土工膜防渗技术在水库工程设计中的应用研究

2019-09-24辛俊生王晓东

水电站设计 2019年3期

辛俊生，王晓东，王平

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

土工膜是一种优质、经济的土工合成防渗材料，近年来在国内外水利水电过程中得到了广泛的应用，是一项成熟的技术。土工膜具有很好的物理、化学和水力学特性，其渗透系数一般在10-12cm/s，是一种优质的防渗材料。本文结合工程实例，简述了在开茂水库5座副坝及右岸山脊采用的土工膜防渗方案及取得的良好防渗效果。

开茂水库工程位于四川省绵阳市北川羌族自治县安昌镇和永安镇，地处安昌河左岸低山、丘陵区的条形洼地，属龙门山山前丘陵地貌边缘，在地质历史时期长期遭受强烈剥蚀。区内冲沟发育，在库区形成近南北展布的“丫”形水系，地形北高南低。北面库尾属中低山，山体雄厚，地形高陡。库盆地质结构为近水平的可溶性灰质砾岩与非可溶性紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层，库盆底部岩溶发育程度总体较弱，以小溶孔为主。库区左、右两岸剥蚀强烈，地形单薄，右岸岩层缓倾上游，岩溶发育较强，发育有多个落水洞和溶蚀洼地；左岸岩层缓倾库内，该库岸汇水面积小，地形相对零乱、阶地不发育，以溶蚀洼地为主。为解决坝体防渗和单薄山脊岩溶渗漏问题，经方案比较，副坝和右岸山脊均采用了土工膜防渗，和常规方案相比，节约了工程投资，为岩溶地区的防渗处理提供了一种可借鉴的方案。

工程主要由苏宝河取水枢纽、引水渠及输水洞、库区枢纽工程建筑物、灌区渠系建筑物、城市供水口等工程建筑物组成。水库工程的开发任务是以城镇供水和灌溉为主，兼顾农村人畜供水等综合利用。开茂水库库区正常蓄水位为608.00 m，正常蓄水位以下库容为2 075万m3，水库调节性能为年调节。工程规模属于中型工程，工程等别为Ⅲ等。库区枢纽工程建筑物永久性主要建筑物按3级设计。库区枢纽挡水工程建筑物坝体由1座主坝及5座副坝组成，主坝采用混凝土面板堆石坝，副坝采用土工膜面板堆石坝，两岸单薄山脊左岸采用垂直防渗帷幕防渗，右岸采用库岸土工膜结合帷幕灌浆进行防渗[1]。库区枢纽布置见图1。

1 土工膜面板堆石坝设计

1.1 坝型选择

开茂水库共5座副坝：1号副坝坝轴线长度130.0 m，最大坝高13.75 m；2号副坝坝轴线长度149.0 m，最大坝高20.78 m；3号副坝坝轴线长度139.2 m，最大坝高22.00 m；4号副坝坝轴线长度197.7 m，最大坝高25.0 m；5号副坝坝轴线长度334.80 m，最大坝高25.30 m。副坝坝高均较小，在坝型选择时分别比较了混凝土面板堆石坝、土工膜面板堆石坝和黏土心墙堆石坝。由于土工膜防渗性能好，造价低廉，施工方便，土工膜面板坝具有较大经济优势，而常规混凝土面板堆石坝接缝止水单价较高，所以首先排除了混凝土面板堆石坝；黏土心墙堆石坝由于坝坡相对较缓，且副坝均位于驼峰型单薄山脊垭口，导致黏土心墙坝坝脚延伸较土工膜面板坝大幅增加，填筑工程量增加较多。经比较，土工膜面板堆石坝较心墙堆石坝可节省工程投资约401万元，因此，开茂水库副坝均采用了土工膜面板堆石坝。

图1 库区枢纽布置示意

开茂水库副坝均为低坝，坝高在已建的土工膜面板堆石坝范围内，且下游坝后渗水反压问题可通过安装逆止阀解决，因此副坝采用土工膜面板堆石坝。国内部分已建土工膜防渗体坝基本特性见表1。

表1 国内部分已建土工膜防渗体坝基本特性[2]

注：复合土工膜规格数字标注次序为：布的密度(g/m2)；土工膜厚度(mm)；布的密度(g/m2)。

1.2 土工膜面板堆石坝结构

5座副坝坝体结构均相同，坝顶宽度6.0 m，上游坝坡1：1.8，下游坝坡1：1.4；复合土工膜为两布一膜，规格为350 g·m-2/PE 0.8 mm/450 g·m-2，复合土工膜之下为无砂垫层；垫层之后设水平宽度为2.50 m的坝体过渡料区，其后为坝体主堆石区；复合土工膜上部与防浪墙连接，下部及岸坡通过趾板与基岩连接，趾板下设灌浆帷幕，以形成完整的坝体防渗体系；土工膜上部采用现浇混凝土板进行防护，抵御水库在低水位运行时坝体内水压对土工膜的反压，同时可避免土工膜在运行期被落石等的损坏，减弱土工膜在日照下的老化，延长土工膜使用寿命。副坝土工膜防渗结构见图2。

1.3 岩溶发育部位坝后水头反渗水处理

开茂水库地处岩溶地区，根据前期勘探成果，库区范围内共发现有6个岩溶体系。在5号副坝清基过程中发现在原滴水岩岩溶体系范围内揭露出一较大的溶洞，溶洞可见长度约35 m，宽度5～12 m，最大高度约8 m；洞底有流水，主要由下游降雨沟水补给，由库外向库内流动，蓄水后库内水位高于溶洞发育高程。根据现场情况，在水库低水位运行时，溶洞内水流会对坝体土工膜产生顶托，影响土工膜稳定。为保证水库运行期安全，对该溶洞可见部位进行了封堵，封堵之后对溶洞补给水源进行了疏导，避免下游水流流入坝体内部，对坝体造成影响；同时由于岩溶发育的复杂性，存在不可见的溶隙未完全封堵的可能，因此在副坝趾板较低高程安装了多个逆止阀，见图3、4。通过以上综合措施来避免坝体内渗水或溶隙水流在水库低水位运行时对土工膜产生顶托。

图2 副坝土工膜防渗结构示意

图35号副坝溶洞封堵及逆止阀布置示意图45号副坝趾板逆止阀位置

2 两岸单薄山脊防渗方案设计

由于北面库尾和库盆底部不存在渗漏问题，而两岸山脊单薄，山脊顶部分布有较厚覆盖层且下覆岩体风化卸荷较强烈，岩溶发育，解决两岸单薄山脊的渗漏问题，是开茂水库能否顺利蓄水的关键。

2.1 左岸山脊防渗方案

根据库岸地形地质条件，对左岸单薄山脊防渗处理采用沿山脊进行垂直防渗帷幕灌浆处理和对库岸边坡采用土工膜铺盖结合坡脚垂直防渗帷幕灌浆综合处理两种方案进行比较。由于左岸山脊地形沟梁相间，较为凌乱，铺设土工膜前基础平整工程量大，经估算，采用垂直帷幕灌浆方案比采用土工膜结合帷幕灌浆联合方案节省投资约2 222万元，因此左岸山脊防渗仍采用传统的垂直防渗帷幕灌浆方案。根据帷幕灌浆试验，确定防渗帷幕为双排孔，孔距2.0 m。左岸岸坡垂直帷幕防渗结构见图5。

2.2 右岸山脊防渗方案

右岸山脊防渗也对采用土工膜结合帷幕灌浆联合防渗方案和垂直帷幕灌浆方案进行比较。由于右岸库岸地形相对较平顺，岸坡清理工程量小，采用土工膜结合帷幕灌浆联合防渗方案后，帷幕灌浆工程量减少，工程投资较帷幕灌浆方案节省投资约3 116万元。该方案在防渗处理效果和工程投资控制方面都较为可靠，因此选用防渗处理可靠和工程投资可控的土工膜结合帷幕灌浆联合防渗方案。右岸山脊土工膜防渗结构见图6。

图5 左岸岸坡垂直帷幕防渗结构示意

图6 右岸山脊土工膜防渗结构示意

库岸土工膜铺盖结合坡脚帷幕灌浆垂直防渗方案，采用了在岩溶发育的库盆岸坡部位利用土工膜进行表面防渗，然后在坡脚位置设置混凝土盖板进行帷幕灌浆的联合防渗型式，土工膜和帷幕灌浆盖板连接，与帷幕灌浆形成封闭的整体。该方案避免了在单薄山体且岩溶发育部位进行帷幕灌浆，提高了单薄山脊防渗处理的可靠性，工程投资较为可控。

土工膜防渗结构在坡面适当平顺边坡后设置80 cm垫层，垫层之上设无砂混凝土基础，作为土工膜铺设的基面，土工膜上采用现浇混凝土板进行保护。为避免水库低水位运行时坡内水位对土工膜的反压，在坡内一定高程设置排水盲沟，将坡内水位排出下游。