土工膜防滲技術在水庫工程設計中的應用研究

辛俊生，王曉東，王 平

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

土工膜是一種優質、經濟的土工合成防滲材料，近年來在國內外水利水電過程中得到了廣泛的應用，是一項成熟的技術。土工膜具有很好的物理、化學和水力學特性，其滲透系數一般在10-12cm/s，是一種優質的防滲材料。本文結合工程實例，簡述了在開茂水庫5座副壩及右岸山脊采用的土工膜防滲方案及取得的良好防滲效果。

開茂水庫工程位于四川省綿陽市北川羌族自治縣安昌鎮和永安鎮，地處安昌河左岸低山、丘陵區的條形洼地，屬龍門山山前丘陵地貌邊緣，在地質歷史時期長期遭受強烈剝蝕。區內沖溝發育，在庫區形成近南北展布的“丫”形水系，地形北高南低。北面庫尾屬中低山，山體雄厚，地形高陡。庫盆地質結構為近水平的可溶性灰質礫巖與非可溶性紫紅色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖互層，庫盆底部巖溶發育程度總體較弱，以小溶孔為主。庫區左、右兩岸剝蝕強烈，地形單薄，右岸巖層緩傾上游，巖溶發育較強，發育有多個落水洞和溶蝕洼地；左岸巖層緩傾庫內，該庫岸匯水面積小，地形相對零亂、階地不發育，以溶蝕洼地為主。為解決壩體防滲和單薄山脊巖溶滲漏問題，經方案比較，副壩和右岸山脊均采用了土工膜防滲，和常規方案相比，節約了工程投資，為巖溶地區的防滲處理提供了一種可借鑒的方案。

工程主要由蘇寶河取水樞紐、引水渠及輸水洞、庫區樞紐工程建筑物、灌區渠系建筑物、城市供水口等工程建筑物組成。水庫工程的開發任務是以城鎮供水和灌溉為主，兼顧農村人畜供水等綜合利用。開茂水庫庫區正常蓄水位為608.00 m，正常蓄水位以下庫容為2 075萬m3，水庫調節性能為年調節。工程規模屬于中型工程，工程等別為Ⅲ等。庫區樞紐工程建筑物永久性主要建筑物按3級設計。庫區樞紐擋水工程建筑物壩體由1座主壩及5座副壩組成，主壩采用混凝土面板堆石壩，副壩采用土工膜面板堆石壩，兩岸單薄山脊左岸采用垂直防滲帷幕防滲，右岸采用庫岸土工膜結合帷幕灌漿進行防滲[1]。庫區樞紐布置見圖1。

1 土工膜面板堆石壩設計

1.1 壩型選擇

開茂水庫共5座副壩：1號副壩壩軸線長度130.0 m，最大壩高13.75 m；2號副壩壩軸線長度149.0 m，最大壩高20.78 m；3號副壩壩軸線長度139.2 m，最大壩高22.00 m；4號副壩壩軸線長度197.7 m，最大壩高25.0 m；5號副壩壩軸線長度334.80 m，最大壩高25.30 m。副壩壩高均較小，在壩型選擇時分別比較了混凝土面板堆石壩、土工膜面板堆石壩和黏土心墻堆石壩。由于土工膜防滲性能好，造價低廉，施工方便，土工膜面板壩具有較大經濟優勢，而常規混凝土面板堆石壩接縫止水單價較高，所以首先排除了混凝土面板堆石壩；黏土心墻堆石壩由于壩坡相對較緩，且副壩均位于駝峰型單薄山脊埡口，導致黏土心墻壩壩腳延伸較土工膜面板壩大幅增加，填筑工程量增加較多。經比較，土工膜面板堆石壩較心墻堆石壩可節省工程投資約401萬元，因此，開茂水庫副壩均采用了土工膜面板堆石壩。

圖1 庫區樞紐布置示意

開茂水庫副壩均為低壩，壩高在已建的土工膜面板堆石壩范圍內，且下游壩后滲水反壓問題可通過安裝逆止閥解決，因此副壩采用土工膜面板堆石壩。國內部分已建土工膜防滲體壩基本特性見表1。

表1 國內部分已建土工膜防滲體壩基本特性[2]

注：復合土工膜規格數字標注次序為：布的密度(g/m2)；土工膜厚度(mm)；布的密度(g/m2)。

1.2 土工膜面板堆石壩結構

5座副壩壩體結構均相同，壩頂寬度6.0 m，上游壩坡1：1.8，下游壩坡1：1.4；復合土工膜為兩布一膜，規格為350 g·m-2/PE 0.8 mm/450 g·m-2，復合土工膜之下為無砂墊層；墊層之后設水平寬度為2.50 m的壩體過渡料區，其后為壩體主堆石區；復合土工膜上部與防浪墻連接，下部及岸坡通過趾板與基巖連接，趾板下設灌漿帷幕，以形成完整的壩體防滲體系；土工膜上部采用現澆混凝土板進行防護，抵御水庫在低水位運行時壩體內水壓對土工膜的反壓，同時可避免土工膜在運行期被落石等的損壞，減弱土工膜在日照下的老化，延長土工膜使用壽命。副壩土工膜防滲結構見圖2。

1.3 巖溶發育部位壩后水頭反滲水處理

開茂水庫地處巖溶地區，根據前期勘探成果，庫區范圍內共發現有6個巖溶體系。在5號副壩清基過程中發現在原滴水巖巖溶體系范圍內揭露出一較大的溶洞，溶洞可見長度約35 m，寬度5～12 m，最大高度約8 m；洞底有流水，主要由下游降雨溝水補給，由庫外向庫內流動，蓄水后庫內水位高于溶洞發育高程。根據現場情況，在水庫低水位運行時，溶洞內水流會對壩體土工膜產生頂托，影響土工膜穩定。為保證水庫運行期安全，對該溶洞可見部位進行了封堵，封堵之后對溶洞補給水源進行了疏導，避免下游水流流入壩體內部，對壩體造成影響；同時由于巖溶發育的復雜性，存在不可見的溶隙未完全封堵的可能，因此在副壩趾板較低高程安裝了多個逆止閥，見圖3、4。通過以上綜合措施來避免壩體內滲水或溶隙水流在水庫低水位運行時對土工膜產生頂托。

圖2 副壩土工膜防滲結構示意

圖35號副壩溶洞封堵及逆止閥布置示意圖45號副壩趾板逆止閥位置

2 兩岸單薄山脊防滲方案設計

由于北面庫尾和庫盆底部不存在滲漏問題，而兩岸山脊單薄，山脊頂部分布有較厚覆蓋層且下覆巖體風化卸荷較強烈，巖溶發育，解決兩岸單薄山脊的滲漏問題，是開茂水庫能否順利蓄水的關鍵。

2.1 左岸山脊防滲方案

根據庫岸地形地質條件，對左岸單薄山脊防滲處理采用沿山脊進行垂直防滲帷幕灌漿處理和對庫岸邊坡采用土工膜鋪蓋結合坡腳垂直防滲帷幕灌漿綜合處理兩種方案進行比較。由于左岸山脊地形溝梁相間，較為凌亂，鋪設土工膜前基礎平整工程量大，經估算，采用垂直帷幕灌漿方案比采用土工膜結合帷幕灌漿聯合方案節省投資約2 222萬元，因此左岸山脊防滲仍采用傳統的垂直防滲帷幕灌漿方案。根據帷幕灌漿試驗，確定防滲帷幕為雙排孔，孔距2.0 m。左岸岸坡垂直帷幕防滲結構見圖5。

2.2 右岸山脊防滲方案

右岸山脊防滲也對采用土工膜結合帷幕灌漿聯合防滲方案和垂直帷幕灌漿方案進行比較。由于右岸庫岸地形相對較平順，岸坡清理工程量小，采用土工膜結合帷幕灌漿聯合防滲方案后，帷幕灌漿工程量減少，工程投資較帷幕灌漿方案節省投資約3 116萬元。該方案在防滲處理效果和工程投資控制方面都較為可靠，因此選用防滲處理可靠和工程投資可控的土工膜結合帷幕灌漿聯合防滲方案。右岸山脊土工膜防滲結構見圖6。

圖5 左岸岸坡垂直帷幕防滲結構示意

圖6 右岸山脊土工膜防滲結構示意

庫岸土工膜鋪蓋結合坡腳帷幕灌漿垂直防滲方案，采用了在巖溶發育的庫盆岸坡部位利用土工膜進行表面防滲，然后在坡腳位置設置混凝土蓋板進行帷幕灌漿的聯合防滲型式，土工膜和帷幕灌漿蓋板連接，與帷幕灌漿形成封閉的整體。該方案避免了在單薄山體且巖溶發育部位進行帷幕灌漿，提高了單薄山脊防滲處理的可靠性，工程投資較為可控。

土工膜防滲結構在坡面適當平順邊坡后設置80 cm墊層，墊層之上設無砂混凝土基礎，作為土工膜鋪設的基面，土工膜上采用現澆混凝土板進行保護。為避免水庫低水位運行時坡內水位對土工膜的反壓，在坡內一定高程設置排水盲溝，將坡內水位排出下游。

3 結 語

開茂水庫副壩采用了土工膜面板堆石壩，同時為解決右岸單薄山脊巖溶滲漏問題，右岸山脊也采用了土工膜防滲，工程使用土工膜防滲面積累計達11萬m2，和常規方案相比，有效降低了工程造價，累計節省工程投資3 517萬元。目前開茂水庫工程主要建筑物已基本完工，計劃2019年9月蓄水。

土工膜具有良好的防滲性能和延展性，施工方便，造價低廉[3]，是用于水工建筑物的良好防滲材料，采用土工膜防滲具有廣闊的發展前景。但由于其接頭可靠性較差，在施工過程中易發生破損，因此在設計和施工中應著重加強土工膜接頭及其與其他構筑物的連接處理，做好對已施工的土工膜的保護。