土工膜防滲技術(shù)在水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

辛俊生，王曉東，王 平

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

土工膜是一種優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的土工合成防滲材料，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外水利水電過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。土工膜具有很好的物理、化學(xué)和水力學(xué)特性，其滲透系數(shù)一般在10-12cm/s，是一種優(yōu)質(zhì)的防滲材料。本文結(jié)合工程實(shí)例，簡(jiǎn)述了在開(kāi)茂水庫(kù)5座副壩及右岸山脊采用的土工膜防滲方案及取得的良好防滲效果。

開(kāi)茂水庫(kù)工程位于四川省綿陽(yáng)市北川羌族自治縣安昌鎮(zhèn)和永安鎮(zhèn)，地處安昌河左岸低山、丘陵區(qū)的條形洼地，屬龍門山山前丘陵地貌邊緣，在地質(zhì)歷史時(shí)期長(zhǎng)期遭受強(qiáng)烈剝蝕。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，在庫(kù)區(qū)形成近南北展布的“丫”形水系，地形北高南低。北面庫(kù)尾屬中低山，山體雄厚，地形高陡。庫(kù)盆地質(zhì)結(jié)構(gòu)為近水平的可溶性灰質(zhì)礫巖與非可溶性紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，庫(kù)盆底部巖溶發(fā)育程度總體較弱，以小溶孔為主。庫(kù)區(qū)左、右兩岸剝蝕強(qiáng)烈，地形單薄，右岸巖層緩傾上游，巖溶發(fā)育較強(qiáng)，發(fā)育有多個(gè)落水洞和溶蝕洼地；左岸巖層緩傾庫(kù)內(nèi)，該庫(kù)岸匯水面積小，地形相對(duì)零亂、階地不發(fā)育，以溶蝕洼地為主。為解決壩體防滲和單薄山脊巖溶滲漏問(wèn)題，經(jīng)方案比較，副壩和右岸山脊均采用了土工膜防滲，和常規(guī)方案相比，節(jié)約了工程投資，為巖溶地區(qū)的防滲處理提供了一種可借鑒的方案。

工程主要由蘇寶河取水樞紐、引水渠及輸水洞、庫(kù)區(qū)樞紐工程建筑物、灌區(qū)渠系建筑物、城市供水口等工程建筑物組成。水庫(kù)工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以城鎮(zhèn)供水和灌溉為主，兼顧農(nóng)村人畜供水等綜合利用。開(kāi)茂水庫(kù)庫(kù)區(qū)正常蓄水位為608.00 m，正常蓄水位以下庫(kù)容為2 075萬(wàn)m3，水庫(kù)調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)。工程規(guī)模屬于中型工程，工程等別為Ⅲ等。庫(kù)區(qū)樞紐工程建筑物永久性主要建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)。庫(kù)區(qū)樞紐擋水工程建筑物壩體由1座主壩及5座副壩組成，主壩采用混凝土面板堆石壩，副壩采用土工膜面板堆石壩，兩岸單薄山脊左岸采用垂直防滲帷幕防滲，右岸采用庫(kù)岸土工膜結(jié)合帷幕灌漿進(jìn)行防滲[1]。庫(kù)區(qū)樞紐布置見(jiàn)圖1。

1 土工膜面板堆石壩設(shè)計(jì)

1.1 壩型選擇

開(kāi)茂水庫(kù)共5座副壩：1號(hào)副壩壩軸線長(zhǎng)度130.0 m，最大壩高13.75 m；2號(hào)副壩壩軸線長(zhǎng)度149.0 m，最大壩高20.78 m；3號(hào)副壩壩軸線長(zhǎng)度139.2 m，最大壩高22.00 m；4號(hào)副壩壩軸線長(zhǎng)度197.7 m，最大壩高25.0 m；5號(hào)副壩壩軸線長(zhǎng)度334.80 m，最大壩高25.30 m。副壩壩高均較小，在壩型選擇時(shí)分別比較了混凝土面板堆石壩、土工膜面板堆石壩和黏土心墻堆石壩。由于土工膜防滲性能好，造價(jià)低廉，施工方便，土工膜面板壩具有較大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，而常規(guī)混凝土面板堆石壩接縫止水單價(jià)較高，所以首先排除了混凝土面板堆石壩；黏土心墻堆石壩由于壩坡相對(duì)較緩，且副壩均位于駝峰型單薄山脊埡口，導(dǎo)致黏土心墻壩壩腳延伸較土工膜面板壩大幅增加，填筑工程量增加較多。經(jīng)比較，土工膜面板堆石壩較心墻堆石壩可節(jié)省工程投資約401萬(wàn)元，因此，開(kāi)茂水庫(kù)副壩均采用了土工膜面板堆石壩。

圖1 庫(kù)區(qū)樞紐布置示意

開(kāi)茂水庫(kù)副壩均為低壩，壩高在已建的土工膜面板堆石壩范圍內(nèi)，且下游壩后滲水反壓?jiǎn)栴}可通過(guò)安裝逆止閥解決，因此副壩采用土工膜面板堆石壩。國(guó)內(nèi)部分已建土工膜防滲體壩基本特性見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)部分已建土工膜防滲體壩基本特性[2]

注：復(fù)合土工膜規(guī)格數(shù)字標(biāo)注次序?yàn)椋翰嫉拿芏?g/m2)；土工膜厚度(mm)；布的密度(g/m2)。

1.2 土工膜面板堆石壩結(jié)構(gòu)

5座副壩壩體結(jié)構(gòu)均相同，壩頂寬度6.0 m，上游壩坡1：1.8，下游壩坡1：1.4；復(fù)合土工膜為兩布一膜，規(guī)格為350 g·m-2/PE 0.8 mm/450 g·m-2，復(fù)合土工膜之下為無(wú)砂墊層；墊層之后設(shè)水平寬度為2.50 m的壩體過(guò)渡料區(qū)，其后為壩體主堆石區(qū)；復(fù)合土工膜上部與防浪墻連接，下部及岸坡通過(guò)趾板與基巖連接，趾板下設(shè)灌漿帷幕，以形成完整的壩體防滲體系；土工膜上部采用現(xiàn)澆混凝土板進(jìn)行防護(hù)，抵御水庫(kù)在低水位運(yùn)行時(shí)壩體內(nèi)水壓對(duì)土工膜的反壓，同時(shí)可避免土工膜在運(yùn)行期被落石等的損壞，減弱土工膜在日照下的老化，延長(zhǎng)土工膜使用壽命。副壩土工膜防滲結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.3 巖溶發(fā)育部位壩后水頭反滲水處理

開(kāi)茂水庫(kù)地處巖溶地區(qū)，根據(jù)前期勘探成果，庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)有6個(gè)巖溶體系。在5號(hào)副壩清基過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在原滴水巖巖溶體系范圍內(nèi)揭露出一較大的溶洞，溶洞可見(jiàn)長(zhǎng)度約35 m，寬度5～12 m，最大高度約8 m；洞底有流水，主要由下游降雨溝水補(bǔ)給，由庫(kù)外向庫(kù)內(nèi)流動(dòng)，蓄水后庫(kù)內(nèi)水位高于溶洞發(fā)育高程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在水庫(kù)低水位運(yùn)行時(shí)，溶洞內(nèi)水流會(huì)對(duì)壩體土工膜產(chǎn)生頂托，影響土工膜穩(wěn)定。為保證水庫(kù)運(yùn)行期安全，對(duì)該溶洞可見(jiàn)部位進(jìn)行了封堵，封堵之后對(duì)溶洞補(bǔ)給水源進(jìn)行了疏導(dǎo)，避免下游水流流入壩體內(nèi)部，對(duì)壩體造成影響；同時(shí)由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，存在不可見(jiàn)的溶隙未完全封堵的可能，因此在副壩趾板較低高程安裝了多個(gè)逆止閥，見(jiàn)圖3、4。通過(guò)以上綜合措施來(lái)避免壩體內(nèi)滲水或溶隙水流在水庫(kù)低水位運(yùn)行時(shí)對(duì)土工膜產(chǎn)生頂托。

圖2 副壩土工膜防滲結(jié)構(gòu)示意

圖35號(hào)副壩溶洞封堵及逆止閥布置示意圖45號(hào)副壩趾板逆止閥位置

2 兩岸單薄山脊防滲方案設(shè)計(jì)

由于北面庫(kù)尾和庫(kù)盆底部不存在滲漏問(wèn)題，而兩岸山脊單薄，山脊頂部分布有較厚覆蓋層且下覆巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈，巖溶發(fā)育，解決兩岸單薄山脊的滲漏問(wèn)題，是開(kāi)茂水庫(kù)能否順利蓄水的關(guān)鍵。

2.1 左岸山脊防滲方案

根據(jù)庫(kù)岸地形地質(zhì)條件，對(duì)左岸單薄山脊防滲處理采用沿山脊進(jìn)行垂直防滲帷幕灌漿處理和對(duì)庫(kù)岸邊坡采用土工膜鋪蓋結(jié)合坡腳垂直防滲帷幕灌漿綜合處理兩種方案進(jìn)行比較。由于左岸山脊地形溝梁相間，較為凌亂，鋪設(shè)土工膜前基礎(chǔ)平整工程量大，經(jīng)估算，采用垂直帷幕灌漿方案比采用土工膜結(jié)合帷幕灌漿聯(lián)合方案節(jié)省投資約2 222萬(wàn)元，因此左岸山脊防滲仍采用傳統(tǒng)的垂直防滲帷幕灌漿方案。根據(jù)帷幕灌漿試驗(yàn)，確定防滲帷幕為雙排孔，孔距2.0 m。左岸岸坡垂直帷幕防滲結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

2.2 右岸山脊防滲方案

右岸山脊防滲也對(duì)采用土工膜結(jié)合帷幕灌漿聯(lián)合防滲方案和垂直帷幕灌漿方案進(jìn)行比較。由于右岸庫(kù)岸地形相對(duì)較平順，岸坡清理工程量小，采用土工膜結(jié)合帷幕灌漿聯(lián)合防滲方案后，帷幕灌漿工程量減少，工程投資較帷幕灌漿方案節(jié)省投資約3 116萬(wàn)元。該方案在防滲處理效果和工程投資控制方面都較為可靠，因此選用防滲處理可靠和工程投資可控的土工膜結(jié)合帷幕灌漿聯(lián)合防滲方案。右岸山脊土工膜防滲結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖5 左岸岸坡垂直帷幕防滲結(jié)構(gòu)示意

圖6 右岸山脊土工膜防滲結(jié)構(gòu)示意

庫(kù)岸土工膜鋪蓋結(jié)合坡腳帷幕灌漿垂直防滲方案，采用了在巖溶發(fā)育的庫(kù)盆岸坡部位利用土工膜進(jìn)行表面防滲，然后在坡腳位置設(shè)置混凝土蓋板進(jìn)行帷幕灌漿的聯(lián)合防滲型式，土工膜和帷幕灌漿蓋板連接，與帷幕灌漿形成封閉的整體。該方案避免了在單薄山體且?guī)r溶發(fā)育部位進(jìn)行帷幕灌漿，提高了單薄山脊防滲處理的可靠性，工程投資較為可控。

土工膜防滲結(jié)構(gòu)在坡面適當(dāng)平順邊坡后設(shè)置80 cm墊層，墊層之上設(shè)無(wú)砂混凝土基礎(chǔ)，作為土工膜鋪設(shè)的基面，土工膜上采用現(xiàn)澆混凝土板進(jìn)行保護(hù)。為避免水庫(kù)低水位運(yùn)行時(shí)坡內(nèi)水位對(duì)土工膜的反壓，在坡內(nèi)一定高程設(shè)置排水盲溝，將坡內(nèi)水位排出下游。

3 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)茂水庫(kù)副壩采用了土工膜面板堆石壩，同時(shí)為解決右岸單薄山脊巖溶滲漏問(wèn)題，右岸山脊也采用了土工膜防滲，工程使用土工膜防滲面積累計(jì)達(dá)11萬(wàn)m2，和常規(guī)方案相比，有效降低了工程造價(jià)，累計(jì)節(jié)省工程投資3 517萬(wàn)元。目前開(kāi)茂水庫(kù)工程主要建筑物已基本完工，計(jì)劃2019年9月蓄水。

土工膜具有良好的防滲性能和延展性，施工方便，造價(jià)低廉[3]，是用于水工建筑物的良好防滲材料，采用土工膜防滲具有廣闊的發(fā)展前景。但由于其接頭可靠性較差，在施工過(guò)程中易發(fā)生破損，因此在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)著重加強(qiáng)土工膜接頭及其與其他構(gòu)筑物的連接處理，做好對(duì)已施工的土工膜的保護(hù)。