庫盤土工膜水平防滲在面板堆石壩中的應用

胡海濤，趙萬強

（吐魯番地區水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000）

庫盤土工膜水平防滲在面板堆石壩中的應用

胡海濤，趙萬強

（吐魯番地區水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000）

柯柯亞二庫壩基為深厚的透水性砂礫石層，樞紐布置上突破了攔河式面板壩基礎垂直防滲的常規布置，采取土工膜水平全庫盤防滲布置，并涵蓋了壩頂溢流、壩下埋涵等措施，尤其是庫盤引洪渠的設置解決了大壩截流后庫盤導流及施工期泄洪問題，為平原區布置攔河式水庫樞紐工程積累了經驗。

庫盤；土工膜；水平防滲；柯柯亞二庫

混凝土面板堆石壩和土工膜防滲技術在水庫工程建設中均為較常見的筑壩型式和防滲措施，單純土工膜防滲水庫以灌注式水庫居多，近年來也建成了一些攔河式土工膜防滲水庫，如新疆木壘縣的博斯塘水庫等，已建成的攔河式土工膜防滲水庫壩基均采用混凝土防滲墻等垂直防滲技術，且河床砂礫石覆蓋層相對較淺，基礎處理較為簡單，深厚覆蓋層且強透水地基上修建攔河式水庫工程仍具有一定的局限性。柯柯亞二庫是建于深厚砂礫石覆蓋層上的攔河式砂礫石面板壩，壩體采用混凝土面板砂礫石壩，庫盤采用土工膜水平鋪設全防滲，庫盤土工膜水平鋪設面積68萬m2，土工膜與面板壩趾板相連接，與混凝土面板形成了水庫完整的防滲體系，結合了面板壩適應變形能力強、土工膜防滲效果好且造價低廉的特點，取得了較好的效果。柯柯亞二庫于2014年10月完工，同年11月通過階段驗收后下閘蓄水。本工程的建成為壩基不具備垂直防滲條件的攔河式水庫工程的建設提供了寶貴的經驗。

1 柯柯亞二庫概況

柯柯亞二庫是柯柯亞河上的二級水庫樞紐工程，位于新疆鄯善縣，距離上游出山口處的柯柯亞水庫12km，居于河流出山口后的中下游段。柯柯亞二庫具有工業供水、城鎮供水和農業灌溉等綜合效益，是一項綜合利用水庫工程。柯柯亞二庫為小（1）型工程，總庫容 945.0萬 m3，最大壩高27.1m，壩長2935m，其中主壩長620m，東副壩長1283m，西副壩長1032m。壩型為混凝土面板砂礫石壩，庫盤采用土工膜全庫盤水平防滲，土工膜與趾板相連接與壩體面板形成完整的防滲體。

2 庫區地質概況

柯柯亞二庫壩址處在柯柯亞河淺寬河段上，位于柯柯亞河中下游地段的河漫灘河床地段，地貌上屬山前沖洪積礫質傾斜平原區，河床東西兩岸發育有I～Ⅲ級階地，階地地形較平坦。Ⅲ級階地在庫壩區廣泛分布，表現為沖洪積形成的砂卵礫石堆積地貌，多為高出河床10～15m的臺地，其中左岸高出河床10m左右，右岸高出河床15m左右。

柯柯亞二庫在主河道上修建攔河主壩，在東西兩側沖洪積堆積的臺地上修建副壩，整個庫區及兩岸均為第四系堆積物所覆蓋，未見基巖出露（據調查資料顯示第四系堆積物厚度約為400m）。庫區出露的巖性主要有第四系上更新統沖洪積砂卵礫石、全新統坡積含土碎石以及全新統沖積砂卵礫石， 結構松散 ～中密， 干密度為2.15～2.19g/cm3。壩基及庫盤砂卵礫石層的滲透系數K=1.17×10-3～8.1×10-2cm/s，屬中等～強透水層。

3 樞紐布置型式

柯柯亞二庫樞紐工程由攔河主壩、東西兩岸副壩、壩頂溢洪道、庫盤水平防滲土工膜、放水洞和供水管道幾部分組成。受到地形地質條件的限制，柯柯亞二庫樞紐工程建筑物的布置具有一定的局限性，同時也具有一定的特點。樞紐總體布置平面圖見圖1。

圖1 柯柯亞二庫樞紐平面布置圖

3.1 面板壩結合土工膜水平鋪設全庫盤防滲布置

柯柯亞二庫壩址區為透水性較強的砂卵礫石層，水庫滲漏是主要問題，既要解決壩體滲漏問題，也要解決庫盤滲漏問題。由于壩址區深厚砂礫石層，垂直防滲幾乎無法實現，因此采取水平防滲的處理方式，經多方案比選采用造價低廉、防滲效果較好的土工膜作為水平防滲材料，全庫盤鋪設土工膜68萬m2。壩體經比選采用混凝土面板砂礫石壩，土工膜與趾板連接，與混凝土面板形成水庫完整的防滲體。面板壩結合土工膜水平防滲的布置型式是本工程的一大特點，同時趾板與土工膜的連接方式與防滲效果成為水庫防滲的關鍵點。趾板與土工膜連接見圖2。

3.2 壩頂溢洪道

圖2 趾板與土工膜連接圖

柯柯亞二庫為攔河式水庫，雖不承擔防洪任務，但仍須宣泄進庫洪水。由于壩址區地形及地質條件限制，不具備布置岸坡溢洪道的條件，因此將溢洪道布置在主壩上，消能方式采用底流消能。壩體溢洪道的關鍵是減少溢洪道段壩體沉降引起的堰體及泄槽段的變形影響，以及水流拖拽及脈動壓力對泄槽底板抗滑穩定的影響。

針對壩體沉降引起的堰體變形問題，本工程采取三個方法減少影響。其一是延長壩體自然沉降時間，壩體填筑完成自然沉降7個月后再進行壩頂溢洪道的施工；其二是對溢洪道段壩體提高壓實標準，壩殼料壓實后相對密度由其他壩段的0.8提高至0.9，減少其沉降變形量；其三是泄槽底板采用疊瓦式構造，即上段底板末端與下段底板始端結合部搭接布置，并采用可滑動連接，以適應槽身的伸縮變形。

針對泄槽抗滑穩定問題，本工程采取鋼筋混凝土錨固加固的方法。利用6m長的水平鋼筋錨固于壩體內，另一端與泄槽底板混凝土相連接，加強泄槽底板的抗滑穩定性。泄槽底板錨固見圖3。

3.3 壩下涵洞涵管

壩下埋涵在新疆水利工程中已不鮮見，多承擔引放水任務，柯柯亞二庫壩下涵洞兼有灌溉引水和泄洪功能，涵洞洞身尺寸為3.5m×4.0m，閘井將涵洞分為有壓段和無壓段兩部分，最大下泄流量為82.5m3/s。

圖3 帶地錨的底板加固形式圖

3.4 庫盤引洪渠

柯柯亞二庫為攔河式全庫盤土工膜防滲工程，原引水灌溉渠道柯柯亞干渠穿越擬建庫盤，為滿足施工期下游供水和泄洪要求，在庫盤中部縱向布設了一道引洪渠（圖4示），引洪渠始端與河床及原柯柯亞干渠相接，末端與灌溉兼泄洪洞相連，貫穿于庫盤起到連接水流的作用，即解決了施工期下游供水和截流后施工期洪水穿越庫盤導流的問題，在運行期也起到洪水導向作用，將汛期洪水沿引洪渠導向庫底死水位處，避免洪水漫流對庫盤土工膜上墊層造成沖刷。引洪渠典型剖面見圖4。

圖4 引洪渠典型剖面圖

4 防滲體系

柯柯亞二庫位于透水地基上，防滲體系的成功與否決定著水庫建設的成敗。壩體采用混凝土面板防滲，庫盤采用土工膜防滲。

4.1 壩體面板防滲

本工程壩體分為主壩和副壩，主壩為現澆混凝土面板防滲，東西副壩為分離式面板防滲，面板厚度0.3m。面板壩防滲技術已較為成熟，在此就不做詳細介紹。壩體結構圖見圖5。

4.2 土工膜設計

柯柯亞二庫庫盤基礎為強透水砂礫石層，土工膜是庫盤唯一防滲層，土工膜設計的成敗決定了柯柯亞二庫設計的成敗，土工膜防滲結構包括土工膜、保護層和支持層。

4.2.1 土工膜厚度的確定

土工膜厚度根據《土工合成材料工程應用手冊》采用耐水壓力擊破方法計算，并考慮其他因素確定。

經計算，塑膜厚度為0.54mm，參照已建類似工程選取塑膜厚度為：水頭大于 20m塑膜厚度0.8mm，水頭小于20m塑膜厚度0.6mm。

4.2.2 土工膜選擇

土工膜的選擇包括塑膜厚度和復合非織造布的選擇，柯柯亞二庫承擔城市及工業供水任務，因此塑膜和復合非織造布的材質均應滿足國家相關食品包裝用聚乙烯成型品衛生標準的要求，經類比類似工程最終選取滌綸短纖非織造布復合土工膜，規格為200g/0.8mm/200g和200g/0.6mm/200g。

4.2.3 防滲結構

土工膜防滲結構從上到下依次為膜上保護層、復合土工膜、膜下支持層。

（1）膜上保護層：柯柯亞二庫膜上保護層為厚度40cm的砂礫石層，主要起到對土工膜的壓蓋保護和防御紫外線輻射作用。

（2）膜下支持層：復合土工膜是柔性材料，全靠支持層的支撐而存在，支持層應使土工膜受力均勻，免受局部集中應力的損壞。支持層一般分為兩層，上層為小于5mm的細粒墊層，厚度一般不超過50mm，下層為一定厚度的級配砂礫石料，這對于庫盤面積68萬m2的柯柯亞二庫來說施工進度受到較大影響。因此，施工階段柯柯亞二庫膜下支持層采用厚度150mm、最大粒徑小于20mm的級配砂礫石料，并利用耐水壓試驗儀進行復合土工膜刺破

圖5 壩體結構圖

試驗，試驗結果表明最大粒徑20mm的砂礫石級配料作為下支持層不會對土工膜造成破壞，不會影響其防滲效果。

5 結束語

土工膜防滲在水庫防滲中的應用已屢見不鮮，本文的特點是攔河式混凝土面板壩與土工膜全庫盤防滲相結合的樞紐布置型式，集壩頂溢流、壩下埋涵于一身，尤其是引洪渠的布置解決了截流后施工期導流泄洪問題，同時壩頂溢洪道、副壩分離式面板的布置型式以及膜下支持層采用級配砂礫石料等均具有一定的特點，為不具備修建山區水庫的平原區透水地基上修建攔河式水庫樞紐工程積累了經驗。

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圖4 無截水環條件下涵管頂部滲透坡降值變化

4 結論

在不設置截水環條件下，本文對不同涵管距離下的涵周滲流特征進行研究。在研究過程中，通過ABAQUS軟件進行有限元劃分后，從滲流流速、滲透孔壓、滲透坡降值等方面就不同滲透系數涵管周圍滲流場的影響進行分析。經過計算和分析，得出如下幾點基本結論：

（1）隨著涵管頂軸線距離的變化，不同滲透系數下的滲流流速都呈現上升趨勢，且在出口處達到最大值。

（2）隨著涵管周圍滲透系數的增加，出口滲流流量呈顯著線性增加特征。

（3）在不同滲透系數下，隨著上下游距離的變化，滲流孔壓呈現拋物線型降低特征；在各距離值處，涵管頂部滲流孔壓值十分接近。

（4）隨著涵管頂軸線距離的變化，各滲透系數下的滲透坡降呈顯著增加特征；當涵管頂軸線距離小于110.3m時，各滲透系數下的滲透坡降值十分接近，不存在顯著差異。

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TV441

B

1672-2469（2017）02-0104-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.033

2016-05-13

胡海濤（1976年—），男，高級工程師。