莘州水庫壩基防滲方案比選

王懷國

(聊城市水利局，山東 聊城 252000)

1 莘州水庫工程概況

莘州水庫是南水北調(diào)東線一期工程魯北段莘縣續(xù)建配套工程的重要組成部分，水庫圍壩為平原碾壓式土壩，水庫工程包括圍壩、穿壩涵洞、出庫泵站及安全泄水洞等。

水庫位于山東省莘縣南外環(huán)路以南、范莘干溝以西、劉莊和十里塢以北、范莊和雙廟村以東。水庫工程平面布置大致成矩形，占地面積2100畝。

莘州水庫總庫容787.60萬m3，設(shè)計(jì)水位39.80m；水庫死庫容140.70萬m3，死水位33.50m；設(shè)計(jì)庫底高程32.00m，設(shè)計(jì)蓄水深7.80m，其中地面以下6m，地面以上1.80m。圍壩迎、背水面壩坡坡比均為1∶2.75。壩頂高程41.00m，壩頂設(shè)防浪墻。

2 工程水文氣象

區(qū)域內(nèi)多年平均年降水量557.9mm，多年平均年蒸發(fā)量1218mm。多年平均氣溫為13.2℃，極端最高氣溫41.7℃。年平均風(fēng)速3.2m/s，冬季多偏北風(fēng)，其他季節(jié)多偏南風(fēng)。

3 工程地質(zhì)

3.1 水文地質(zhì)特性

庫區(qū)屬魯西黃河沖積平原分布區(qū)，該處水資源相對貧乏，地下水埋深平均約5.0m，地下水位平均標(biāo)高33.05m。場區(qū)地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于砂壤土及粉細(xì)砂土層中。

3.2 庫區(qū)土層分布

庫區(qū)位于黃河沖積平原上，地形起伏不大，地勢低平，地面高程38.00m左右，地下水徑流滯緩。在勘探深度內(nèi)，自上而下分述如下：

3.3 土層的滲透系數(shù)

壩體及壩基各層土的滲透系數(shù)見表1。

表1 壩體及壩基土層滲透系數(shù)一覽表

4 壩體防滲型式

為節(jié)約投資和便于施工，根據(jù)平原水庫經(jīng)驗(yàn)做法，本工程圍壩壩體防滲型式為復(fù)合土工膜防滲體壩。

5 壩基天然狀態(tài)下滲流計(jì)算

5.1 壩基相對隔水層分析

根據(jù)壩基土層分布，①、③、④、⑥層砂壤土，②層粉砂、⑦層細(xì)砂均具中—強(qiáng)透水性；⑤、⑧層黏土具中等透水性。

相對隔水層必須滿足三個(gè)條件，一是滲透性小，具弱-微透水性，其滲透系數(shù)小于上覆土層滲透系數(shù)的1/100；二是厚度較大，否則越流補(bǔ)給量過大，造成滲漏；三是必須連續(xù)分布，不能出現(xiàn)滲漏“天窗”。

第⑤層土(黏土)為庫區(qū)隔水性相對較好的土層，但裂隙較為發(fā)育，滲透系數(shù)較大。綜合分析認(rèn)為，庫區(qū)揭露土層透水性均較強(qiáng)，水力聯(lián)系密切，勘探深度內(nèi)沒有穩(wěn)定、統(tǒng)一、連續(xù)的相對隔水層。

5.2 天然狀態(tài)下滲流計(jì)算

在天然狀態(tài)、壩基不采取任何截滲措施情況下進(jìn)行滲流計(jì)算及滲透穩(wěn)定分析。根據(jù)土層巖性，選取圍壩樁號0+900、1+900、3+400斷面為典型計(jì)算斷面，采用河海大學(xué)autobank軟件進(jìn)行計(jì)算。

5.2.1計(jì)算水位

庫內(nèi)設(shè)計(jì)蓄水位39.80m，壩后截滲溝水位36.50m。

5.2.2滲漏量計(jì)算

(1)水庫典型斷面等勢線及浸潤線如圖1—圖3所示。

圖1 天然狀態(tài)水庫0+900斷面設(shè)計(jì)水位等勢線及浸潤線圖

圖2 天然狀態(tài)水庫1+900斷面設(shè)計(jì)水位等勢線及浸潤線圖

圖3 天然狀態(tài)水庫3+400斷面設(shè)計(jì)水位等勢線及浸潤線圖

(2)水庫天然狀態(tài)滲漏量及出逸比降計(jì)算結(jié)果見表2。

5.3 天然狀態(tài)下滲流結(jié)果分析

由以上圖表分析可知，水庫壩基不采取截滲措施情況下，運(yùn)行穩(wěn)定期設(shè)計(jì)蓄水位情況下平均年滲漏量253.01萬m3，占調(diào)蓄庫容的39.10%，滲漏嚴(yán)重，需采取可靠的防滲方案。

表2 水庫天然狀態(tài)滲漏量及出逸比降表

6 水庫壩基防滲方案比選

平原水庫壩基防滲一般有兩種方式：一是垂直防滲，二是水平防滲。

6.1 垂直防滲方案

6.1.1垂直防滲型式選擇

壩基無相對不透水層，垂直防滲為懸掛式防滲方式。垂直防滲的具體方法較多，主要有垂直鋪塑、深層攪拌樁、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、振動(dòng)切槽防滲板墻等。按防滲體形成原理不同，可分為防滲材料置換式和介入式。置換式是指利用防滲材料代替原狀地基材料，如薄混凝土防滲墻、垂直鋪塑等，一般需采取機(jī)械成槽后，再施工防滲體。因此，對槽孔穩(wěn)定性要求較高，墻底易出現(xiàn)落淤，影響墻體與相對不透水層的銜接可靠性。介入式是指采用防滲材料對原狀地基直接改良使之具備防滲功能，如高噴板墻、深層攪拌樁等。

結(jié)合國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)本工程實(shí)際情況，垂直防滲選取薄混凝土防滲墻方案參與防滲方案比選。混凝土防滲墻成墻完整連續(xù)，質(zhì)量有保證，其滲透系數(shù)小，防滲效果較好，有豐富成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，缺點(diǎn)是需要優(yōu)質(zhì)泥漿固壁，遇流砂需加強(qiáng)施工管理。

防滲墻采用塑性混凝土，墻體厚度選用30cm。防滲墻混凝土滲透系數(shù)不大于5.0E-7cm/s，抗壓強(qiáng)度不小于3.0MPa，彈性模量不大于1000MPa。

垂直防滲墻軸線設(shè)在壩內(nèi)距壩腳3.0m處，防滲墻頂高程37.00m，平均深度13.00m。壩坡迎水面設(shè)復(fù)合土工膜防滲，壩坡復(fù)合土工膜與壩基垂直防滲墻頂部錨固。

6.1.2垂直防滲滲流計(jì)算

(1)滲流計(jì)算參數(shù)

水庫大壩壩體及壩基各層土料滲透系數(shù)見表1，復(fù)合土工膜滲透系數(shù)K=5.00E-10cm/s，混凝土防滲墻滲透系數(shù)K=5.00E-07cm/s。

(2)計(jì)算水位組合

庫內(nèi)設(shè)計(jì)蓄水位39.80m，壩后截滲溝水位36.50m。

(3)各典型斷面等勢線及浸潤線如圖4—圖6所示。

圖4 水庫0+900斷面垂直防滲方案等勢線及浸潤線圖

圖5 水庫1+900斷面垂直防滲方案等勢線及浸潤線圖

圖6 水庫3+400斷面垂直防滲方案等勢線及浸潤線圖

(4)水庫垂直防滲方案滲漏計(jì)算成果見表3。

6.2 水平防滲方案

6.2.1水平防滲型式選擇

水平鋪塑防滲方案，適用于新建水庫壩基相對不透水層較深或無相對不透水層的情況。為減少水庫滲漏損失水量，水平防滲方案擬采用庫盤全鋪塑方案參與水庫防滲方案比選。庫盤鋪塑方案的優(yōu)點(diǎn)是滲漏損失小，缺點(diǎn)是工程投資較大，鋪膜施工時(shí)需降低地下水水位，施工難度較大，解決蓄水運(yùn)行初期的排氣排水問題比較關(guān)鍵。

表3 水庫垂直防滲方案滲漏量成果表

初擬庫盤水平鋪塑采用復(fù)合土工膜(兩布一膜，PE膜厚0.5mm，土工布為長絲紡粘針刺非織造土工布，上層為200g/m2，下層為300g/m2)，復(fù)合土工膜覆土壓重厚度0.8m，膜下設(shè)排水排氣盲溝和逆止式排水排氣閥。

6.2.2水平防滲滲流量計(jì)算

(1)滲流計(jì)算參數(shù)

水庫大壩壩體及壩基各層土料滲透系數(shù)見表1，復(fù)合土工膜滲透系數(shù)K=5.00E-10cm/s。

(2)計(jì)算水位組合

庫內(nèi)設(shè)計(jì)蓄水位39.80m，壩后截滲溝水位36.50m。

(3)水平防滲后等勢線及浸潤線圖如圖7—圖9所示。

圖7 水庫庫盤鋪塑后0+900斷面等勢線及浸潤線圖

圖8 水庫庫盤鋪塑后1+900斷面等勢線及浸潤線圖

圖9 水庫庫盤鋪塑后3+400斷面等勢線及浸潤線圖

(4)水庫水平鋪塑方案滲漏計(jì)算成果見表4。

6.3 兩種防滲方案效果分析

由以上表中數(shù)據(jù)分析可知，水庫分別采用垂直防滲墻和水平鋪塑方案，設(shè)計(jì)蓄水位情況下年滲漏量分別為145.42萬m3和43.54萬m3，占調(diào)蓄庫容的比例分別為22.48%和6.73%。相對于垂直防滲，水平鋪塑方案防滲效果更明顯。

7 兩種防滲方案投資比較

采用水利工程概算定額，對兩個(gè)方案進(jìn)行投資比較。垂直防滲墻方案概算投資2275萬元，水平鋪塑方案概算投資3231萬元，兩種方案工程投資情況詳見表5、表6。

8 方案比選結(jié)論

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果可以看出，混凝土垂直防滲墻方案滲漏量較大，防滲效果較差，水庫運(yùn)行穩(wěn)定期設(shè)計(jì)蓄水位情況下比庫盤鋪塑方案滲漏量每年增加101.88萬m3。經(jīng)過概算投資比較，水平庫盤鋪塑方案較混凝土垂直防滲墻方案投資增加約1000萬元。

根據(jù)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段的經(jīng)濟(jì)評價(jià)和水價(jià)分析，水庫綜合供水單價(jià)為3.6元/m3，庫盤鋪塑方案比垂直防滲墻方案一年的滲漏水量少101.88萬m3，相當(dāng)于每年少損失367萬元，相對于施工期增加的1000萬元固定投資來說，經(jīng)濟(jì)效益明顯。綜合以上經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，設(shè)計(jì)推薦采用水平防滲即庫盤鋪塑防滲方案。

壩基防滲方案選擇是水庫設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到水庫功能的正常發(fā)揮。在壩基無相對隔水層的情況下，更應(yīng)慎重對待，應(yīng)在滲漏量、工程投資以及施工難易程度等諸多方面進(jìn)行比較、分析。莘州水庫壩基采用水平庫盤鋪塑防滲方案，水庫蓄水后經(jīng)過2年多的滲流觀測，防滲效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但水平庫盤鋪塑方案，在施工期應(yīng)注意加強(qiáng)施工管理，降低地下水，同時(shí)須妥善解決蓄水初期的膜下排水排氣問題，并且有待進(jìn)一步研究降低投資的可能性。

表4 水庫水平鋪塑方案滲漏量成果表

表5 垂直防滲墻方案概算投資表

表6 水平鋪塑方案概算投資表