大紅泉水庫(kù)壩體土工膜防滲層方案比選與滲漏計(jì)算

劉英杰，韓秀娟，厙永慧，劉艷霞

(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；3.酒泉市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理站，甘肅 酒泉 735000)

1 概述

隨著甘肅河西地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化配置的需要，近年來該地區(qū)陸續(xù)興建了數(shù)座水源調(diào)蓄工程，其中酒泉市循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)水源調(diào)蓄工程大紅泉水庫(kù)作為玉門市近年來投資規(guī)模最大、供水最集中、帶動(dòng)性最強(qiáng)、產(chǎn)生效益最高的水利綜合性樞紐項(xiàng)目，不僅解決了酒泉市循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)現(xiàn)有企事業(yè)單位的用水問題，也保證了玉門市工業(yè)經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。大紅泉水庫(kù)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(kù)容為350萬m3，其中調(diào)蓄庫(kù)容340萬m3，死庫(kù)容10萬m3，是一座以工業(yè)供水為主的小(1)型水庫(kù)。

大紅泉水庫(kù)坐落于甘肅河西走廊山前洪積扇地段，該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)，在此修建水庫(kù)如不采取可靠的防滲措施勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)水庫(kù)庫(kù)區(qū)或壩基滲漏等問題，從而導(dǎo)致水資源浪費(fèi)和水庫(kù)不能充分發(fā)揮效益，綜合考慮到上述原因，在設(shè)計(jì)階段決定對(duì)大紅泉水庫(kù)進(jìn)行全庫(kù)盤復(fù)合土工膜防滲。本文主要以大紅泉水庫(kù)為例，通過計(jì)算不同類型土工膜防滲層的滲漏量來合理確定全庫(kù)盤防滲水庫(kù)防滲層方案，以期為本地區(qū)同類型全庫(kù)盤土工膜防滲水庫(kù)防滲層選擇提供較為實(shí)用的參考價(jià)值。

2 壩體土工膜防滲層方案比選

2.1 土工膜防滲層比選方案簡(jiǎn)介

眾多土工膜試驗(yàn)與工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)沿用達(dá)西定律時(shí)，滿足不透水要求的土工膜滲透系數(shù)一般要達(dá)到10-13～10-15m/s之間。在工程實(shí)際中，常認(rèn)為滲透系數(shù)k<10-10m/s的黏土為不透水防滲材料，由此也可以推斷土工膜亦為不透水防滲材料。但是實(shí)際上工程中常用的防滲土工膜厚度遠(yuǎn)小于黏土防滲體，因而在相同水頭差作用下土工膜的水力梯度遠(yuǎn)大于黏土防滲體，土工膜的不透水性其實(shí)是相對(duì)的。同時(shí)，在土工膜施工過程中或多或少會(huì)產(chǎn)生各種類型的土工膜缺陷，如土工膜接縫焊接時(shí)局部粘結(jié)不實(shí)產(chǎn)生的具有一定長(zhǎng)度的窄縫缺陷，又如施工機(jī)械和工具造成的土工膜刺破現(xiàn)象。因此本文認(rèn)為，在全庫(kù)盤土工膜防滲水庫(kù)防滲層選擇時(shí)，應(yīng)著重以不同類型土工膜防滲層的滲透性產(chǎn)生的滲漏量和施工中產(chǎn)生的缺陷滲漏量為依據(jù)，確定土工膜防滲層方案。常用全庫(kù)盤防滲水庫(kù)土工膜防滲層一般包括單層土工膜防滲層和在土工膜下鋪設(shè)一層低滲透性土層的土工膜復(fù)合防滲層，本工程即采用這2種土工膜防滲層方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，以確定合理的土工膜防滲層方案。

根據(jù)大紅泉水庫(kù)設(shè)計(jì)方案，方案一為單層土工膜防滲層方案，該方案防滲層順?biāo)鳚B透方向依次為：100mm厚C25F300W4預(yù)制砼護(hù)坡、300mm厚砂礫石墊層(粒徑5～50mm)、100mm上部細(xì)砂保護(hù)層、300g/0.4mm/300g二布一膜復(fù)合土工膜、100mm下部細(xì)砂保護(hù)層、夯填砂礫石壩體(Dr≥0.80)，如圖1所示。方案二為土工膜復(fù)合防滲層，該方案防滲層順?biāo)鳚B透方向依次為：100mm厚C25F300W4預(yù)制砼護(hù)坡、300mm厚砂礫石墊層(粒徑5～50mm)、100mm厚上部細(xì)砂保護(hù)層、300g/0.4mm/300g二布一膜復(fù)合土工膜、300mm厚粘土防滲層、夯填砂礫石壩體(Dr≥0.80)，如圖2所示。

圖1 單層土工膜防滲層方案(方案一)

圖2 土工膜復(fù)合防滲層(方案二)

2.2 土工膜滲漏水量計(jì)算

在土工膜的滲漏水量時(shí)可以沿用土體孔隙介質(zhì)滲流理論，即按以下進(jìn)行計(jì)算。土工膜的滲漏水量也可以把厚度為的土工膜按滲透/kg轉(zhuǎn)化成為厚度為Te、滲透系數(shù)為ke(膜后均質(zhì)土壩的滲透系數(shù))的均質(zhì)土壩計(jì)算確定其滲漏量。

(1)

式中，Q—土工膜的滲漏水量，m3/s;kg—土工膜的滲透系數(shù)，本次計(jì)算取為1.0×10-13m/s;Hw—土工膜上、下的水頭差，本次計(jì)算取為10.0m;A—土工膜的滲透面積，本次計(jì)算取為425200m2；ts—土工膜的厚度，本次計(jì)算取為0.4mm。

通過計(jì)算，全庫(kù)由土工膜的滲透引起防滲層的滲漏水量方案一和方案二均為91.84m3/d。

2.3 土工膜缺陷滲漏水量計(jì)算

2.3.1方案一缺陷滲漏水量計(jì)算

由于施工中產(chǎn)生的缺陷存在較大偶然性，因此只能依靠國(guó)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)等形式形成的缺陷，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)。

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公式計(jì)算。當(dāng)按每4000m2出現(xiàn)一處缺陷考慮時(shí)，425200m2土工膜內(nèi)將可能存在約100處施工缺陷，計(jì)算時(shí)按照缺陷為小孔和大孔分別計(jì)算。當(dāng)缺陷為小孔時(shí)，取等效孔徑d=2mm；當(dāng)缺陷為大孔時(shí)取，等效孔徑d=10mm。

(2)

式中，Q—缺陷滲漏量，m3/s；A—缺陷孔的面積總和，當(dāng)缺陷為小孔時(shí)取為0.0003m2，當(dāng)缺陷為大孔時(shí)取為0.008m2；g—重力加速度，取9.81m/s2；Hw—土工膜上、下水頭差，取為10m，μ—流量系數(shù)，一般可按μ=0.60～0.70，本次計(jì)算取0.60。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)施工條件較好即缺陷為小孔時(shí)，單層土工膜防滲層缺陷滲漏水量為218m3/d；當(dāng)施工條件較差即缺陷為大孔時(shí)，單層土工膜防滲層缺陷滲漏水量為5809m3/d。

2.3.2方案二缺陷滲漏水量計(jì)算

復(fù)合防滲層是由土工膜和膜下滲透系數(shù)<1×10-5m/s～1×10-9m/s的低滲透性土組合而成。根據(jù)膜下土層的相對(duì)厚度和膜與膜下土層接觸是否良好，可按下列公式計(jì)算復(fù)合防滲層單個(gè)孔洞的缺陷滲漏量。

(1)對(duì)于土工膜與膜下土層接觸良好的工況，土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(2)對(duì)于土工膜與膜下土層接觸較差的工況，土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(3)對(duì)于圓形孔洞缺陷，平均水力坡降可按下式計(jì)算：

(7)

式中，Ja—平均水力坡降;R—土工膜缺陷孔下土層內(nèi)滲透區(qū)的半徑，m;a—土工膜缺陷等效孔的面積，m2;r1—土工膜缺陷等效圓孔的半徑，m;Hw—作用在土工膜上的水頭，取10.0m;Hs—土工膜下低滲透性土層厚度，取0.5m;ks—土工膜下低滲透性土的滲透系數(shù)，取1×10-8m/s。

根據(jù)以上公式計(jì)算土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量，結(jié)果見表1。

表1 土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量計(jì)算成果表

2.4 土工膜防滲層比選結(jié)論

將方案一和方案二的滲漏量計(jì)算結(jié)果匯總于表2。從表2可以看出，質(zhì)量較差的單層土工膜防滲層的滲漏水量高達(dá)5900.84m3/d，施工質(zhì)量較好的為309.84m3/d。而土工膜復(fù)合防滲層的滲漏水量則分別為176.24～108.34m3/d和153.72～103.95m3/d。由此可見，單層土工膜防滲層的缺陷滲漏量受缺陷尺寸大小的影響十分明顯，因此采用土工膜復(fù)核防滲層方案要明顯優(yōu)于單層土工膜防滲層方案。

3 結(jié)語

(1)水庫(kù)單層土工膜防滲層的缺陷滲漏量受缺陷大小的影響相當(dāng)明顯，而對(duì)于土工膜復(fù)合防滲層的影響則相對(duì)較小。因此從減小水庫(kù)土工膜防滲層滲漏量的角度出發(fā)，采用土工膜復(fù)合防滲層的防滲效果要明顯優(yōu)于單層土工膜防滲層。

表2 滲漏量計(jì)算結(jié)果比較

(2)隨著土工膜膜上水頭的增加，缺陷滲漏量也會(huì)相應(yīng)增大，二者基本呈線性關(guān)系。但是對(duì)于土工膜復(fù)合防滲層來說，缺陷滲漏量受低滲透性土層厚度的影響較小，這就表明土工膜下部低滲透性土層無需太厚，但是缺陷滲漏量受低滲透性土的滲透系數(shù)影響較大，因此在選擇膜下低滲透性土層時(shí)可選用厚度較薄、滲透系數(shù)較低的防滲土料。

(3)土工膜與下部土層的接觸情況、土工膜缺陷的大小、數(shù)量均受施工水平、施工質(zhì)量等因素的影響，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)與保障。