引江濟淮亳州調蓄水庫防滲方案研究與應用

楊子江，馮 帥，張 鵬

(1. 中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601；2. 國家投資項目評審中心，北京 100037)

防滲設計是水庫設計的重要內容，直接影響水庫設計施工和水庫建成后功能的發(fā)揮。如何選擇防滲方案也一直是工程技術人員研究的課題，不僅對當下水利工程建設有著借鑒意義，對已建成的病險水庫除險加固也有一定指導意義。水利工程中常見的防滲技術有混凝土防滲墻技術[1- 2]、高壓旋噴灌漿防滲技術[3]、攪拌樁防滲墻技術[4]、土工膜防滲技術[5]、帷幕灌漿防滲技術[6]等。水利工程防滲設計需在充分分析工程區(qū)水文地質條件的基礎上，結合工程地質勘察資料對滲漏情況進行分析計算后選擇防滲效果好、技術經濟性好的防滲方案[7]。本文以亳州調蓄水庫為例，結合水庫工程實際情況，經方案比選確定了水庫的防滲方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況

亳州市地處淮北平原，為水資源極度缺乏地區(qū)，全市工業(yè)和城市生活長期依賴中深層地下水，水量和水質均難以保證[8]。為確保亳州市城區(qū)用水安全，亳州城市供水工程作為引江濟淮工程的一部分，于2017年12 月開工建設，工程建成運行后，亳州市將逐漸封存地下水，引江濟淮工程引調水將成為亳州市唯一水源[9]。亳州城市供水工程由加壓站、供水管道及調蓄水庫等三部分組成，其中調蓄水庫位于亳州市林擁城森林公園南側，主要工程任務是作為應急備用水庫蓄水，在輸水管道檢修以及突發(fā)事故時向亳州城區(qū)自來水廠供水，水庫總庫容493.0萬m3，調蓄庫容460萬m3，向亳州城區(qū)多年平均凈供水量12645萬m3(2040水平年)，主要建筑物包括圍壩、入庫涵洞、出庫涵洞、放水洞及庫周渠系工程等[10]。

亳州調蓄水庫是典型的平原水庫，工程區(qū)內地勢平坦，地面高程由西北側的36.2m漸變至東南側的35.2m，平均高程35.6m，采用下挖式庫區(qū)，正常蓄水位取平地面高程35.6m，高于周邊地下水位(32.5～34.5m)。庫周利用開挖土料填筑圍壩，水壩軸線總長約8.35km，庫區(qū)水面開闊，水域面積較大，正常蓄水時水面面積約170萬m2。庫區(qū)采用壓力管道輸水充庫，無天然河道徑流入庫，工程無防洪任務。根據(jù)亳州市水資源緊缺的現(xiàn)狀以及平原水庫的特點，庫區(qū)防滲是本工程設計的重點，也是工程建設單位和管理單位關注的焦點。

2 防滲方案設計

2.1 庫區(qū)地質條件

工程區(qū)位于華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，第四系地層發(fā)育，分布廣泛，主要以沖積類型為主，其次為湖積、沼澤相沉積和殘坡積。工程勘探深度范圍內主要分布土層為：第①- 1層、第①- 2層粉質黏土或重粉質壤土；第①- 3層重中粉質壤土；第①- 4層重中粉質壤土(含砂礓)；第①- 5層中輕粉質壤土夾砂壤土；第①- 6層重粉質壤土或粉質黏土；第②- 1層粉土和中粉質壤土互層；第②- 2層中重粉質壤土；第③層粉細砂和砂壤土互層；第④層輕粉質壤土；第⑥層輕粉質壤土等。

表1 各土層滲透系數(shù)及允許水力比降值

根據(jù)各層土顆粒分析，第①- 1、①- 2、①- 3、①- 4、①- 6層土的粘粒含量18.2%～31.0%，塑性指數(shù)為12.8～15.0，但由于場區(qū)內地下水水位變化頻繁，產生淋濾作用，鈣離子下移至①- 4層重中粉質壤土內膠結成砂礓，形成結核層，在①- 3層土體內形成豎向滲漏通道。上述土層統(tǒng)稱為砂礓粘土，其滲透性為中等，局部為強透水性，厚度3.5～4.0m，其下部①- 5層中輕粉質壤土與粉土或細砂互層、①- 6層重粉質壤土或粉質黏土受到淋濾作用的影響較小，細層理清晰。經現(xiàn)場試驗坑滲透試驗、注水試驗，以及室內滲透試驗，工程區(qū)內各土層滲透系數(shù)和允許滲透比降見表1。

從表1可以看出，庫區(qū)內的①- 1、①- 2、①- 3、①- 4、①- 5層土為相對透水層，①- 6層重粉質壤土或粉質粘土的滲透系數(shù)為7×10-6～8×10-6cm/s，弱至微滲透性，為相對隔水層。另根據(jù)鉆孔及物探資料顯示，庫區(qū)范圍①- 6層土層頂高程29.05～32.98m，層厚0.6～4.0m，在庫區(qū)范圍內廣泛分布，局部層厚較大，可作為庫底有效隔水層，但在水庫東北區(qū)(約27萬m2)該層土缺失。

2.2 無防滲措施滲漏量估算

根據(jù)庫區(qū)水文地質資料以及水庫圍壩設計斷面，對不采取防滲措施的水庫進行滲流分析計算，估算水庫滲漏量。滲流計算采用河海大學編制的Autobank7程序[11]，結合壩段地形特點、壩基①- 6層土分布情況及蓄水位變化情況等資料，選擇5個斷面為計算斷面進行滲流分析計算，庫外地下水按水庫周邊河道攔河節(jié)制閘的蓄水情況分別取34.5、32.5m，各斷面滲流計算結果見表2。根據(jù)各典型斷面代表壩段長度及庫外地下水變化情況估算，不采取防滲措施庫區(qū)年滲漏量約154.14萬m3，其中①- 6層土缺失的東北庫區(qū)滲漏量約84.48萬m3，其他區(qū)域滲漏量約69.66萬m3，總滲漏量占水庫總庫容的31.03%，占設計年調水量的1.22%，滲漏較嚴重。按照《引江濟淮工程(安徽段)初步設計報告》 (第十六章經濟評價)[12]對單位供水成本測算結果，安徽省工程分水口門斷面單方水供水成本為0.78元/ m3，單位運行成本為0.37元/ m3，亳州調蓄水庫滲漏年直接經濟損失約177.1萬元。為減少水庫滲漏量及經濟損失，提高水庫供水效益，需對水庫采取必要的防滲措施。

表2 無防滲措施典型斷面滲漏量計算結果 單位：m3/(s·m)

2.3 防滲方案比選

根據(jù)工程地質條件，庫區(qū)大部分區(qū)域庫底均分布一層相對隔水層，且埋深較淺，頂高程在29.05～32.98m，基本位于庫底高程32.25m上下1.0～1.5m左右，利用庫區(qū)開挖土料在庫周設粘土斜墻截水槽與庫底相對隔水層連接，使庫區(qū)形成完整封閉的防滲體系，既能滿足水庫防滲和水質保護要求，也能節(jié)約工程投資。因此，該區(qū)域庫區(qū)的防滲方案確定為在庫周設粘土斜墻與庫底相對隔水層連接，對庫底相對隔水層較薄的區(qū)域設粘土鋪蓋以減少水庫滲漏量。

表3 比選防滲方案基本情況表

根據(jù)滲漏量計算結果，庫區(qū)滲漏量主要集中在水庫東北側①- 6層土缺失區(qū)域，該區(qū)域面積約占庫區(qū)總面積的16.88%，滲漏約占庫區(qū)總滲漏量的57.45%，因此，需對該區(qū)域采取可靠的防滲措施。針對此類庫底及庫周均無相對隔水層的庫區(qū)，常規(guī)的防滲措施有：①在庫周、庫底設粘土斜墻及鋪蓋；②在庫底及壩坡滿鋪防滲土工膜；③庫周設垂直防滲墻。據(jù)此，對亳州調蓄水庫東北區(qū)域相對隔水層缺失的區(qū)域擬定三個防滲處理方案，具體見表3。

從表3可以看出，方案一投資最少,滲漏量居中,且方案一可就地取材，水庫建成后能保持庫內外水體交換，利于保證水質，經綜合考慮,推薦選用方案一。

2.4 水庫防滲設計

鑒于庫區(qū)開挖土料重塑后可做為有效防滲土料、水庫正常蓄水位與庫外地下水位差較小，結合水質保障要求，亳州調蓄水庫采取的防滲措施為：充分利用庫內開挖粘性土料對庫底、庫周砂礓土進行換填，與庫底相對隔水層連接，使庫區(qū)形成完整、封閉的防滲體系。根據(jù)勘探資料，工程區(qū)內①- 6層土分布共分為三個區(qū)域，分別采取不同的換填方案。A區(qū)：庫底面積116萬m2，區(qū)內①- 6層土厚度1.0～4.0m，該區(qū)域僅在庫周結合圍壩填筑設粘土防滲斜墻，墻底與庫底①- 6層土連接；B區(qū)：庫底面積17萬m2，區(qū)內①- 6層土厚度小于1.0m，在庫周結合圍壩填筑設粘土防滲斜墻與庫底①- 6層土連接，并在庫底設粘土防滲鋪蓋，加大庫底防滲層厚度；C區(qū)：庫底面積27萬m2，區(qū)內①- 6層土缺失，對庫周、庫底分別設粘土斜墻及鋪蓋。采取防滲措施后，對庫區(qū)采取防滲措施后的水庫進行滲流分析計算，結果見表4。

表4 采取防滲措施后典型斷面滲漏量計算結果 單位：m3/s/m

從表4可以看出，在采取防滲措施后，各典型斷面滲漏量均有明顯減小，①- 6層土缺失區(qū)域圍壩單寬滲漏量減小85.3%，其他區(qū)域圍壩單寬滲漏量55.1%～67.3%，庫區(qū)年滲漏量約36.72萬m3，較無防滲措施庫區(qū)滲漏量減少76.2%，總滲漏量占水庫總庫容的7.45%，占設計年調水量的0.29%，說明選用的防滲方案有效，防滲效果較好。

2.5 空庫期運行情況

2020年3月亳州調蓄水庫庫區(qū)內土方全部開挖完成，庫內防滲體填筑完成。2020年6月水庫開始通過壓力管道輸水充庫，此期間水庫一直保持空庫運行，庫外地下水位保持在33.5～33.8m，高于庫底高程1.25～1.55m，庫內無大面積明顯積水，實踐表明水庫總體防滲效果較好。

3 結語

平原水庫普遍具有庫區(qū)面積大、圍壩軸線長、地質條件復雜等特點，庫區(qū)滲漏是建設各方關注的焦點，防滲方案是工程設計的重中之重。本文結合亳州調蓄水庫庫底相對隔水層分布特點及水庫運行期內外水頭差較小的實際情況，綜合考慮工程投資、年滲漏量以及水質保障要求等方面因素，最終選用充分利用庫區(qū)開挖粘性土料，對庫底、庫周進行斜墻、鋪蓋填筑以及庫底防滲層補厚的設計方案。理論分析計算和空庫期運行實踐表明選用的防滲方案有效，防滲效果較好，防滲方案設計可為類似工程提供參考。