甘肅河西地區(qū)山前洪積扇地段水庫全庫盤土工膜防滲關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

劉英杰，韓秀娟，厙永慧，趙國榮

(1.酒泉市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉市三木工程設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 酒泉 735000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，在甘肅河西一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的工程性缺水問題日益突出，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)。因此修建引水工程和專門水源調(diào)蓄工程，是保障當(dāng)?shù)毓I(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求，也是解決現(xiàn)有企事業(yè)單位生產(chǎn)生活以及生態(tài)用水的重要手段。河西地區(qū)大多數(shù)河流源于祁連山區(qū)，河道流程短、縱坡大，往往缺少適于修建水庫的地形地質(zhì)條件。因此，利用山前洪積扇地段修建調(diào)節(jié)水庫，是提高水資源利用率的重要措施之一。

甘肅河西走廊山前洪積扇地段屬砂礫石覆蓋層厚度極大、滲透性強(qiáng)烈的垂直滲漏區(qū)，在這些地區(qū)修建水庫可能會(huì)造成水庫庫區(qū)或壩基滲漏，不能有效蓄水，同時(shí)滲漏會(huì)降低壩體的抗剪強(qiáng)度和粘聚力，形成滲透破壞致使水庫潰壩。因此，水庫全盤防滲成為該地區(qū)興建水庫的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文以酒泉市循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)大紅泉水庫工程為例，介紹河西地區(qū)平原水庫全庫盤土工膜防滲技術(shù)，并對(duì)防滲效果做出評(píng)價(jià)，以期為本地區(qū)其他類似工程的修建提供借鑒。

1 工程概況

大紅泉水庫位于甘肅省玉門市老市區(qū)境內(nèi)，工程設(shè)計(jì)年引水量881.45萬m3，年供水量695萬m3，總庫容為350萬m3，其中調(diào)蓄庫容334.3萬m3，相應(yīng)正常蓄水位為2073.50m，死庫容10萬m3，相應(yīng)死水位為2061.70m，是一座滿足酒泉循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)部分企業(yè)用水需求，同時(shí)兼顧生活及綠化用水的小(1)型水庫。根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件，水庫坐落于第四系上更新統(tǒng)(Q3)洪積砂礫石層上，地面自然縱坡為3.5%，考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，工程采用“半填半挖”型式，壩型采用人工防滲體均質(zhì)土石壩。因水庫位于強(qiáng)透水砂礫石地基之上，為了減輕水庫壩基滲漏量，本水庫采用全庫盤土工膜防滲技術(shù)。經(jīng)過3年的庫區(qū)滲漏觀測(cè)得出，全庫盤土工膜防滲技術(shù)有效規(guī)避了水庫壩基與壩體的滲漏問題，達(dá)到了設(shè)計(jì)防滲效果。壩體橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 壩體防滲體系設(shè)計(jì)

2.1 壩體橫斷面結(jié)構(gòu)概述

考慮交通、運(yùn)行巡查管理要求，根據(jù)SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》有關(guān)規(guī)定，大紅泉水庫壩頂寬度取5.0m，并鋪設(shè)0.15m厚C20現(xiàn)澆混凝土路面，路面下設(shè)0.15m厚砂礫石墊層。壩頂路面兩側(cè)均設(shè)0.5m高(高出壩面0.2m)、0.2m厚預(yù)制混凝土路緣石，并在壩頂四周臨水側(cè)設(shè)高度為1.2m鋼質(zhì)護(hù)欄。為方便排水，壩頂設(shè)置向背水面?zhèn)?%的坡度，每隔100m設(shè)1座0.5m×0.5m×0.5m的集水坑，通過集水坑與外壩坡橫向排水溝連接排水。壩體迎水面設(shè)計(jì)邊坡為1∶3，在正常蓄水位變動(dòng)區(qū)2072.50～2074.50m之間采用0.12m厚六邊形C25預(yù)制磚塊襯砌，其余部位采用0.1m厚六邊形C25預(yù)制磚塊襯砌。背水面護(hù)坡在高程2067.30m以上設(shè)計(jì)邊坡坡比為1∶2.5，高程2067.30m以下邊坡為1∶2.75，護(hù)坡采用C20混凝土預(yù)制框格，框格尺寸為2.0m×2.0m，梁格寬度為0.15m，嵌入壩體0.3m。

圖1 大紅泉水庫壩體橫斷面結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

2.2 庫底防滲結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

庫底自上而下采用0.6m厚砂礫石保護(hù)層，0.10m厚細(xì)砂保護(hù)層、300g/0.4mm/300g二布一膜復(fù)合土工膜、0.1m厚細(xì)砂找平層、排水層、砂礫石庫底，為形成封閉的防滲體系，大紅泉水庫在庫底周邊設(shè)置C15細(xì)?；炷疗鰤K石重力式壩腳，并做成環(huán)形以固定防滲土工布。

(1)支持層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

庫底開挖至設(shè)計(jì)高程后需進(jìn)行碾壓處理，為防止土工膜被頂破、刺穿，平整后的庫底表面應(yīng)對(duì)所有植物根系、石塊、尖角型硬物等突起物進(jìn)行徹底清理，并鋪設(shè)10cm厚的細(xì)砂墊層，作為兩布一膜防滲體的支持層。

(2)排水層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大紅泉水庫庫底采用膜下盲溝排水系統(tǒng)，排水系統(tǒng)采用“樹枝狀”型式布置。其中膜下主排水管采用DN160 UPVC花管，間距為10m，膜下支排水管采用DN90 UPVC花管，間距為5m，排水管四周設(shè)置礫石反濾層，粒徑為20～40mm。運(yùn)行時(shí)支排水管將滲水匯入主排水管后，由主排水管最終將滲水排入壩后排水溝。土工膜膜下排水管典型平面布置如圖1所示。

(3)防滲層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程防滲層選用土工膜防滲，土工膜厚度計(jì)算公式為:

T=0.204Pb/ξ1/2

(1)

式中，T—單寬土工膜所受拉力，P—膜上承受的水壓力，b—預(yù)計(jì)膜下地基可能產(chǎn)生的裂縫寬度，ζ—膜的拉應(yīng)變。

經(jīng)計(jì)算，確定土工膜厚度為0.4mm。另外，通過對(duì)兩布一膜與一布一膜的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，同時(shí)參考本地區(qū)其他平原水庫已建工程經(jīng)驗(yàn)，本工程決定采用300g/0.4mm/300g兩布一膜復(fù)合土工膜。

(4)膜上保護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)庫底土工膜鋪設(shè)完畢后，上部應(yīng)設(shè)置保護(hù)層。大紅泉水庫膜上保護(hù)層分別采用10cm厚的細(xì)砂保護(hù)層和60cm厚的砂礫石保護(hù)層，為防止土工膜在施工期或運(yùn)行期發(fā)生被頂破、刺穿等現(xiàn)象，要求保護(hù)層內(nèi)不得含有植物根系、石塊、尖角型硬物等突起物。另外，膜上保護(hù)層除具備上述保護(hù)功能外，還兼具水庫初期蓄水時(shí)的防沖作用。

2.3 迎水面壩坡防滲體系設(shè)計(jì)

迎水面護(hù)坡結(jié)構(gòu)層順?biāo)鳚B透方向依次為：0.12m厚六邊形C25預(yù)制磚，0.3m礫石保護(hù)層、0.10m厚細(xì)砂保護(hù)層、300g/0.4mm/300g二布一膜復(fù)合土工膜、0.10m厚細(xì)砂保護(hù)層、砂礫石均質(zhì)壩體。背水面護(hù)坡在高程2067.30m以上設(shè)計(jì)邊坡坡比為1∶2.5，高程2067.30m以下邊坡為1∶2.75。護(hù)坡采用C20混凝土預(yù)制框格，框格尺寸為2.0m×2.0m，梁格寬度為0.15m，嵌入壩體0.3m。

2.4 迎水面壩坡復(fù)合土工膜防滲抗滑穩(wěn)定措施

為了滿足復(fù)合土工膜與上下保護(hù)層料的穩(wěn)定要求，本工程設(shè)計(jì)階段主要通過對(duì)采用增大復(fù)合土工膜表面摩擦系數(shù)和在壩體上游壩面設(shè)置抗滑齒槽2種措施進(jìn)行比選，以確定壩坡復(fù)合土工膜防滲抗滑穩(wěn)定措施。通過比較分析，增加復(fù)合土工膜粗糙度使其摩擦系數(shù)增大并滿足規(guī)范要求，但鑒于工程量較小，單獨(dú)生產(chǎn)此規(guī)格的復(fù)合土工膜并不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)本地區(qū)同類工程實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)來看，壩坡土工膜鋪設(shè)主要包括鋸齒形、臺(tái)階型、折坡型等幾種方式，以防止復(fù)合土工膜與墊層之間形成連續(xù)滑動(dòng)面。但上述幾種方式均提高了土工膜及墊層鋪設(shè)的施工難度。綜合考慮投資情況及施工工藝等因素，本工程最終決定對(duì)臺(tái)階型土工膜鋪設(shè)方式進(jìn)行優(yōu)化，采用在上游壩坡增設(shè)防滑槽的形式，解決上游壩坡復(fù)合土工膜與上下保護(hù)層料間的抗滑穩(wěn)定問題。防滑槽的形式如圖2所示。

圖2 排水層排水管典型平面布置圖

2.5 土工膜與周邊防滲漏連接設(shè)計(jì)

為了形成完整封閉的防滲體系，除土工膜之間密封需連接外，當(dāng)土工膜遇到水庫進(jìn)出水建筑物等混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，也應(yīng)考慮到土工膜與混凝土結(jié)構(gòu)之間的接觸滲漏問題。本工程采用螺栓對(duì)土工膜進(jìn)行錨固，具體做法為：將土工膜折疊三層，并在膜上膜下分別設(shè)置橡膠墊圈，最后采用螺栓將土工膜錨固在相應(yīng)混凝土建筑物側(cè)墻外側(cè)，錨固螺栓間距為20cm，如圖3所示。

3 大壩滲流計(jì)算

3.1 壩體滲流量計(jì)算

(1)建立復(fù)合土工膜滲流計(jì)算模型

考慮到復(fù)合土工膜厚度較薄，僅為0.4mm，在壩體滲流計(jì)算過程中直接建立復(fù)合土工膜模型較為困難。通過查閱國內(nèi)有關(guān)土工膜滲流計(jì)算相關(guān)文獻(xiàn)，本次計(jì)算決定將壩體迎水面壩坡土工膜視為一定滲透系數(shù)和厚度的等效土體，即將土工膜按當(dāng)量滲透系數(shù)處理，即視為滲透系數(shù)為3.81×10-6m/d、厚度為0.7m的土體。

圖3 土工膜與建筑物連接詳圖

(2)二維滲流計(jì)算

壩體采用理正巖土6.5-滲流分析軟件計(jì)算，計(jì)算成果詳見表1、表2。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 大紅泉水庫最大斷面滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4中A點(diǎn)為下游出溢點(diǎn)；B點(diǎn)為下游坡腳；C點(diǎn)在地基面上，距B距離為出溢高度。BC段x以B點(diǎn)為原點(diǎn)，下游方向?yàn)檎?/p>

通過二維滲流計(jì)算得知，壩體采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲時(shí)滲流量為1.1×10-4m3/s。

3.2 土工膜缺陷滲漏量計(jì)算

施工中產(chǎn)生的土工膜缺陷包括：土工膜接縫焊接時(shí)局部粘結(jié)不實(shí)，形成一定長(zhǎng)度的窄縫缺陷；施工機(jī)械和工具的刺破；基礎(chǔ)不均勻沉陷使土工膜撕裂；水壓將水工膜局部刺穿。由于施工中產(chǎn)生缺陷偶然性很大，且不易發(fā)現(xiàn)，因此只能依靠國內(nèi)外類似工程滲漏水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，施工所產(chǎn)生的土工膜缺陷，約每4000m2發(fā)現(xiàn)一個(gè)。其中接縫不實(shí)等形成的缺陷，可以換算成圓孔等效孔徑一般為1～5mm，某些偶然因素產(chǎn)生的缺陷等效孔徑可以換算為10mm，因此孔的大小與施工條件密切相關(guān)。當(dāng)施工條件較差時(shí)，可取缺陷的等效孔徑為10mm(或稱大孔)；施工條件較好時(shí)，可取缺陷等效孔徑為2～5mm(或稱小孔)。

表1 大紅泉水庫最大斷面滲流計(jì)算成果

表2 浸潤線坐標(biāo)計(jì)算成果

當(dāng)土工膜膜下土層的滲透系數(shù)>10-3m/s時(shí)，可以假設(shè)為無限透水，通過土工膜破損孔洞的滲漏量可用孔口自由出流計(jì)算公式：

(2)

式中，Q—土工膜防滲層的缺陷滲漏量，m3/s；A—土工膜缺陷孔的面積總和，取0.002m2；g—重力加速度，取9.81m/s2；Hw—土工膜上、下水頭差，取10m；μ—流量系數(shù)，本次計(jì)算取0.60。

當(dāng)按每4000m2出現(xiàn)一處缺陷考慮時(shí)，400000m2土工膜內(nèi)將共存在100處施工缺陷，計(jì)算時(shí)假設(shè)缺陷為小孔，取等效孔徑d=5mm，則等效半徑r=2.5mm，相應(yīng)土工膜防滲層的缺陷滲漏量為5.3×10-3m3/s。

通過對(duì)土工膜壩體滲流量和土工膜缺陷滲漏量計(jì)算看出，二者之和遠(yuǎn)小于水庫設(shè)計(jì)引水量0.75m3/s。綜上認(rèn)為大紅泉水庫筑壩材料以及其所采取的防滲措施均滿足滲透穩(wěn)定要求。

4 防滲效果與結(jié)論

根據(jù)大紅泉水庫地質(zhì)勘查結(jié)論預(yù)測(cè)，在未采取任何防滲措施的情況下，水庫年滲漏量最高可達(dá)98萬m3，約占水庫總庫容350萬m3的28%。但根據(jù)水庫建成后近3年的滲漏觀測(cè)資料來看，水庫目前全年滲漏量?jī)H為11.12萬m3，約占設(shè)計(jì)總庫容的3.2%，可見當(dāng)水庫采用全庫盤土工膜防滲措施后，水庫滲漏量與設(shè)計(jì)滲漏量基本相符。此外，全庫盤土工膜防滲技術(shù)對(duì)水庫施工過程中土工膜的鋪設(shè)、焊接以及土工膜墊層鋪設(shè)等工序要求十分嚴(yán)格，如施工不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致土工膜防滲功能不能完全發(fā)揮，因此精心施工是保證土工膜發(fā)揮良好防滲作用的重要基礎(chǔ)。全庫盤土工膜防滲技術(shù)在大紅泉水庫中的成功應(yīng)用正是基于土工膜施工過程中完善的質(zhì)量控制措施，確保工程獲得了最佳的防滲效果。全庫盤土工膜防滲技術(shù)不僅解決了水庫下部強(qiáng)透水層的防滲問題，也為本地區(qū)強(qiáng)透水地基上修建引水注入式水庫提供了新思路。