济南市沟里水库库底防渗设计分析

刘莉莉，徐运海，巩向峰

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

沟里水库位于牟汶河支流莲花河上，控制流域面积44.6 km2，设计总库容1 033万m3，属中型水库。水库于1965年7月建成，水库以防洪为主，兼顾工业供水、农业灌溉等。华能莱芜电厂建于1972年，位于库区上游，前期华能莱芜电厂的粉煤灰大多排入河道汇入库区。根据2015年实测资料，到2015年6月，水库兴利水位以下库内粉煤灰与泥沙淤积量共计168.43万m3，兴利水位以下库容仅554.57万m3，因水库渗漏严重，无法发挥正常作用。增容后水库总库容1 129万m3，仍为中型水库。

1 库区工程地质

1.1 地层岩性

库区地层岩性主要有两部分组成，上部为第四系覆盖层，下覆基岩；库区内第四系覆盖层分布广泛，自上而下分别为：

库区广泛分布着石灰岩，库底及库岸岩性主要有奥陶系中统八陡组（OMbd）灰色厚层泥晶质纯灰岩、阁庄组（OMg）的薄层微晶膏溶云泥岩夹白云岩和奥陶系下统五阳山组（OMw）的灰色厚层泥晶灰岩。

1.2 库区扩挖增容工程地质评价

库区基岩上覆土层分布、渗透性不均匀，不能形成连续分布的防渗体，基岩内岩溶渗漏通道为网络状，局部防渗措施不能解决渗漏问题；又由于岩溶、断层等在基岩中发育深度大，也不能采用垂直防渗措施，因此沟里水库只能采取库底水平防渗结合库岸防渗的型式。库区地形相对平坦，河道比降较小，两岸岸坡高度较低，也适合采取水平防渗，因此本水库采取两布一膜防渗是适宜的，但需注意以下一些问题。

库区岩溶发育，且可能随时间加剧发展。勘探遇到溶洞的钻孔数占总钻孔数的12%，局部顶板厚度仅有0.3 m，水库蓄水后抬高水头较高，岩溶上部压力增加较多，可能出现岩溶塌陷问题，因此建议对溶洞提前进行灌浆及混凝土充填处理，对顶板厚度小于0.5～1.0 m的溶洞，开挖后充填混凝土；对顶板厚度1.0～1.25 m的溶洞以及顶板厚5 m内无充填物的溶洞，灌水泥浆防止其蓄水后塌陷引起防渗体破坏。

吴家岭水位观测井2000—2015年平均最高地下水位为174.35 m，则多年来沟里水库库区最高地下水位低于现状最低库底高程，也低于增容工程库底清淤扩挖最低高程较多，地下水变化区间远离第四系覆盖层，因此地下水变化不会对库区防渗体造成影响。但考虑到汛期地表来水可能很快，沿库岸进入防渗体底部后，来不及下渗补给地下水，从而壅高水位，短时间内呈现承压状态，若防渗体上部重量不足可能造成防渗体上浮破坏，或者造成防渗体垫层冲刷破坏。

2 防渗方案

库岸采用复合土工膜防渗，面积8.9万m2；库底采用两布一膜防渗，面积95.3万m2。库底土工布和土工膜要求分开铺设，库底自上而下分别为：厚0.6 m回填土、重200 g/m2土工布、厚0.5 mmPE膜、重200 g/m2土工布、支持层压实。在施工过程中，对清淤后的库底进行整平压实后，铺设两布一膜防渗层。库底防渗层包括支持层、排水排气层、防渗层和保护层。

1）支持层。库底整平压实至设计高程后作为两布一膜防渗的支持层，库底压实度不低于0.92，为防止防渗层被刺破，支持层表面不得有树根、芦苇、岩石尖角等突出物。对于底部为卵石的底层，需进行基础处理。

2）排水排气层。为解决库底铺膜下的排水、排气问题，在铺膜下方设置纵横交织的软式透水管。垂直水流向每隔20 m设一道横向排水、排气沟，通至库区两侧护岸，并沿护岸铺设至岸顶，沟槽尺寸280 mm×280 mm，槽内敷设φ80 mm软式透水管，并用粗砂回填，共计108条。顺水流方向设5道纵向排水、排气沟，沟槽尺寸350 mm×350 mm，槽内敷设φ150 mm软式透水管，并用粗砂回填。沿纵向排水、排气沟每100 m设一套逆止阀，共计103套。沟槽、软式透水管通至库区两侧护岸，并沿护岸铺设至岸顶。同时，为增加排水、排气的可靠性，在库底0+000～1+100段水平铺设一层粗砂垫层，厚0.10 m。

3）排气口设计。排气口设在新建库岸顶部，结合警示柱布设，警示柱高为0.7 m，断面尺寸0.2 m×0.2 m，内置D50PVC排气管，孔内可填碎石。

4）防渗层。防渗层选用两布一膜，其中，土工膜采用厚0.5 mmPE-HD膜，上、下层均为200 g/m2的土工布。土工膜采用焊接。土工膜和土工布等需分别满足GB/T17643-2011及GB/T17639-2008国家标准。

5）保护层。顶部土工布以上保护层厚0.6 m，其中，回填土厚度0.5 m，压实度0.92；为满足抗冲要求，在库底范围内表层回填一层开挖的卵石，厚0.1 m。土工布以上回填土应优先采用库区开挖的砾石壤土。

3 土工膜支持层基础处理

3.1 开挖后地层情况

库区开挖后土层分别为砂砾质壤土、中粗砂、卵石、粉煤灰、冲填土、砂质黏土、岩石，面积分别为 28.89、20.68、36.54、3.9、0.4、3.44、1.41 万 m2。

根据设计，开挖后一般（3）层砂砾质壤土和（4）层中粗砂揭露，根据室内试验指标，砂砾质壤土具有高压缩性，剩余层厚也不均匀，会产生沉降量较大及不均匀沉降问题，故防渗施工前应进行压实，对卵石层进行反滤处理。

3.2 支持层基础处理

开挖后底部卵石底层的面积36.54万m2，需增加反滤措施。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）反滤设计要求，对于不均匀系数Cu＞8 的被保护土，宜取 Cu＜5～8 的细粒部分 d15、d85做为计算粒径；对于级配不连续的被保护土，应取级配曲线平段以下（一般是1～5 mm粒径）细粒部分的d15、d85做为计算粒径。

被保护为无黏性土且不均匀系数Cu＜5～8时，第一层反滤级配按下式确定：

式中：D15为反滤料粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d15为被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d85

为被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%。

本工程中，卵石层被保护土不均匀系数Cu达193.32，需按规范调整计算粒径，调整后卵石颗粒级配见表1。

表1调整后卵石层被保护土计算颗粒级配表

中砂反滤料D15为0.268，对于卵石层其d15为 0.05 mm，d85为2.88 mm；则 D15/d85=0.093＜4～5。

D15/d15=5.36≥5，说明满足要求，采用厚30 cm开挖的中粗砂即可。

4 结语

济南市莱芜区沟里水库增容工程设计中，采用全断面土工膜防渗方案，这在山区水库中鲜见。库区开挖后土层分别为砂砾质壤土、中粗砂、卵石、粉煤灰、冲填土、砂质黏土、岩石，库底支持层处理较为复杂；通过对卵石层采取换砂反滤处理措施，保证了库底的渗透稳定和水库的安全运行。