南水北调大屯水库全库盘水平铺膜防渗关键技术

焦璀玲，于 云，张东霞，郭晓翠

(南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250013)

水库渗漏会影响到水库的正常运行，并有可能影响大坝安全，平原水库更易出现渗漏问题，因此需要采取工程措施[1]。平原水库防渗一般有垂直防渗和水平防渗，垂直防渗主要指采用截渗墙防渗，水平防渗主要是指全库盘铺膜防渗。

目前国内外关于铺膜防渗的技术很多，如《土工膜水库库盘防渗技术及应用》[2]以阜康市上游水库为例，介绍了土膜厚的计算选择、施工注意事项等；《塑膜焊接工艺在杨安镇水库防渗施工中的应用》[3]《南水北调工程渠道防渗复合土工膜施工工艺》[4]主要探讨了PE膜焊接技术及针对土工膜焊接不密实现象，探讨复合土工膜施工工艺的内容；《南水北调安阳段穿漳工程引水渠道防渗检测》[5]阐述了复合土工膜防渗施工、检测方法和施工检测中应注意的问题；《浅谈复合土工膜在人工湖防渗工程中的应用及施工》[6]介绍了土工膜在人工湖防渗中的施工；《Geomembraneseamnondestructivetests:Constructionqualitycontrol(CQC)perspective》[7]从施工质量控制的角度探讨了压力、真空、电阻率等常用土工膜接缝无损检测方法的内容。但这些文献都没有系统地给出平原水库全库盘铺膜的关键点及施工中应注意的问题，但没有形成一套施工指导体系。

1 工程概况

南水北调工程沿线建有大量的调蓄水库，由于平原水库坝基可能发生渗透变形，透水的坝基可能引起下游沼泽化，次生盐渍化和农田浸没，因此需采取防渗技术。另外，采用防渗技术还可以有效地减少南水北调沿线调水渗漏损失，力求以最低的经费投入，长期保持将所调江水尽量多的、安全快速地输送到需水区。

南水北调山东段大屯水库位于山东省德州市武城县恩县洼东侧，距德州市德城区25km，是南水北调东线第一期工程山东境内的调蓄水库之一。水库围坝轴线总长8913.99m，总占地面积9732.9亩。设计最高蓄水位29.80m，相应库容5209万m3，调节库容4464万m3。主要任务是引江水经水库调蓄后向德州市德城区和武城县城区城市居民和工业供水，保障南水北调东线鲁北输水工程完成供水目标，年供水总量12502万m3。库区地下水位以上土层平均饱和度86.9%～94.0%。地下水位类型为第四系孔隙潜水，贮存于砂壤土、裂隙黏土的裂隙和粉细砂、中细砂的孔隙中，地下水埋深一般1.1～1.8m，库内最大变幅达3～4m。坝址各土层渗透系数0.089～13.6m/d，属于中等-强透水性，无相对不透水层。

大屯水库采用了全库盘水平防渗铺膜防渗方案，库盘防渗采用膜布分置，防渗面积501万m2，是迄今为止国内铺膜防渗面积最大的水平铺膜防渗设计的平原水库，具有代表性。

2 存在的主要技术问题

大屯水库全库盘水皮铺膜在设计、施工阶段面临众多的技术问题，主要有：

(1)膜下气场问题。膜下非饱和土被土工膜封闭后，在水库运行中，受一些因素影响，膜下气压可能会增大，直至超过膜上压重。导致土工膜被托起，甚至顶破土工膜，最终导致库盘防渗失效，水库无法正常运营。在山东省内多个采用库盘铺膜防渗方案的平原水库，已经发现存在上述膜下气场问题。由于对该问题缺乏研究，常常在这些水库的设计和施工前难以进行针对性的处理，一旦出现问题，就会给工程维护带来极大的困难并增加工程运行维护成本。

(2)逆止阀与土工膜连接强度及质量检测问题。通过对现有工程经验和教训的学习，在工程运行过程中，最容易受损或出现问题的是逆止阀与土工膜的连接处，这是一个薄弱环节。因此，从设计到施工，土工膜与逆止阀的连接是一个主要技术难点和关键点，为了更好的保证整个水库防渗体系的安全可靠行，必须确保土工膜与逆止阀连接可靠、防渗止水完好。

(3)全库盘铺膜施工及质量控制问题。平原水库土工膜防渗施工及检测技术国内尚无指导具体工作的相关规定，且调蓄水库大面积防渗施工中缺乏材料使用和施工质量检测方面的统一标准。

3 采取措施

3.1 膜下气场

大屯水库水平铺膜防渗面积达501万m2，是目前国内全库盘水平铺膜防渗最大的，为了保证铺膜质量，针对膜下气场问题，开展了现场试验及理论研究。现场试验先后进行了3个阶段试验，进行了不同库水位条件下，地下水位快速上升工况下的试验模拟，对膜下气场问题发生机理及相关规律进行了研究[8]。

试验结果及采取措施：在库底铺设土工膜，水库蓄水后，水渗入土工模底部的土层中，将土孔隙的空气置换出来，气体对土工膜顶托，如果没有排气或压重措施，则土工膜将被顶破。水库蓄水后，库水位降落，而土工膜下的渗水不能很快排出，则渗透水压将对土工膜顶托一致顶破或漂浮。因此需采取可靠的工程措施。

大屯水库土工膜铺设具有铺设面积大，地下水埋藏较浅的特点，针对该特点采用了排水排气盲沟、逆止阀及压重组合措施。

(1)排水排气系统：在土工膜底部设置排水排气盲沟，间距按照75m布设，尺寸为30cm×30cm。

(2)逆止阀，在盲沟交点位置，设逆止阀排气排水，间距为150m。

(3)膜上压重，为了防御风浪淘刷、冰冻损坏以及气体渗水顶托破坏等，复合土工膜上部需设置保护层，根据大屯水库工程实际情况，保护层选用填土压重；填土压重厚度主要受地下水水位变化、膜下气体压力、风浪、施工机械等因素控制，大屯水库地下水位埋深1.10～1.60m，库内筑坝取土深约为2.0m，复合土工膜下水头0.9～0.4m，本着经济合理、就地取材的原则，膜上填土压重土料从库内取土，复合土工膜铺设深度、同时承担的水头也随之加大，综合考虑以上因素，确定膜上填土压重的厚度为1.0m。

库区膜下排水排气设计、现场试验成果等理论和实践经验的长期积累，使大屯水库气胀机理方面的研究处于国际领先地位，以气胀机理研究为基础的膜下排水排气系统设计、施工方法方面的研究具备良好的理论与实践基础。可为现有平原水库防渗设计提供借鉴。

3.2 逆止阀与土工膜连接质量及检测

3.2.1采用法兰螺栓连接方式

针对关键性技术难题逆止阀与土工膜连接质量控制和检验，开展了试验研究。针对原设计逆止阀与土工膜连接的胶接法不可靠的情况，通过考察调研，并对多种方案进行现场、实验室试验对比，通过优选确定了土工膜与逆止阀法兰螺栓连接方式，并进行了试验检验。试验结果如图1所示。

图1 土工膜与逆止阀连接不同情况下拉伸试验过程与受力情况变化图

通过对法兰盘与土工膜的连接咬合力采用拉伸仪器进行拉伸试验检测，土工膜穿过螺栓情况下，拉力峰值27MPa>0.2MPa；土工膜不穿过螺栓情况下，峰值25MPa>0.2MPa，土工膜力学破坏出现在逆止阀连接边缘。且逆止阀连接部分内部的土工膜均未发生破坏，没有产生变形和位移，强度能够满足规范要求。

3.2.2研制了逆止阀与土工膜连接质量检测的便携式检测设备

为了对逆止阀与土工膜连接部位密封性能进行检测，研制了便携式检测设备[9]，如图2所示。该设备是结合法兰螺栓连接情况，专门研究定制的，可现场检测逆止阀连接部位的密封性，填补了非规则连接部位现场检测的空白，方法简便、实用，保证了土工膜与逆止阀连接的质量，确保了防渗效果，具有很好的推广应用价值。

图2 逆止阀土工膜连接质量便携式检测设备

该设备手动进水加压装置与密闭筒相连，通过手动进水加压装置向密闭筒内加水的方式增加密闭筒内的压强，使其达到设计水位水深及以上的压强。通过实验室、现场试验土工膜与逆止阀连接部位在设计要求10m水深(压强0.1MPa)及20m水深(压强0.2MPa)情况下，加压稳定后持续5min，土工膜与逆止阀连接处及逆止阀与法兰盘连接处两薄弱部位，均未发生渗漏，满足相关规范要求。

3.3 全库盘铺膜施工及质量控制

针对平原水库土工膜防渗施工及检测技术国内尚无统一的指导文件，缺乏统一的监测标准等问题，对全库盘铺膜施工及质量检测开展相关研究。

确定了全库盘铺膜施工工序：主要材料的采购与管理→施工准备→排水排气系统施工→土工膜摊铺→土工布连接→土工膜焊接→土工膜与建筑物等特殊部位连接→逆止阀施工→上保护层施工→土工膜铺设验收。明确细化了每一施工工序的相关规定、施工要求、质量控制与检验、质量评定等相关流程。如：主要材料的采购与管理主要从原材料的选择，驻厂监造等方面进行质量控制，有效的保障了原材料的质量；施工准备主要从基面准备、场地条件、现场试验、相关规章制度保障等方面进行了规定，为铺膜施工做好充分准备，保障铺膜施工顺利进行；土工膜铺设、焊接施工是全库盘铺膜防渗的关键环节，该环节主要对土工膜不同焊接方法、设备、质量检测方法等进行了详细的研究，通过试验确定适合当地气候的焊接参数，并形成了一套完整的、用于指导土工膜焊接施工的指导文件，保证了土工膜浦和及焊接的质量等。

通过研究最终形成一套完整的用于指导全库盘铺膜施工的技术体系，规范和指导了大屯水库全库盘铺膜的施工管理，对推进大屯水库全库盘铺膜防渗施工建设、保证工程施工质量，起到了很好的指导作用。

4 结语

通过研究，很好地解决了平原水库全库盘铺膜在设计、施工中存在的关键技术问题，形成了一套完整的平原水库全库盘铺膜技术体系。研究成果已经成功地应用到南水北调东线大屯水库土工膜防渗施工中，不仅保证了大屯水库的工程质量，而且大大推进了铺膜施工进度。2014—2017年，经后期蓄水运行库内水位监测结果显示，在设计蓄水位时，年平均渗漏量约为322万m3，远小于设计值714万m3，防渗效果良好。该研究成果对南水北调沿线平原水库以及其他类似的铺膜防渗工程具有重要的技术指导意义和借鉴作用，具有很好的推广应用前景。研究成果提高了我国平原水库全库盘铺膜建设的理论和技术水平。