黏土心墻和土工膜在水庫增容工程防滲設計中的對比研究

匡 鼎

(新疆兵團勘測設計院有限責任公司 云南分院，昆明 650000)

1 概 述

近年來，國內水利工程建設得到快速發展，同時也面臨著對已建工程進行除險、加固和增容等問題，以滿足社會經濟發展的需要[1-2]。滲漏是水利工程最主要的危險因素之一，壩基、壩體以及溢洪道等建筑滲漏是比較常見的滲漏形式，應做好防滲設計工作，以確保水利工程的安全與穩定運行[3-4]。

尹天祥在處理黃土和土石山區的水庫增容設計過程中提出，在溢洪道上增設簡單高效的迷宮堰來達到增容效果，并能達到防滲要求[5]。崔亞軍等對增容圍堤的填筑土料進行了土力學試驗，提出了相應級配下的最佳防滲設計標準[6]。趙學輝等在菩薩廟水庫增容方案設計時，探討了抬高不同高度水位下的可行性和經濟性[7]。艾海提江·艾木拜爾則對復合土工膜在水庫除險加固防滲設計中的應用進行了分析探討，認為復合土工膜具有較好的防滲效果[8]。

本文以某增容工程為例，利用數值分析軟件，對比分析土工膜和黏土心墻在防滲設計中的滲流穩定特性，并將兩種方案的工程投資作對比。在考慮綜合影響因素下，建議選用土工膜進行本水庫工程的增容防滲材料。

2 水庫概況及防滲設計必要性

2.1 水庫概況

該水庫控制流域面積約為28 km2，呈闊葉狀形式分布，河道平均比降0.025 8。現水庫的興利庫容為186×104m3,調洪庫容約為102×104m3，總庫容達到302×104m3。水庫主要作用為防洪，同時兼顧周邊城鎮居民的供水，日供水量僅為0.23×104m3，不能滿足2020年設計水平年下的需求水量。為了減輕下游河道的防洪壓力，同時滿足周邊城鎮工農業發展對用水量不斷增長的需要，改善沿河流域的生態環境，實現社會經濟及生態環境的可持續發展，決定對該水庫進行擴建增容工程。

2.2 防滲設計必要性

設計擴建水庫庫容總量為1 020×104m3，水位為317.25 m，對應興利庫容為800×104m3，相應水位為314.22 m，設計洪水位、校核洪水位及死水位分別約為318.23、319.22和289.90 m。由于原水庫壤土心墻滲透系數偏大(7.1×10-5cm/s)，根據計算，已經不能滿足增容過后的設計規范要求，對滲透穩定及安全運營具有重要影響，因此需要對原壤土心墻及增容后的壩體進行新的防滲處理。工程設計時，擬采用兩種方案進行處理：①黏土心墻土石壩；②復合土工膜斜墻土石壩。具體的壩體布置示意圖見圖1。

圖1 兩種方案布置示意圖

3 方案分析結果對比

3.1 滲流分析

根據本次設計使用材料的性質及地質勘探數據，黏土心墻壩各分區材料的滲透系數值見表1。采用GEO-studio數值模擬分析軟件對壩體進行滲流分析，分別得到兩種防滲方案下死水位、興利水位、設計洪水位以及校核洪水位下的等勢線，見圖2和圖3。

表1 各分區滲透系數統計表

從圖2可以看到，在死水位情況下，浸潤線基本沿著壩體底部，隨著水位的升高，浸潤線在原壩體、新筑上游壩殼以及黏土心墻區的位置不斷升高，最終基本與心墻下游分界線重合，而在下游新筑壩體區內，等勢線則基本沿著壩底的趨勢變化。圖3表明，當水位超過原壩殼高度后，等勢線基本是沿著土工膜的布置變化，通過砼防滲墻后，才逐步沿著壩體降低。

圖2 黏土心墻等勢線數值模擬分析

圖3 土工膜等勢線數值模擬分析

分析得到的滲流結果見圖4。圖4表明，隨著水位的升高，大壩的滲流量逐漸增大，黏土心墻下的出逸比降呈對數型增加，而土工膜的出逸比降則相差不大。對比兩種方案下的滲流量和出逸比降可以發現，采取兩種方案的防滲措施后，在各工況下的大壩滲流情況滿足設計需求，但在同等工況下，黏土心墻的滲流量和出逸比降均較土工膜小。

圖4 滲流分析結果

3.2 穩定分析

利用GEO-studio軟件中的畢肖普分析法，對兩種方案下不同工況的應力情況進行分析，工況分為正常運用和非正常運用。正常運用包括死水位、興利水位以及設計洪水位；非正常運用包括施工期、校核洪水位、水位降落工況1(由校核水位降為興利水位，下游水位為285.48 m)以及水位降落工況2(由校核洪水位降為興利水位，下游水位為285.48 m)，計算分析結果見表2。

表2 穩定計算分析成果表

從表2中可以看到，不管是黏土心墻方案還是土工膜方案，其在正常與非正常情況下所能承受的有效應力值均大于規范允許的最小承受力，表明兩種防滲方案均能滿足壩坡的穩定性要求。

3.3 經濟性分析

投資控制是工程建設中比較重要的一環，因此需要對兩種方案的投資指標進行對比分析。經計算，方案一黏土心墻壩的土石方及拆除工程需要3 256萬元，砌石工程需772萬元，其它工程及材料調差分別預算為156及870萬元，總計投資預算為5 054萬元；方案二土工防滲設計土石方及拆除工程、砌石工程、砼及鋼筋砼工程、基礎處理工程分別需2 368、669、40及259萬元，其它工程和材料調差分別為239及892萬元，總工程預算為4 467萬元。可見，土工膜防滲設計方案具有更高的經濟性，其工程投資可較黏土心墻節省約600萬元。

3.4 討 論

通過對兩種方案的滲流穩定分析及經濟性比較可以看出，無論是黏土心墻壩還是土工膜設計，其防滲效果和壩體穩定性均能滿足相關規范要求，這種情況下就需要對經濟性、安全性以及工程施工綜合等作為主要的選定依據。由上文分析可以看到，土工膜的工程投資預算較黏土心墻方案減少約600萬元，這主要是由于土工膜方案利用人工材料作為防滲體，對壩體料材料的性能要求不高，能充分利用庫區的土料，節省了大量的運輸和轉運費用；同時還能大大節省施工工期，減少人員設備的投入。因此，從技術、經濟、安全整體考慮，認為土工膜方案優于黏土心墻方案。

4 結 論

黏土心墻和土工膜是較為常用的防滲設計方案，基于某水庫增容工程，對兩種方案的技術、安全和經濟性做了對比分析。分析結果表明，兩種方案均能滿足滲流穩定要求，但后者較前者具有更高的工程投資經濟性，同時能大大縮短施工工期，因而建議選用土工膜對本增容工程進行防滲設計。