庫(kù)盤土工膜水平防滲在面板堆石壩中的應(yīng)用

胡海濤，趙萬(wàn)強(qiáng)

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000）

庫(kù)盤土工膜水平防滲在面板堆石壩中的應(yīng)用

胡海濤，趙萬(wàn)強(qiáng)

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000）

柯柯亞二庫(kù)壩基為深厚的透水性砂礫石層，樞紐布置上突破了攔河式面板壩基礎(chǔ)垂直防滲的常規(guī)布置，采取土工膜水平全庫(kù)盤防滲布置，并涵蓋了壩頂溢流、壩下埋涵等措施，尤其是庫(kù)盤引洪渠的設(shè)置解決了大壩截流后庫(kù)盤導(dǎo)流及施工期泄洪問題，為平原區(qū)布置攔河式水庫(kù)樞紐工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

庫(kù)盤；土工膜；水平防滲；柯柯亞二庫(kù)

混凝土面板堆石壩和土工膜防滲技術(shù)在水庫(kù)工程建設(shè)中均為較常見的筑壩型式和防滲措施，單純土工膜防滲水庫(kù)以灌注式水庫(kù)居多，近年來(lái)也建成了一些攔河式土工膜防滲水庫(kù)，如新疆木壘縣的博斯塘水庫(kù)等，已建成的攔河式土工膜防滲水庫(kù)壩基均采用混凝土防滲墻等垂直防滲技術(shù)，且河床砂礫石覆蓋層相對(duì)較淺，基礎(chǔ)處理較為簡(jiǎn)單，深厚覆蓋層且強(qiáng)透水地基上修建攔河式水庫(kù)工程仍具有一定的局限性?？驴聛喍?kù)是建于深厚砂礫石覆蓋層上的攔河式砂礫石面板壩，壩體采用混凝土面板砂礫石壩，庫(kù)盤采用土工膜水平鋪設(shè)全防滲，庫(kù)盤土工膜水平鋪設(shè)面積68萬(wàn)m2，土工膜與面板壩趾板相連接，與混凝土面板形成了水庫(kù)完整的防滲體系，結(jié)合了面板壩適應(yīng)變形能力強(qiáng)、土工膜防滲效果好且造價(jià)低廉的特點(diǎn)，取得了較好的效果。柯柯亞二庫(kù)于2014年10月完工，同年11月通過階段驗(yàn)收后下閘蓄水。本工程的建成為壩基不具備垂直防滲條件的攔河式水庫(kù)工程的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 柯柯亞二庫(kù)概況

柯柯亞二庫(kù)是柯柯亞河上的二級(jí)水庫(kù)樞紐工程，位于新疆鄯善縣，距離上游出山口處的柯柯亞水庫(kù)12km，居于河流出山口后的中下游段。柯柯亞二庫(kù)具有工業(yè)供水、城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉等綜合效益，是一項(xiàng)綜合利用水庫(kù)工程?？驴聛喍?kù)為?。?）型工程，總庫(kù)容 945.0萬(wàn) m3，最大壩高27.1m，壩長(zhǎng)2935m，其中主壩長(zhǎng)620m，東副壩長(zhǎng)1283m，西副壩長(zhǎng)1032m。壩型為混凝土面板砂礫石壩，庫(kù)盤采用土工膜全庫(kù)盤水平防滲，土工膜與趾板相連接與壩體面板形成完整的防滲體。

2 庫(kù)區(qū)地質(zhì)概況

柯柯亞二庫(kù)壩址處在柯柯亞河淺寬河段上，位于柯柯亞河中下游地段的河漫灘河床地段，地貌上屬山前沖洪積礫質(zhì)傾斜平原區(qū)，河床東西兩岸發(fā)育有I～Ⅲ級(jí)階地，階地地形較平坦。Ⅲ級(jí)階地在庫(kù)壩區(qū)廣泛分布，表現(xiàn)為沖洪積形成的砂卵礫石堆積地貌，多為高出河床10～15m的臺(tái)地，其中左岸高出河床10m左右，右岸高出河床15m左右。

柯柯亞二庫(kù)在主河道上修建攔河主壩，在東西兩側(cè)沖洪積堆積的臺(tái)地上修建副壩，整個(gè)庫(kù)區(qū)及兩岸均為第四系堆積物所覆蓋，未見基巖出露（據(jù)調(diào)查資料顯示第四系堆積物厚度約為400m）。庫(kù)區(qū)出露的巖性主要有第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石、全新統(tǒng)坡積含土碎石以及全新統(tǒng)沖積砂卵礫石， 結(jié)構(gòu)松散 ～中密， 干密度為2.15～2.19g/cm3。壩基及庫(kù)盤砂卵礫石層的滲透系數(shù)K=1.17×10-3～8.1×10-2cm/s，屬中等～強(qiáng)透水層。

3 樞紐布置型式

柯柯亞二庫(kù)樞紐工程由攔河主壩、東西兩岸副壩、壩頂溢洪道、庫(kù)盤水平防滲土工膜、放水洞和供水管道幾部分組成。受到地形地質(zhì)條件的限制，柯柯亞二庫(kù)樞紐工程建筑物的布置具有一定的局限性，同時(shí)也具有一定的特點(diǎn)。樞紐總體布置平面圖見圖1。

圖1 柯柯亞二庫(kù)樞紐平面布置圖

3.1 面板壩結(jié)合土工膜水平鋪設(shè)全庫(kù)盤防滲布置

柯柯亞二庫(kù)壩址區(qū)為透水性較強(qiáng)的砂卵礫石層，水庫(kù)滲漏是主要問題，既要解決壩體滲漏問題，也要解決庫(kù)盤滲漏問題。由于壩址區(qū)深厚砂礫石層，垂直防滲幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此采取水平防滲的處理方式，經(jīng)多方案比選采用造價(jià)低廉、防滲效果較好的土工膜作為水平防滲材料，全庫(kù)盤鋪設(shè)土工膜68萬(wàn)m2。壩體經(jīng)比選采用混凝土面板砂礫石壩，土工膜與趾板連接，與混凝土面板形成水庫(kù)完整的防滲體。面板壩結(jié)合土工膜水平防滲的布置型式是本工程的一大特點(diǎn)，同時(shí)趾板與土工膜的連接方式與防滲效果成為水庫(kù)防滲的關(guān)鍵點(diǎn)。趾板與土工膜連接見圖2。

3.2 壩頂溢洪道

圖2 趾板與土工膜連接圖

柯柯亞二庫(kù)為攔河式水庫(kù)，雖不承擔(dān)防洪任務(wù)，但仍須宣泄進(jìn)庫(kù)洪水。由于壩址區(qū)地形及地質(zhì)條件限制，不具備布置岸坡溢洪道的條件，因此將溢洪道布置在主壩上，消能方式采用底流消能。壩體溢洪道的關(guān)鍵是減少溢洪道段壩體沉降引起的堰體及泄槽段的變形影響，以及水流拖拽及脈動(dòng)壓力對(duì)泄槽底板抗滑穩(wěn)定的影響。

針對(duì)壩體沉降引起的堰體變形問題，本工程采取三個(gè)方法減少影響。其一是延長(zhǎng)壩體自然沉降時(shí)間，壩體填筑完成自然沉降7個(gè)月后再進(jìn)行壩頂溢洪道的施工；其二是對(duì)溢洪道段壩體提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，壩殼料壓實(shí)后相對(duì)密度由其他壩段的0.8提高至0.9，減少其沉降變形量；其三是泄槽底板采用疊瓦式構(gòu)造，即上段底板末端與下段底板始端結(jié)合部搭接布置，并采用可滑動(dòng)連接，以適應(yīng)槽身的伸縮變形。

針對(duì)泄槽抗滑穩(wěn)定問題，本工程采取鋼筋混凝土錨固加固的方法。利用6m長(zhǎng)的水平鋼筋錨固于壩體內(nèi)，另一端與泄槽底板混凝土相連接，加強(qiáng)泄槽底板的抗滑穩(wěn)定性。泄槽底板錨固見圖3。

3.3 壩下涵洞涵管

壩下埋涵在新疆水利工程中已不鮮見，多承擔(dān)引放水任務(wù)，柯柯亞二庫(kù)壩下涵洞兼有灌溉引水和泄洪功能，涵洞洞身尺寸為3.5m×4.0m，閘井將涵洞分為有壓段和無(wú)壓段兩部分，最大下泄流量為82.5m3/s。

圖3 帶地錨的底板加固形式圖

3.4 庫(kù)盤引洪渠

柯柯亞二庫(kù)為攔河式全庫(kù)盤土工膜防滲工程，原引水灌溉渠道柯柯亞干渠穿越擬建庫(kù)盤，為滿足施工期下游供水和泄洪要求，在庫(kù)盤中部縱向布設(shè)了一道引洪渠（圖4示），引洪渠始端與河床及原柯柯亞干渠相接，末端與灌溉兼泄洪洞相連，貫穿于庫(kù)盤起到連接水流的作用，即解決了施工期下游供水和截流后施工期洪水穿越庫(kù)盤導(dǎo)流的問題，在運(yùn)行期也起到洪水導(dǎo)向作用，將汛期洪水沿引洪渠導(dǎo)向庫(kù)底死水位處，避免洪水漫流對(duì)庫(kù)盤土工膜上墊層造成沖刷。引洪渠典型剖面見圖4。

圖4 引洪渠典型剖面圖

4 防滲體系

柯柯亞二庫(kù)位于透水地基上，防滲體系的成功與否決定著水庫(kù)建設(shè)的成敗。壩體采用混凝土面板防滲，庫(kù)盤采用土工膜防滲。

4.1 壩體面板防滲

本工程壩體分為主壩和副壩，主壩為現(xiàn)澆混凝土面板防滲，東西副壩為分離式面板防滲，面板厚度0.3m。面板壩防滲技術(shù)已較為成熟，在此就不做詳細(xì)介紹。壩體結(jié)構(gòu)圖見圖5。

4.2 土工膜設(shè)計(jì)

柯柯亞二庫(kù)庫(kù)盤基礎(chǔ)為強(qiáng)透水砂礫石層，土工膜是庫(kù)盤唯一防滲層，土工膜設(shè)計(jì)的成敗決定了柯柯亞二庫(kù)設(shè)計(jì)的成敗，土工膜防滲結(jié)構(gòu)包括土工膜、保護(hù)層和支持層。

4.2.1 土工膜厚度的確定

土工膜厚度根據(jù)《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》采用耐水壓力擊破方法計(jì)算，并考慮其他因素確定。

經(jīng)計(jì)算，塑膜厚度為0.54mm，參照已建類似工程選取塑膜厚度為：水頭大于 20m塑膜厚度0.8mm，水頭小于20m塑膜厚度0.6mm。

4.2.2 土工膜選擇

土工膜的選擇包括塑膜厚度和復(fù)合非織造布的選擇，柯柯亞二庫(kù)承擔(dān)城市及工業(yè)供水任務(wù)，因此塑膜和復(fù)合非織造布的材質(zhì)均應(yīng)滿足國(guó)家相關(guān)食品包裝用聚乙烯成型品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，經(jīng)類比類似工程最終選取滌綸短纖非織造布復(fù)合土工膜，規(guī)格為200g/0.8mm/200g和200g/0.6mm/200g。

4.2.3 防滲結(jié)構(gòu)

土工膜防滲結(jié)構(gòu)從上到下依次為膜上保護(hù)層、復(fù)合土工膜、膜下支持層。

（1）膜上保護(hù)層：柯柯亞二庫(kù)膜上保護(hù)層為厚度40cm的砂礫石層，主要起到對(duì)土工膜的壓蓋保護(hù)和防御紫外線輻射作用。

（2）膜下支持層：復(fù)合土工膜是柔性材料，全靠支持層的支撐而存在，支持層應(yīng)使土工膜受力均勻，免受局部集中應(yīng)力的損壞。支持層一般分為兩層，上層為小于5mm的細(xì)粒墊層，厚度一般不超過50mm，下層為一定厚度的級(jí)配砂礫石料，這對(duì)于庫(kù)盤面積68萬(wàn)m2的柯柯亞二庫(kù)來(lái)說(shuō)施工進(jìn)度受到較大影響。因此，施工階段柯柯亞二庫(kù)膜下支持層采用厚度150mm、最大粒徑小于20mm的級(jí)配砂礫石料，并利用耐水壓試驗(yàn)儀進(jìn)行復(fù)合土工膜刺破

圖5 壩體結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明最大粒徑20mm的砂礫石級(jí)配料作為下支持層不會(huì)對(duì)土工膜造成破壞，不會(huì)影響其防滲效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

土工膜防滲在水庫(kù)防滲中的應(yīng)用已屢見不鮮，本文的特點(diǎn)是攔河式混凝土面板壩與土工膜全庫(kù)盤防滲相結(jié)合的樞紐布置型式，集壩頂溢流、壩下埋涵于一身，尤其是引洪渠的布置解決了截流后施工期導(dǎo)流泄洪問題，同時(shí)壩頂溢洪道、副壩分離式面板的布置型式以及膜下支持層采用級(jí)配砂礫石料等均具有一定的特點(diǎn)，為不具備修建山區(qū)水庫(kù)的平原區(qū)透水地基上修建攔河式水庫(kù)樞紐工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］蔣國(guó)澄，等.混凝土面板壩工程［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［2］關(guān)志誠(chéng).混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)與研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［3］張生財(cái)，等.柯柯亞二庫(kù)樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2008.

［4］馬天勝，等.復(fù)合土工膜在博斯塘水庫(kù)面板堆石壩中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2004（06）.

［5］楊照明，等.江巴斯水庫(kù)中土工膜全防滲技術(shù)［J］.水利建設(shè)與管理，2010（09）.

［6］唐新軍，等.榆樹溝水庫(kù)樞紐工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與運(yùn)行情況［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（02）.

［7］鄧銘江，等.新疆壩工建設(shè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

［8］文軍，等.柯柯亞二庫(kù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，2007.

圖4 無(wú)截水環(huán)條件下涵管頂部滲透坡降值變化

4 結(jié)論

在不設(shè)置截水環(huán)條件下，本文對(duì)不同涵管距離下的涵周滲流特征進(jìn)行研究。在研究過程中，通過ABAQUS軟件進(jìn)行有限元?jiǎng)澐趾?，從滲流流速、滲透孔壓、滲透坡降值等方面就不同滲透系數(shù)涵管周圍滲流場(chǎng)的影響進(jìn)行分析。經(jīng)過計(jì)算和分析，得出如下幾點(diǎn)基本結(jié)論：

（1）隨著涵管頂軸線距離的變化，不同滲透系數(shù)下的滲流流速都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且在出口處達(dá)到最大值。

（2）隨著涵管周圍滲透系數(shù)的增加，出口滲流流量呈顯著線性增加特征。

（3）在不同滲透系數(shù)下，隨著上下游距離的變化，滲流孔壓呈現(xiàn)拋物線型降低特征；在各距離值處，涵管頂部滲流孔壓值十分接近。

（4）隨著涵管頂軸線距離的變化，各滲透系數(shù)下的滲透坡降呈顯著增加特征；當(dāng)涵管頂軸線距離小于110.3m時(shí)，各滲透系數(shù)下的滲透坡降值十分接近，不存在顯著差異。

參考文獻(xiàn)

［1］易謝冰.明月水庫(kù)滲流及抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2010（05）：91-93.

［2］王培壽，惠帥先.海南水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化措施［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（12）：103-105.

［3］楊雙龍.有壓輸水隧洞襯砌混凝土澆筑倉(cāng)面滲水處理措施探討［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016（03）：8-9+24.

［4］李宗利，裴向輝，呂從聰，等.隧道透水性襯砌環(huán)滲透系數(shù)合理取值與工程措施探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014（06）：1167-1172.

［5］王春波，丁文其，劉書斌，等.各向異性滲透系數(shù)隨應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014（S1）：3015-3021.

［6］王軍祥，姜諳男，宋戰(zhàn)平.巖石彈塑性應(yīng)力-滲流-損傷耦合模型研究（I）：模型建立及其數(shù)值求解程序［J］.巖土力學(xué)，2014（S2）：626-637+644.

［7］李少龍，張家發(fā)，楊金忠.滲透系數(shù)空間相關(guān)性對(duì)滲流場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征影響分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009（10）：17-20.

［8］劉武，陳益峰，胡冉，等.基于非穩(wěn)定滲流過程的巖體滲透特性反演分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（02）：362-373.

［9］于厚文，谷鳳濤.長(zhǎng)大重力流輸水隧洞與輸水管道連接型式論述［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016（03）：88-91.

TV441

B

1672-2469（2017）02-0104-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.033

2016-05-13

胡海濤（1976年—），男，高級(jí)工程師。