某調蓄水庫工程地質問題和處理措施研究

王立國

(德州市水利局，山東 德州 253000)

1 工程概況

根據某灌區內現有農業水資源供需存在著可供水量與灌區內農業需水水量，用水過程的不匹配性、用水量嚴重不足等問題，需要引入新的供水工程對灌區供水進行調蓄，工程由輸水工程和調蓄水庫組成。新建調蓄水庫布置于引水線路接近末尾處的右側山前沖洪積平原上，南北長約500 m，東西寬約400 m，預計開挖深度8 m。蓄水量為122萬m3，采用平地開挖、周邊筑堤蓄水，半挖半填的結構形式。本工程壩的等級為4級，壩型為非土質材料土工膜防滲體壩，壩體和壩基材料均為砂礫碎石，擬定上游壩坡為1∶2.75，下游壩坡為1∶2.0。壩頂寬度為6.0 m，采用0.3 m厚砂碎石路面，上游面設高1.2 m的防護欄桿，下游側設路緣石。為方便排水，壩頂路面向外側作成2%的坡度，設0.3 m×0.3 m集水溝，與外壩坡橫向排水溝連接排水。類比相似已建工程，并對工程區巖土類型和特性進行分析，壩體地基及壩體回填料砂礫碎石屬強透水層，調蓄水庫存在滲漏問題，在設計施工中應做好防滲處理措施。

2 工程地質問題

2.1 地形地貌及巖性

擬建調蓄水庫場地地形由西南向東北傾斜、開闊，現為荒灘，場地地層巖性上部為(Q4alp)粉質壤土，稍濕，結構稍密，厚度0.0～2.1 m，表層有0.2 m～0.3 m壓砂用的塊碎石土層，局部表層有壓砂用的塊碎石，下部為(Q4alp)沖洪積砂礫碎石層，結構中密～密實，局部夾有厚度0.1 m～0.2 m的透鏡狀土層，該層厚度大于20 m，砂礫碎石的顆粒組成200 mm～60 mm碎石含量2.8%～11.3%，60 mm～2 mm礫石含量65.9%～72.4%，<2 mm砂含量17.5%～24.6%。特征粒徑：限制粒徑d60=10.44 mm～22.66 mm，平均15.00 mm，分界粒徑d30=2.37 mm～4.41 mm，平均3.68 mm，有效粒徑d10=0.222 mm～0.628 mm，平均0.332 mm，不均勻系數Cu=23.7～80.6，曲率系數Cc=2.1～4.0，多為級配良好礫，滲透系數(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層。對調蓄水庫庫底、庫周進行全庫盆防滲處理，填筑壩體進行碾壓分層回填砂礫碎石，干密度不小于2.10 g/cm3，相對密度不小于0.75，迎水面永久回填邊坡比1∶1.5～1∶1.75，背水面永久邊坡比1∶1.0～1∶1.25。根據本階段野外及室內試驗成果，參照該區已建工程，砂礫碎石層建議參數值見表1。

表1 砂礫碎石層建議參數表

2.2 調蓄水庫主要工程地質問題及評價

調蓄水庫處于山前洪積平原區，砂礫碎石層顆粒較粗，透水性強，局部夾有薄層的含碎石粉質壤土，無其它的不良物理地質現象，工程運行后，含礫粉細砂層位于地下水位以上，不存在地基土地震液化問題；池底地基巖性為砂礫碎石，

滲透系數(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層，場區內地下水埋深均大于20 m，而池底開挖深度6 m～8 m。因而，不存在水庫在施工及運行期間地下水的頂托問題。類比相似已建工程，并對工程區巖土類型和特性進行分析，調蓄水庫存在滲漏問題、基礎穩定等問題。

(1)滲漏問題：水庫地基為洪積砂礫碎石，厚度大于20 m，碎石含量2.8%～11.3%，礫石含量65.9%～72.4%，砂含量17.5%～24.6%，泥質含量4.4%～6.0%，不均勻系數Cu=23.7～80.6，曲率系數Cc=2.1～4.0，多為級配良好礫，滲透系數(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層。地下水埋深大于20 m，池底地基位于地下水位以上的強透水層中，滲漏問題十分明顯，建議對庫底、庫周進行土工膜防滲處理。

(2)地基穩定問題：擬建水庫預計開挖深度6 m～8 m，表層為粉質壤土，厚度約為0.0～2.1 m，表層有0.2 m～0.3 m壓砂用的塊碎石土層，下部為砂礫碎石，同時，調蓄水庫上部采用砂礫卵石填筑，回填高度約為6 m～8 m。經對調蓄水庫內砂礫碎石的取樣分析，其不均勻系數23.7～80.6(>5)，土的區分粒徑顆粒含量d=22.7%～24.8%(25%≤P)，天然狀態臨界坡降0.47～0.51，地基砂卵礫石層具備產生滲透變形的條件，滲透破壞形式為管涌型。

3 工程措施

3.1 壩體防滲設計

3.1.1 土工膜防滲層類型選擇

土工膜防滲層類型可分為單層膜防滲、多層膜防滲和土工膜復合防滲層三種類型(見圖1)[1]。單層土工膜防滲層適用于對防滲要求不高的建筑物，多層土工膜防滲層，對于防止有毒氣體或液體的滲漏，常采用這種結構，復合土工膜是在土工膜下鋪設一層滲透性較小的土層。根據工程特點，水庫滲漏將嚴重影響到工程效益的發揮，故水庫對防滲要求較高，應采用復合土工膜進行壩體防滲。為防止裂隙處產生管涌、坍坑，防滲土工膜應采用土工織物復合土工膜[2]，其物理力學性能指標應見表2。

圖1 土工膜防滲層類型結構圖

表2 土工織物復合土工膜物理力學性能指標

3.1.2 防滲結構設計

防滲結構包括防滲材料的上墊層和下墊層、上墊層上部的防護層、下墊層下部的支持層以及排水、排氣設施[3]。

①防護層和上墊層設計

壩體防滲土工膜防護層有預制混凝土板、現澆混凝土板、干砌石、漿砌塊石等類型。根據工程區建筑材料、施工、造價等因素，本工程防護層設計為現澆混凝土板。

上墊層材料可采用砂礫料、水泥砂漿、無砂混凝土、瀝青混凝土、土工織物或土工網等。本工程上墊層材料選用M10水泥砂漿，上墊層厚度設計為5 cm。

②下墊層和支持層設計

根據《土合成材料應用技術規范》及類似工程施工經驗，下墊層材料可選用壓實細粒土、土工織物、土工網和土工格柵等，當選用復合土工膜鋪設時可不設下墊層，本工程考慮筑壩材料為砂礫碎石，粒徑2 mm～60 mm占70%左右，為保障防滲土工膜在施工、運行中不被礫石刺破，設置下墊層，下墊層采用0.3 m細礫墊層。壩體為碾壓砂礫碎石壩，不再另設支持層。防滲結構見圖2。

圖2 壩體防滲結構圖

3.1.3 土工膜厚度及穩定計算

①土工膜厚度確定

根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》施工要求，用于土石堤、壩的防滲土工膜，膜厚度不應小于0.5 mm，本工程防滲膜厚度確定為0.5 mm。

②抗滑穩定計算

土工膜與膜下墊層之間的抗滑穩定可按公式(1)計算，即：

K=f/tanα

(1)

式中：K為抗滑穩定安全系數；f為土工膜與膜下墊層之間的摩擦系數，取0.49；α為壩坡坡角，α=19.98°。

計算得抗滑穩定安全系數1.32，滿足規范要求。

3.1.4 膜鋪設與聯接設計

本工程復合土工膜采用埋壓式敷設，土工膜的底邊和周邊以及與結構物連接處都必須錨固，并應符合下列要求[4～5]：

①在壩頂應使土工膜向外延升0.8 m～1.0 m為宜，將土工膜埋入預先挖好的溝槽內，用挖出的土分層回填夯實。溝深約0.5 m，寬0.4 m。

②在壩坡連接處，鋪膜地面應先平整，鋪厚30 cm的細礫，其上鋪土工膜，再蓋上5 cm的M10砂漿墊層，壩坡每8 m設置一道水平錨固溝，溝寬30 cm，溝深50 cm，土工膜沿溝道回轉鋪設，錨固溝間土工膜預留1.5%的余幅，以備局部下沉拉伸，且縱向接頭應距壩腳及轉彎處1.5 m以上。

③壩趾與地基連接處，鋪膜地面應先平整，鋪厚30 cm的細礫，其上鋪土工膜，再蓋30 cm的細礫和50 cm厚砂礫石壓重層。

④庫底鋪膜面平整后，直接鋪設土工膜，每10 m回折20 cm，以防地基不均勻沉陷，拉伸土工膜，膜上覆30 cm的細砂和50 cm厚砂礫石的壓重。

⑤土工膜連接采用布縫膜焊的連接方式，搭接寬度不小于30 cm，搭接時應使高端在低端上。

⑥土工膜與輸水管等結構的聯接應充分考慮結構物可能產生較大位移，相鄰材料的彈性模量不應相差過大。

3.2 壩基處理措施

壩基處理主要考慮滿足滲流控制、穩定和變形等方面的要求，以保證壩的安全運行。砂礫碎石壩基的強度和穩定性是足夠的，地基處理的主要任務是控制滲流量在容許范圍以內、不發生滲透穩定破壞現象[6]。

(1)壩基表面處理

調蓄水庫處于山前洪積平原區，地形由西南向東北傾斜、開闊，現為荒灘，場地上部為碎石土，結構稍密，土質不均，下部為砂礫碎石，厚度大于20 m。在壩斷面范圍內清除上部0～2.1 m碎石土層，含草皮、植物的表土、垃圾及其它廢料，并將清理后的壩基表面土層壓實，采用振動碾進行碾壓。

(2)砂礫碎石的滲流控制

調蓄水庫地基為砂礫碎石，滲透系數k=(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層。采用半挖半填，庫底和壩基均屬強透水。滲流控制庫底采用兩布一膜復合土工膜(250 g/0.5 mm/250 g)，鋪塑膜上設上細礫墊層厚0.3 m，其上設0.5 m厚砂礫碎石蓋重，膜下設細礫墊層厚0.3 m。

4 結論及建議

新建調蓄水庫工程區為砂礫碎石層，結構中密～密實，可就地取材，用于大壩壩體回填。根據地質勘察資料，砂礫碎石層顆粒較粗，透水性強，池底地基位于地下水位以上的強透水層中，滲漏問題十分明顯，因此需對庫底、庫周進行土工膜防滲處理。通過工程建設經驗及防滲體材料比較選擇，確定復合土工膜作為防滲體，調蓄水庫壩坡、岸坡和池底均采用兩布一膜全防滲結構。水庫于2019年進行防滲處理，建后防滲效果顯著。