平原水库防渗土工膜气胀问题探讨

何兴民，张荣庆，刘建营

（聊城市茌平区水利局，山东 聊城 252100）

1 工程概况

南水北调东线一期工程茌平县续建配套工程（东邢水库工程）位于聊城市茌平区西部，贾寨镇东南、马颊河右侧。该工程建设的主要任务为：调蓄南水北调东线水量，向茌平区城区居民及工业供水，解决引水时空分配矛盾，提高各用水户的用水保证率。

水库特性指标见表1。

表1 东邢水库主要技术指标表

东邢水库围坝为土工膜防渗体斜墙坝，坝顶设有M10浆砌石防浪墙，墙顶高程35.4 m。围坝轴线总长5.126 km，坝顶高程34.3 m，库底高程24.0 m，水库平均挖深6.3 m，地面以上围坝平均高度4.0 m。围坝上、下游坝坡坡度均为1∶3；坝顶宽6.0 m；上游护坡采用预制混凝土板护坡，下游坡采用草皮护坡形式。水库防渗采用全库底铺设土工膜防渗，即自上而下分别为回填土、一层针刺无纺200 g/m2土工布、两层0.2 mm厚PE膜、一层针刺无纺200 g/m2土工布、8 cm厚中砂垫层，库底铺膜面积为82万m2。

2 技术设计与实施

为有效应对平原水库防渗土工膜气胀问题，本项目采用膜下抽排气施工技术。设计要求：土工膜膜布分置、双膜结构、充分错缝、节点补强；膜下布置排气系统，采用高效射流泵装置强制性针对膜下实施抽排气作业；为有效监控膜下状态，膜下布置空气补偿式孔隙水气压传感器。

2.1 膜下抽排气综合技术设计

1）库底土工膜设计。水库防渗采用全库底铺设土工膜防渗,土工膜膜布分置、双膜结构、充分错缝、节点补强。即自上而下分别为回填土、一层针刺无纺200 g/m2土工布、两层0.2 mm厚PE膜、一层针刺无纺200 g/m2土工布、8 cm厚中砂垫层。要求：上下两层膜独自热熔焊接且上下两层膜焊缝间距不小于1.5 m；土工膜所有“十”“丁”字形节点和人工焊缝处采用不小于3.0 m×3.0 m土工膜置于两层膜之间补强处理；土工布采用缝合连接；中砂垫层中粒径小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%。

2）膜下排气系统设计。全库底防渗面积为82万m2。结合铺膜施工实际情况，全库底共划分9个单元，单元之间设施工排水沟兼做土工膜闭气沟，使得各单元独自形成气密区间。在膜下砂层以下，设排气暗沟。排气暗沟内置φ80软式透水管并回填反滤砂。排气暗沟节点及节点间连接φ75PVC-U排气管道并与射流泵装置衔接。全库底共设置97台套射流泵装置，对应97个排气点。采用高效射流泵装置强制排除膜下气体，控制膜下真空度10～80 kPa，以消除土工膜防渗工程的气胀威胁。

3）膜下监测系统设计。膜下设置水（气）压检测、监测系统。膜底高程为23.0 m。检测、监测分9个单元，每个单元设大气补偿式孔隙水（气）压传感器7～15组，总计97组。传感器读数仪设置在坝顶防浪墙临水侧的专用仪表箱内。

膜下监测系统采用现地巡检仪采集数据，可实时掌握膜下水气压分布。全单元压力有效降低，即可破坏土工膜气胀条件；通过膜下真空度分布及压力水平，可对土工膜整体性进行数值化评估。

2.2 膜下抽排气系统铺装

1）透水管与排气管的铺装。φ80软式透水管和φ75PVC-U排气管的铺装位置是在中砂垫层以下，高程为22.95 m。

φ80软式透水管按照设计经（垂直坝轴）纬（平行坝轴）铺设。由于闭气沟把库底分成9个独立的单元，因此每个单元φ80软式透水管的尾端均放置在各单元对应的闭气沟内。每个单元内的φ80软式透水管铺装在膜下砂层以下挖设好的排气暗沟内，然后回填反滤砂。经向的Φ80软式透水管连接纬向，每段长30～50 m。纬向Φ80软式透水管的铺装根据开挖工程的组织管理安排，进行分段铺装，每段长7 m左右。经纬铺装交叉点处φ80软式透水管通过五通进行连通。

φ75PVC-U排气管铺装按工序先后顺序分为3个环节：库区闭气沟内部径向铺装、库区闭气沟外部纬向铺装和上坝铺装。

库区闭气沟内部φ75PVC-U排气管铺装也是在膜下砂层以下挖设好的排气暗沟内，然后回填反滤砂。库区闭气沟内部的φ75PVC-U排气管都是沿径向铺装的，依据设计要求相邻排气管间距离为50 m左右。它通过三通或五通与φ80软式透水管连通。

库区闭气沟外部纬向φ75PVC-U排气管铺装同样是在膜下砂层以下挖设好的排气暗沟内，然后回填反滤砂，此部分的铺装涉及到排气管的合并。为了符合设计的排气要求，排气管由径向变成纬向时不允许出现90°转角，而是由两次145°弯转实现管道走向的改变。纬向管道的铺装的终点是各自单元预设好的上坝口处，并在这个过程中按设计进行管道合并。

2）孔隙水（气）压传感器的铺装。孔隙水（气）压传感器铺装分为3个部分：传感器埋设、电缆埋设和显示器安装。

传感器的埋设点位于膜下砂层以下，开挖设计要求的坑槽然后用中砂回填，传感器以45°倾角埋设在中砂内的高程为22.89 m，具体坐标由GPS定位确定。显示器放置在防撞墙内的控制箱内，控制箱镶嵌在防撞墙预留口内。

3）排气管与射流泵衔接安装。φ75PVC-U排气管与射流泵由牛筋管（后期变更为耐高温橡胶钢丝管）进行连接，连接时必须保证排气顺畅，确保与排气管连接处及水箱的连接处密封。

2016年12月5日开始膜下排气系统与观测系统铺装，2017年4月15日起陆续安装射流泵排气装置，2017年4月17日完成初始数据采集，膜下抽排气系统铺装工作基本完成，具备抽排气条件。膜下抽排气工程施工主要工程量统计见表2。

表2 东邢水库膜下抽排气主要工程量统计表

2.3 膜下抽排气作业

膜下抽排气作业以水库开始蓄水为节点，分为蓄水前期、蓄水过程两个阶段。

蓄水前期作业于2017年4月17日开始，作业目标为初步形成各单元膜下真空度，直观观察膜下排出的气水混合流状态，附加控制膜下压力，解决施工过程中抗浮问题。射流泵装置启动3～6 h，膜下水气压力传感器即显示膜下压力开始下降，且低于膜上荷载，表明施工过程中土工膜抗浮问题已解决。射流泵装置出流由初始以气态流为主向气水混合流转变，逐步形成以水流为主间有气体排出。本阶段发现的局部土工膜气鼓现象，通过抽排气有效消除。

5月8日，水库开始蓄水，抽排气作业进入关键的蓄水过程气胀控制阶段。该阶段为土工膜气胀高危期，本阶段作业目标为维持膜下真空度，破坏土工膜气胀条件，防止土工膜气胀与气胀破坏。截至5月28日，射流泵装置出流以水流为主间有少量气体排出。膜下压力与膜上蓄水压力相关，膜上、下相对压力差稳定，消除土工膜气胀条件的核心目标完全达成，满足设计要求。

2.4 膜下压力观测

1）观测频率。库底设计所有观测项目的测点在安装、埋设完毕后，进行初始数据的采集。监测项目初始值连续观测3次，取其均值作为初始值。监测频率见表3。

表3 东邢水库工程库底防渗项目监测频率表

2）数据采集。2017年4月17日～5月28日所有传感器完成3次初始数据采集，以其平均值作为初始值。以后每天按照实施细则规定的采集频率要求进行采集并及时分析。

3 效果评价

1）运行效果评价。现水库自开始蓄水至今已经运行了2年多的时间，坝后截渗沟内水位（0.6 m深左右）受库水位变化影响不大；坝后截渗沟附近土地又恢复了耕种。围坝全长5 126 m，沿水库围坝共布置3排观测断面，每排设4根测压管。上游坝肩、下游坝肩、下游坝脚、截渗沟处各设1根，观测断面位于围坝柱号：0+400、2+218、3+535处。对每月水库水位的测压管管内水位高差进行了调查，管内水位高差均值-0.095 m左右，截渗沟外的地下水位无明显上升现象。根据观测和出入库水量分析，扣除蒸发损失，单位坝长渗漏量仅0.32 m3/(m·d），渗漏量很小，说明该工程的防渗措施效果显著。

2）社会经济效益效果评价。东邢水库防渗工程结算金额共计5 601.2万元，效益估算金额约1 120万元；使用膜下抽排气综合技术，有效解决土工膜抗浮问题，提高抗滑性，抗震性和防渗水性效果，增加工程使用寿命，从后期运营成本来看，将产生巨大的社会效益与经济效益。