東吉湖庫區防滲處理技術初探

樹 錦，袁 健

（1.南京市水利規劃設計院，江蘇南京 210016；2.河海大學,水利水電工程學院，江蘇南京 210098）

1 水庫滲漏和發生管涌原因分析

1.1 工程概況

東吉谷地區位于南京市江寧區中部，地處東山副城到祿口新城這一發展“金軸”上，具有連接南京南站和祿口機場兩大樞紐港的黃金區位，是南京歷次總規都明確重點發展的“金軸”的重要組成部分，見圖1。交通便捷，腹地充沛。北靠吉山和東大山，西臨牛首—云臺生態廊道的地理位置令“東吉谷”坐擁青山、縱覽視野，蜿蜒流淌的云臺山河水系從地區中部經過，在南面匯入外秦淮河。群山環抱水網縱橫的東吉谷是江寧不可多得的寶地，更是南京新興產業發展的絕佳舞臺。

圖1 工程地理位置圖

新建東吉湖蓄水工程完工后，經過兩個汛期的考驗，運行情況良好。

1.2 地質條件

東吉湖庫岸填土中較大地段分布為強透水層。該層素填土灰黃色、灰褐色，可塑狀態，粘性土為主，其主要成份為粉質粘土局部地段混塊石，層厚變化很大，碎石含量高，主要呈松散狀，塊石含量5%～48%，塊石直徑5 cm～200 cm。該層層厚0.20～11.80 m，層底高程 10.29～23.19 m，可能成為水平集中滲漏層。

水庫庫區內素填土遍布于整個場區，除碎石含量較高且厚度較大的區域外，該層土為弱透水層。強透水層分部地段滲透系數經驗值2.0×10-4cm/s，場區中這兩段區域將成為水平集中滲漏段。河床夾碎石土不僅厚度大，而且分布在庫區下部、壩基和庫外的廣大范圍內，形成良好的滲漏通道。

1.3 滲漏和管涌原因分析

根據以上現象和地質條件分析可知，水庫水平防滲重點應放在庫區北端強風化安山巖和二級庫區塊石出露或埋深較小地段，其它部位要視天然鋪蓋分布厚度考慮。由于存在良好的滲流通道，因此水庫蓄水后可能滲漏嚴重。

當庫水位升高，庫水進入階地坎壁出露砂層形成滲流時，滲透坡降增大，流速增強，在反濾溝內的臨空出逸點附近形成較集中的滲流，且對與砂層接觸的土層產生接觸沖刷，并攜帶細顆粒出逸，造成管涌現象的發生。

2 庫區防滲處理方案比較

地質勘探資料表明壩基的地質條件和水文地質條件十分復雜，卵礫石層厚度大、分布范圍廣，滲透性強，河床寬度大，施工難度大，而且費用高。如果為了達到徹底解決滲漏問題，保證壩基不發生滲透破壞和下游不再發生沼澤化，可以采用深入基巖的垂直防滲墻[1,2]。另外，如果本著上堵下排的原則，也可以采用上游加強防滲與下游排滲減壓相結合的防滲措施，采用水平防滲方案。

針對東吉湖水庫的地層分布情況及蓄水后滲漏的特點，提出以下3個設計方案進行比選。

2.1 復合土工膜水平防滲方案

根據工程地質資料分析，沿線部分庫岸附近的壤土覆蓋層較小，平均厚度不足50 cm；也就是說該段庫岸是主要的垂直入滲部位，水庫蓄水后容易造成岸坡失穩。在庫區沿原河道部位，存在一條天然鋪蓋薄弱帶，且在東吉湖二級階地部位，有砂層或者砂卵石出露，為主要的垂直入滲部位，是造成庫區滲漏的主要原因。因此對庫區弱透水層較薄部位和砂層出露部位，采用復合土工膜水平防滲處理。

庫區主要垂直入滲部位為現代河床，因此水平防滲重點為庫區大面積的現代河床位置。對于可能存在局部的滲漏通道，也應進行封堵處理[3-5]。在上游滲流通道進口采取粘土斜墻防滲措施，使下游土體承受的水頭減小，達到解決大壩滲流穩定的目的。

2.2 壤土水平防滲方案

對天然鋪蓋厚度小于2.0 m的部位,先進行平整,用壤土進行鋪蓋補強。要求作為防滲鋪蓋的壤土必須有較小的滲透系數。

施工過程中，采用分層碾壓，控制最大干容量和最優含水量。土料壓實標準要根據當地土料用擊實儀進行擊實試驗來決定。壤土平均補強厚度為2.0 m，要求土料粘粒含量不少于20%，塑性指數取15～20，不得含有植物根莖、磚瓦垃圾等雜質；粘土土料含水率與最優含水率允許偏差為±3%；土方分層碾壓，厚度不大于0.3 m，壓實度不低于0.93。

2.3 垂直防滲方案

混凝土防滲墻布置在壩軸線上游壩腳位置。防滲墻頂端埋入壩腳，下端要求穿透夾石層至不透水層。壩基為素填土、粉質粘土、殘積土及安山巖多層結構，其中夾石層下分布有較連續的粘土層，滲透系數較小，可作為相對隔水層，為減少工程量及施工難度，在粘土層較厚部位，防滲墻下端打入粘土層內不小于2.0 m，粘土層較薄的部位要求防滲墻嵌入基巖[7-9]。防滲墻平均深度為7.5 m，墻體厚度0.6 m，混凝土強度為C10。

2.4 方案比較

經比較分析可知[6]：（1）垂直防滲方案。防滲效果好，但是滲墻總面積達1.8萬m2，工期長。工程總投資最高，達2160萬元。（2）壤土水平防滲方案。施工較易，但防滲處理效果不如復合土工膜水平防滲方案，總投資為1990萬元。施工用的粘壤土要到庫區或庫外較遠的地方運土，施工時要嚴格控制碾壓質量。（3）復合土工膜水平防滲方案。施工容易，防滲效果好于壤土防滲方案，總投資為1180萬元，施工方法簡單，復合土工膜埋于地下，不存在老化，耐久性較好。

通過綜合分析比較，結合大壩防滲，在迎水坡進行加高培厚，新筑粘土斜墻，回填土壓實度要求在0.96以上，滲透系數不大于1×10-5cm/s，采用壩體粘土斜墻防滲與庫區復合土工膜水平防滲補強方案相結合的形式，能夠較好地解決東吉湖庫區現狀的滲漏問題，見圖2。

3 復合土工膜水平防滲方案設計

3.1 天然鋪蓋滲透穩定分析

庫區最低點的高程為12.5 m，校核洪水位為21.82 m，因此黃土狀壤土層所承受的最大水頭為9.32 m。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）規定，斜墻的容許滲透梯度為5，心墻的容許滲透梯度為4。實際上,防滲體的容許滲透梯度視土的性質不同而異，輕壤土為3～4，壤土為4～6，粘土為6～8。通常控制防滲體的容許梯度為5～6。因此，從滲透穩定考慮，庫區較低部位，天然鋪蓋小于2.0 m的部位需要做防滲處理，才能保證防滲層的滲透穩定。

圖2 樁號K0+143大壩加固橫剖面設計圖（單位：mm）

3.2 庫區防滲面積分析

在確定復合土工膜防滲的范圍時，需要從投資和防滲效果兩個方面考慮。正常蓄水位情況下，鋪設復合土工膜防滲，需要復合土工膜面積為26.4萬 m2。

3.3 復合土工膜設計

3.3.1 材料選擇

選用聚乙烯（PE）膜，兩布一膜復合土工膜厚度選取為0.5 mm。

選用材料物理力學性能指標應符合下列要

求：密度不應低于900 kg/m3，破壞拉應力不應低于12 MPa，斷裂伸長率不應低于300%，彈性模量（E）在5℃不應低于70 MPa，抗凍性（脆性溫度）不應低于-60℃，聯接強度應大于母材強度；撕裂強度應大于等于40 N/mm，抗滲強度應在1.05 MPa水壓下48 h不滲水，滲透系數應小于10-11cm/s。

同時，復合土工膜應滿足飲水工程和其它衛生性能要求，所用材料均符合國家現行有關環保標準的規定。

3.3.2 結構設計

復合土工膜防滲結構設計，包括膜上保護層、支持層和復合土工膜防滲層。

膜上保護層的主要作用是減緩復合土工膜的老化、防御水流和波浪對復合土工膜的沖刷、人蓄破壞、冰凍損害以及作為壓重抵抗膜下水氣壓力的浮起等。材料為原地壤土壓實。 同樣要檢查與膜直接接觸的壤土中不能有尖銳材料。考慮水深、流速、日曬和冰凍等因素，選定膜上保護層厚度為70 cm。水位變幅區考慮波浪沖刷，局部加厚為100 cm。

膜下為黃土狀壤土，沒有尖銳的石子等物，所以可以直接鋪設復合土工膜；對于砂卵石出漏部位，在砂卵石上部要鋪設10 cm厚壤土，再鋪設復合土工膜。

庫區防滲采用埋壓式PE復合土工膜防滲。根據復合土工膜與膜上保護層之間的摩擦系數，經過計算控制邊坡系數不陡于為1∶5，見圖3。

圖3 復合土工膜結構設計示意圖

3.3.3 聯接設計

復合土工膜聯接好壞直接影響防滲的效果。復合土工膜周邊與相對不透水的鋪蓋緊密聯接，形成封閉的不透水結構體。因此，在周邊設錨固槽，槽深度為膜下50 cm，槽底寬50 cm，將復合土工膜錨固于槽內。膜與膜之間搭接寬度應滿足焊接工藝要求，取為10 cm。

4 結論及建議

（1）通過對東吉湖水庫新建工程的現場調查分析，提出了復合土工膜水平防滲與粘土斜墻垂直防滲相結合的設計方案，并論證分析該方案的科學合理及可行性。

（2）庫區鋪設復合土工膜施工過程中可能造成膜體損壞，無法運用大型碾壓設備，宜改用蛙式打夯機進行碾壓。

（3）建議在人工湖泊多級庫區防滲處理施工過程中，采用逐級設圍堰分段施工的方式，針對不同的地質條件查明滲漏原因，避免造成工程措施投資偏高的現象。