東湖調蓄工程防滲設計

□應乃武　□王　帥　□賈娟娟（河南省水利勘測設計研究有限公司）

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東湖調蓄工程防滲設計

□應乃武□王帥□賈娟娟（河南省水利勘測設計研究有限公司）

項目區是焦作市新區的糧食主產區之一，由于長期以來受缺水的影響，項目區糧食產量低而不穩，農村經濟發展緩慢，人民生活相對貧困。引蓄水工程建成后，因缺水導致的糧食產量低迷現狀將得到徹底改善，對于加快焦作市新區糧食生產核心區的建設，提高糧食綜合生產能力，保障糧食安全具有積極的意義。文章詳細介紹了東湖調蓄工程的設計過程，分析了防滲方案的選擇、滲流分析的要點及方法。

防滲方案；護岸形式；滲流分析

1　工程概況

焦作市東湖調蓄工程項目區位于焦作市東南部，占地面積41.03 km2，地理位置約東經113°10′～113°22′，北緯35° 11′～35°18′，屬焦作市高新區，為糧食主產區。擬建東湖調蓄工程處于新區東部，新河以南，大沙河以北，河東路以東，文昌路以西，距焦作市約22 km。

東湖調蓄工程紅線占地307.80 hm2，工程建成后可形成水面面積197.40 hm2，景觀綠化面積110.40 hm2。東湖總庫容836 萬m3，興利庫容575萬m3，調洪庫容232萬m3，死庫容29萬m3，正常蓄水位84.50 m，供水對象包括農業、工業及水系生態。

2　東湖防滲工程設計

調蓄湖防滲工程是成湖工程的最關鍵環節，一方面，防滲體要能有效地控制池體滲漏量，以便能夠蓄水成池；另一方面，防滲體滲透系數不能太小，以利于池內水體與地下水相互交換，防止出現各種生態環境問題，因此要求防滲體的滲透系數應具有可控性，防滲體為有限防滲。

2.1工程地質條件

調蓄湖區地層主要巖性為重粉質壤土、輕粉質壤土、粉（細）砂等，各層空間分布穩定，為粘砂多層結構。地下水賦存于①、②層壤土中，勘察期間潛水埋深3～7.90 m左右，高程為76.92～81.92 m左右，年內水位變幅1.50～4 m。①層重粉質壤土（alplQ4）滲透系數1.14E-05，②層重粉質壤土（alplQ4）滲透系數2.03E-05，③層重粉質壤土（alplQ4）滲透系數2.36E-05，③-1重粉質壤土alplQ4）滲透系數4.88E-05。

東湖北湖的平均挖深4.50 m，南湖的平均挖深5.20 m，設計湖底高程81.30 m，正常蓄水位84.50 m。地下水位一般低于正常蓄水位，存在湖水滲漏問題。

2.2防滲方案

根據東湖的地質條件，選擇以下四種防滲方案進行比較。

2.2.1方案一：壤土鋪蓋防滲

東湖湖底和邊坡均采用壤土鋪蓋防滲，壤土鋪蓋厚度為0.50 m。壤土鋪蓋防滲是水利工程中常用的一種水平防滲處理方法，屬于完全天然的池底防滲材料，有利于主池區水生動植物的生長和水系生態環境的維護。壤土鋪蓋防滲層施工難度較低，壤土鋪蓋對地層的變形有良好的適應性，防滲效果有保證。

2.2.2方案二：全斷面復合土工膜防滲

東湖全斷面復合土工膜防滲，土工膜上采用開挖料鋪蓋保護。復合土工膜是一種性能良好的新型柔性防滲材料，具有施工簡單，防滲效果明顯和使用壽命長的優點。但是，復合土工膜不利于池內水體與地下水的交換，不利于水體自凈和水質保護，也不利于水生動植物的繁殖和生態環境的自然平衡。

2.2.3方案三：土工合成粘土襯墊防滲

土工合成粘土襯墊（簡稱GCL膨潤土防水毯）是一種新型的土工合成材料，它是以針織法將天然鈉質膨潤土和高強度土工布針織在一起，形成的一種毯狀針織物。它與土工膜同屬土工合成材料，除具有復合土工膜的優點外，還具有高柔韌性和強抗應變能力，施工也比復合土工膜簡單方便。由于其原材料主要為膨潤土和土工織物，其中膨潤土由凝灰巖或基它火山巖在堿性介質下蝕變而成，屬天然材料，該種材料在鄭東新區CBD中心湖池底鋪設了2萬m2。

2.2.4方案四：岸坡復合土工膜湖底不防滲

采用復合土工膜對岸坡進行防滲護砌，可有效解決湖水的側面防滲問題。根據東湖的地質資料，設計湖底高程81.30 m，湖底以下的地層分別為②、③、③-1重粉質壤土層，滲透系數2.05E-05～4.88E-05，為弱透水層，可作為湖底相對隔水層。設計湖底離滲透系數較大的③-1輕粉質壤土層（滲透系數2.05E-05）0.65～4 m，滲透量較小，可通過補水維持東湖正常蓄水位。

2.3方案比較

現從施工技術、工程風險、控制投資等方面對以上4個方案進行分析比較如下。

2.3.1施工技術方面

這幾個方案的施工難度都比較低，工藝簡單易行。在工程施工方面，幾個方案均比較容易實施。

2.3.2工程風險方面

方案一的邊坡部位容易出現集中滲漏，湖水滲漏的風險較大。方案二由于防滲體滲透系數很小，不利于池內水體與地下水的交換，不利于水體自凈和水質保護，也不利于水生動植物的繁殖和生態環境的自然平衡，水環境惡化的風險很大。方案三的防滲體為GCL膨潤土防水毯，GCL膨潤土防水毯為新材料，其大面積使用及運行期維護等問題上還有不可預見性，工程運行維護風險較大。方案四的工程風險較小。

在工程風險方面，方案四優于其他三個方案。

2.3.3投資控制方面

在同等設計深度下，經計算，方案一所需工程投資為1841萬元，方案二工程投資為2776萬元，方案三所需工程投資為4048萬元，方案四所需工程投資為1814萬元。方案一和方案四的投資比較接近，方案四投資最省，方案二的投資較高，方案三投資最高。

在投資控制方面，方案一、方案四優于方案二和方案三。經綜合分析和滲流計算，方案四可滿足工程防滲要求，施工質量可以保證，投資較少，因此，推薦方案四。邊坡采用復合土工膜9.30 萬m2，湖底不采取防滲措施。

2.4防滲工程設計

岸坡的垂直防滲采用土工膜防滲，同時為防止水流、波浪對邊坡的淘刷，土工膜上采用鎖鏈式生態護坡保護，厚10 cm。

2.4.1護岸型式

護岸設計要求能夠保護池邊岸坡的穩定，同時要求工程造價較低采取土工膜作為主防滲層，土工膜采用2布1膜的復合土工膜（200 g/1.00 mm/200 g），下部鋪設10 cm厚粗砂墊層。土工膜上部采用鎖鏈式生態護坡作為保護層。

2.4.2土工膜厚度安全系數計算

采用《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》（SL/T225-98）附錄C的計算方法，公式如下：

式中：Tf—土工膜的極限抗拉強度；εf—應變；ε—膜的拉應變。

根據本地的地質條件和工程條件，預計膜下地基可能產生的最大裂縫寬度0.05 m，則單寬土工膜上產生的拉應力為1.01 kN/m。對于1 mm厚復合土工膜，國標規定的斷裂強度18 kN/m，則安全系數Fs=17.90。安全系數大于規范要求的4～5，因此是安全的。

3　湖區滲流分析

3.1滲流計算方法及基本資料

3.1.1計算方法

利用有限元數值分析方法計算，采用《水工結構有限元分析系統AutoBANKv5.1》進行計算分析。

基本模型為：

式中H為滲流場的水頭函數，和分別為x和y方向土的滲透系數。

3.1.2基本資料

根據地質報告典型斷面所采用的地質參數進行分析。勘察期間地下水位為76.90 m～81.90 m。采用地質參數見表1。

表1　滲透計算采用地質參數表

計算工況：

工況1：湖水位84.50 m，地下水位76.90 m。

工況2：湖水位84.50 m，地下水位81.90 m。

3.1.3模型

根據《水工結構分析系統》應用程序，采用二維有限元方法對無防滲措施和有防滲措施兩種情況下進行滲漏量計算。

3.2計算結果分析

3.2.1無防滲措施滲流計算

如果不采用任何防滲措施，考慮湖水面高程為84.50 m，則工程運行期東湖每天滲漏量約為6.37×104m3，每年調蓄池總滲漏量達233×104m3/a。由于滲漏水量比較大，同時滲漏還造成池周的地下水位抬高，將給湖周的生態環境帶來負面影響。

3.2.2有防滲措施滲流計算

當東湖只采用垂直防滲時，即湖岸采用復合土工膜防滲，湖底不防滲，則東湖每天滲漏量為3.39×104m3，東湖每年的總滲漏量為124×104m3/a。計算結果表明，對湖岸采用土工膜防滲，能有效減小東湖滲漏量，防滲方案滿足設計滲漏量要求，同時能有效控制地下水位。因此，從防滲效果分析，湖岸采用復合土工膜防滲的方案有效可行。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

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2016-03-15