合土工膜→陡坡段8cm厚C20砼連鎖預(yù)制塊、緩坡段30cm厚粘性土保護(hù)層及10cm碎石保護(hù)層。（3）基礎(chǔ)處理，基本不需要基礎(chǔ)處理，（4）單位面積投資為189.62元/m2。（5）主要優(yōu)點(diǎn)是自身變形模量較大，適應(yīng)地基變形能力較好，對(duì)基礎(chǔ)要求較低，施工工藝較簡單，防滲性能可靠，投資最小。缺點(diǎn)是對(duì)土工復(fù)合膜上下墊層要求高，鋪設(shè)層數(shù)多，施工干擾大，接縫處理難于控制，接縫處理是滲漏的關(guān)鍵。防滲可靠性略差。

2.1.2 瀝青砼防滲方案：（1）施工工藝，利用瀝青混凝在當(dāng)溫度90℃以上（特別是在110℃以上）時(shí)，具有良好的可塑性，和良好的碾壓施工性能。160℃以上的瀝青混凝土拌和料，由攤鋪機(jī)攤鋪成一定厚度的面板，自帶振動(dòng)板進(jìn)行預(yù)壓。當(dāng)降低到110～130℃左右，用振動(dòng)碾進(jìn)行2～3遍碾壓，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密實(shí)度。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低到90～100℃左右時(shí)，對(duì)面板進(jìn)行收光碾壓。從而形成符合設(shè)計(jì)要求的面板結(jié)構(gòu)。（2）防滲布置，2mm淺白色瀝青瑪蹄脂封閉層、5cm瀝青砼防滲層、5cm瀝青砼整平膠結(jié)層、30cm碎石支持層。（3）基礎(chǔ)處理，未換填基礎(chǔ)部分及新庫基礎(chǔ)，采用厚不小于0.3m的塊石換填，沼澤帶換填厚度加大為1m，換填后承載力大于200KPa。（4）單位面積投資為274.15元/m2。（5）主要優(yōu)點(diǎn)是施工速度快、防滲效果最好、低溫抗凍、較好適應(yīng)基礎(chǔ)變形，對(duì)基礎(chǔ)要求低，可整體施工縮短工期。且具有良好的抗?jié)B性、極佳柔性變形及自愈自合功能，施工干擾較小，防滲可靠性較好。缺點(diǎn)是對(duì)溫度的控制貫穿整個(gè)施工過程；質(zhì)量控制重點(diǎn)一般在接縫處理（主要是冷縫）、與水泥混凝土構(gòu)筑物結(jié)合部、試驗(yàn)芯樣孔等；施工工藝復(fù)雜，投資大。

2.1.3 鋼筋砼防滲方案：（1）施工工藝，要求基礎(chǔ)平整，碾壓密實(shí)。采用防滲鋼筋砼，在低溫季節(jié)澆筑，入倉溫度應(yīng)加以控制。面板需分縫并止水，分為護(hù)岸垂直縫、周邊縫、庫盆縱橫縫以及隔壩縫等，砼澆筑完成后，需對(duì)砼進(jìn)行長期保濕和保溫養(yǎng)護(hù)，避免砼面板出現(xiàn)溫度裂縫。如出現(xiàn)裂縫寬度大于0.2mm或判斷為貫穿性裂縫時(shí)，應(yīng)采取專門措施進(jìn)行處理。（2）防滲布置，有效厚度不小于25cm鋼筋砼面板防滲層。（3）基礎(chǔ)處理，未換填基礎(chǔ)部分及新庫基礎(chǔ)，采用厚不小于0.4m的換填，沼澤帶換填厚度加大為1m，換填后承載力大于200KPa。（4）單位面積投資為286.46元/m2。（5）主要優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡單，地基適應(yīng)條件較好；鋼筋砼結(jié)構(gòu)可承受較高水壓，采取有效的分縫措施后，可靠性最好。缺點(diǎn)是后期養(yǎng)護(hù)時(shí)間長，為防止砼面板開裂及適應(yīng)地基變形，分縫較多，但投資較大。

2.2 防滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1 膜的規(guī)格的選擇。根據(jù)類似實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，土工膜厚度0.3mm～0.6mm，對(duì)于重要工程應(yīng)適當(dāng)加厚，以保證焊接質(zhì)量；對(duì)于次要工程可適當(dāng)減薄，但最小不得薄于0.3mm。

根據(jù)作用水頭，膜下可能產(chǎn)生的裂隙寬度，膜的應(yīng)變和強(qiáng)度等通過估算，并參照已建工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定土工膜厚度。本工程土工膜承受最大設(shè)計(jì)水頭為14.5m，并結(jié)合國內(nèi)壩工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中水頭壩膜厚度為0.5mm～0.6mm。初步擬定本工程復(fù)合土工膜的規(guī)格采用250/0.6/250，單位面積重量1000g/m2，土工膜采用PE膜，膜厚0.6mm，規(guī)格，單面土工布規(guī)格為250g/m2。

復(fù)合土工膜鋪設(shè)時(shí)盡量選用寬幅，本工程寬幅為8m，減少拼接量，應(yīng)留有足夠余幅，通常余幅大于1.5%，以便拼接和適應(yīng)氣溫變化；間隔一定距離復(fù)合土工膜宜鋪置成波紋狀折皺，以適應(yīng)基體變形，特別是與剛性材料錨固時(shí)，應(yīng)留有一定的伸縮量；從復(fù)合土工膜鋪設(shè)到保護(hù)層回填應(yīng)避免石塊，重物尖銳物體直接砸擊和接觸復(fù)合土工膜，以免薄膜被刺穿破壞。復(fù)合土工膜的接縫處理是施工的關(guān)鍵程序，直接影響工程運(yùn)行壽命，據(jù)質(zhì)量檢測表明，采用熱焊方法比較理想，焊接時(shí)，相鄰兩塊膜料薄膜搭接長度為10cm，采用雙焊縫，焊縫寬度約10cm，焊縫內(nèi)不許帶入土粒及雜物。最好是具有一定經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員焊接，焊接使用專用焊接機(jī)進(jìn)行焊接，要調(diào)整好溫度和速度。

2.2.2 庫區(qū)防滲分區(qū)。本工程整個(gè)庫底地質(zhì)條件不相同且相差較大，故防滲方案需進(jìn)行分區(qū)。

采用土工膜防滲時(shí)，為便于維護(hù)、檢修，采用50cm×50cm混凝土框格將土工膜分成若干小區(qū)，分區(qū)尺寸約6m×30m，混凝土框格形成相對(duì)封閉的分區(qū)，同時(shí)，砼框格采用錨筋錨入地基，可增加土工膜的穩(wěn)定性。

2.2.3 膜與建筑物的銜接。為了保證庫區(qū)防滲的效果，在防滲復(fù)合土工膜與建筑物銜接時(shí)，應(yīng)作為重點(diǎn)部位進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）防滲復(fù)合土工膜與壩體的銜接。防滲復(fù)合土工膜鋪設(shè)至壩前時(shí)，土工膜彎折至大壩壩前回填槽下，深度為2～3m在壩前槽回填C20砼，土工膜并預(yù)留一定的延伸長度，土工膜應(yīng)錨固于面板，以保證土工膜不易滑動(dòng)變形。與大壩止水銜接時(shí)，要求大壩垂直止水彎折出壩體，與防滲土工膜疊合后錨固于壩體。

（2）防滲復(fù)合土工膜與取水塔的銜接。防滲復(fù)合土工膜鋪設(shè)至取水塔時(shí)，在取水塔四周設(shè)置錨固槽，將土工膜錨固于建筑物，并采用C15砼回填取水塔四周錨固槽固定土工膜。

2.2.4 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。土工膜防滲結(jié)構(gòu)體自下而上主要由支持層、下墊層、土工膜、上墊層及保護(hù)層等五層組成。復(fù)合土工膜采用兩布一膜，土工布具有隔離，排水及加筋防護(hù)作用，土工膜具有封閉、防滲作用。

復(fù)合土工膜對(duì)基礎(chǔ)要求較高，要求庫底及岸坡基礎(chǔ)面平整、且基礎(chǔ)沉降變形較小，根據(jù)本工程特點(diǎn)，最大水深約14.5m，要求本工程地基承載力不小于200KPa。

基礎(chǔ)處理達(dá)到設(shè)計(jì)要求和蓄水區(qū)分區(qū)防滲布置落實(shí)后，再在基礎(chǔ)上依次鋪設(shè)支持層、下墊層、復(fù)合土工膜及保護(hù)層。支持層作用是對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行排水、排氣；下墊層作用是保護(hù)復(fù)合土工膜不被支持層尖銳物刺破，同時(shí)可避免因地基不均勻變形造成復(fù)合土工膜撕裂破壞；保護(hù)層的作用是保護(hù)復(fù)合土工膜不受人畜破壞及紫外線的直接照射。本工程庫區(qū)防滲總面積約為52589m2。

支持層：支持層起排水、排氣的作用，防止復(fù)合土工膜受水、氣頂托破壞；可避免因地基不均變形造成應(yīng)力集中或過大的局部變形造成土工膜破壞。對(duì)水、氣體作用較大工程應(yīng)設(shè)置逆止閥、盲溝排水、排氣。根據(jù)本工程地基地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)于土質(zhì)地基，支持層為粘土層，粘土層應(yīng)清楚雜質(zhì)，挖除樹兜，表面整平并壓實(shí)，壓實(shí)度不小于0.92；對(duì)于巖石地基陡于1：1.5的邊坡，支持層采用漿砌石找平至1：1.5邊坡；緩于于1：1.5的邊坡，支持層為巖基。在地基中應(yīng)布置縱橫盲溝，盲溝尺寸0.5x0.5m，溝中采用碎石回填，橫向排水管采用DN150PVC管，縱向排水管采用DN300PVC管，縱向排水管通過壩體接至大壩外，排水管管身鉆DN20孔并包裹土工布。

下墊層：下墊層的作用為保護(hù)土工膜不被刺破，還起到排水、排氣緩解地基不均勻沉降和水、氣頂托的作用。本工程采用復(fù)合土工膜，膜上下的土工布具有一定保護(hù)作用。支持層采用漿砌石時(shí)，在漿砌石面用3cm厚水泥砂漿找平找平，其余部位下墊層采用15cm中粗砂。

復(fù)合土工膜：本工程區(qū)屬于較寒冷地區(qū)，且復(fù)合土工膜使用面積大，結(jié)合本工程蓄水區(qū)實(shí)際情況，復(fù)合土工膜采用耐腐蝕、耐低溫、抗凍性好、單幅寬帶大、易焊接的聚乙烯膜（PE膜）。

本工程復(fù)合土工膜的規(guī)格采用1000g/m2，膜厚0.6mm（即規(guī)格250/0.6/250，一層土工布重250g/m2，單層膜重500 g/m2，膜厚0.6mm）。土工膜寬幅為8m，長度方向每30m分一區(qū)。土工膜鋪設(shè)頂部高程為1706m，庫區(qū)上游鋪設(shè)至出水洞口內(nèi)。

保護(hù)層：保護(hù)層材料可采用庫區(qū)粘土、砂礫石、預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土、漿砌或干砌塊石。本工程庫區(qū)有一定數(shù)量的粉質(zhì)粘土，因此，優(yōu)先考慮采用庫區(qū)粉質(zhì)粘土為土工膜上保護(hù)層材料。本工程對(duì)于較緩邊坡（緩于1：3）上部保護(hù)層先覆蓋30cm厚的粉質(zhì)粘土層，再鋪設(shè)10cm厚的碎石保護(hù)層。

對(duì)于陡于1：3的邊坡，預(yù)制混凝土板及干砌塊石均適用于岸坡護(hù)坡材料，為提高保護(hù)層的整體性，陡坡段采用預(yù)制C20砼連鎖板防護(hù)，厚度8.0cm。

土工膜的錨固：護(hù)岸與頂部壓頂砼連接處復(fù)合土工膜直接嵌入C20砼底座（寬0.5m、高0.5m），并預(yù)留一定伸縮量，C20砼座采用錨筋錨固于巖石基礎(chǔ)；護(hù)坡坡腳設(shè)置防滑槽，與防滑槽兩邊連接的復(fù)合土工膜1m范圍內(nèi)宜做成波紋狀折皺，預(yù)留伸縮空間。

上升泉處理：經(jīng)地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)內(nèi)有4個(gè)上升泉（S2～S5），相距較近，距離約為10m，可以通過地下管道（Φ600波紋管）將4個(gè)泉水匯集到S2一處后冒出。

為了防止泉水上升或下降對(duì)防滲土工膜的破壞，采用豎井的形式，將泉水導(dǎo)出。豎井采用圓筒式結(jié)構(gòu)，筒內(nèi)徑為1.2m，筒壁厚0.3m，下部采用正方形臺(tái)階基礎(chǔ)，分3級(jí)臺(tái)階，底部邊長為5.4m，二級(jí)臺(tái)階邊長為4.2m，三級(jí)臺(tái)階邊長為3m，每一級(jí)厚度為0.5m，圓筒貫穿臺(tái)階基礎(chǔ)，圓筒內(nèi)配設(shè)有碎石層。豎井采用C20鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

砼井壁上布置三層DN200排水管，并設(shè)置自動(dòng)放水閥（逆止閥），當(dāng)井內(nèi)水位高于庫水位時(shí)，井水可通過排水管排入水庫，降低膜下水頭；當(dāng)水庫水位高于井內(nèi)水位時(shí)，逆止閥關(guān)閉，保證水庫蓄水。

2.3 庫區(qū)防滲與建筑物的銜接設(shè)計(jì)。為了保證庫區(qū)防滲的效果，在防滲復(fù)合土工膜與建筑物銜接時(shí)，應(yīng)作為重點(diǎn)部位進(jìn)行設(shè)計(jì)。

防滲復(fù)合土工膜鋪設(shè)至壩前時(shí)，土工膜彎折至大壩壩前回填槽下，深度為2～3m在壩前槽回填C20砼，土工膜并預(yù)留一定的延伸長度，土工膜應(yīng)錨固于面板，以保證土工膜不易滑動(dòng)變形。與大壩止水銜接時(shí)，要求大壩垂直止水彎折出壩體，與防滲土工膜疊合后錨固于壩體。

防滲復(fù)合土工膜鋪設(shè)至取水塔時(shí)，在取水塔四周設(shè)置錨固槽，將土工膜錨固于建筑物，并采用C15砼回填取水塔四周錨固槽固定土工膜。

3、設(shè)計(jì)方案主要問題的解決

3.1 防滲膜下的排水排氣問題。膜下設(shè)置支持層，支持層起排水、排氣的作用，防止復(fù)合土工膜受水、氣頂托破壞；可避免因地基不均變形造成應(yīng)力集中或過大的局部變形造成土工膜破壞。對(duì)水、氣體作用較大工程應(yīng)設(shè)置逆止閥、盲溝排水、排氣。根據(jù)本工程地基地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)于土質(zhì)地基，支持層為粘土層，粘土層應(yīng)清楚雜質(zhì)，挖除樹兜，表面整平并壓實(shí)，壓實(shí)度不小于0.92；對(duì)于巖石地基，陡于1：1.5的邊坡，支持層采用漿砌石找平至1：1.5邊坡，緩于于1：1.5的邊坡，支持層為巖基。在地基中應(yīng)布置縱橫盲溝，盲溝尺寸0.5×0.5m，溝中采用碎石回填，橫向排水管采用DN150PVC管，縱向排水管采用DN300PVC管，縱向排水管通過壩體接至大壩外，排水管管身鉆DN20孔并包裹土工布。

膜的塌陷問題：庫區(qū)內(nèi)存在一處塌坑，處理方法是在施工在將坑周邊土方開挖，探明坑的基本走向，然后將坑封閉，采用蓋板封蓋，

4、結(jié)論

通過對(duì)小型水庫的全庫盆防滲，有效避免了巖溶庫區(qū)的滲漏處理問題，對(duì)庫區(qū)防滲方案進(jìn)行必選，采用土工膜防滲優(yōu)勢(shì)明顯：自身變形模量較大，適應(yīng)地基變形能力較好，對(duì)基礎(chǔ)要求較低，施工工藝較簡單，防滲性能可靠，投資最小。缺點(diǎn)：對(duì)土工復(fù)合膜上下墊層要求高，鋪設(shè)層數(shù)多，施工干擾大，接縫處理難于控制，接縫處理是滲漏的關(guān)鍵。通過工程實(shí)踐：全庫區(qū)土工膜防滲可行，且防滲效果好；庫區(qū)的上升泉通過膜下暗涵連通，排水排氣通過膜下盲溝連通，最后控制閥排出壩體。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部編，《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50290-2014），中國計(jì)劃出版社.