山區(qū)水庫(kù)庫(kù)盤土工膜防滲的適用性與防滲方案研究

武 清

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

對(duì)于某些小型水庫(kù)或引水注入式平原水庫(kù)，由于壩址和庫(kù)盤條件限制，為了降低工程投資，只能選擇在出山口以后河段或利用天然洼地，或截?cái)鄾_溝埡口圍壩擋水蓄庫(kù)，庫(kù)壩區(qū)多為山前大厚度的第四系沖洪積透水地層，庫(kù)盤和壩基防滲問(wèn)題均較突出。不乏徹底解決水庫(kù)大范圍滲漏的工程應(yīng)用，例如平原水庫(kù)或抽水蓄能電站做全庫(kù)盤土工膜防滲。但對(duì)于山區(qū)及丘陵區(qū)攔河筑壩水庫(kù)，庫(kù)盤土工膜防滲應(yīng)用和研究較少。也有山區(qū)攔河水庫(kù)在施工期遭遇洪水，對(duì)庫(kù)盤土工膜防滲結(jié)構(gòu)造成沖刷和地下水頂托破壞的工程實(shí)例。由于山區(qū)水庫(kù)地層結(jié)構(gòu)的差異及地下潛水的存在使得工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采用庫(kù)盤防滲結(jié)構(gòu)可能會(huì)存在地下水頂托的影響，汛期地下潛水上升或溢出地表，以及施工期和空庫(kù)條件下頂托作用尤為明顯，甚至?xí)茐姆罎B結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合小龍口水庫(kù)庫(kù)區(qū)地下水的出溢流量監(jiān)測(cè)以及水文地質(zhì)條件的分析，對(duì)山區(qū)攔河水庫(kù)庫(kù)盤土工膜防滲自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及其適用性進(jìn)行了研究。結(jié)合分區(qū)域的防滲要求和壩址地層結(jié)構(gòu)的分析，在滿足大壩滲流穩(wěn)定和安全運(yùn)行的前提下，提出了針對(duì)性且適合的壩基垂直防滲方案。

1 工程和地質(zhì)概況

1.1 工程概況

小龍口水庫(kù)壩址選擇在庫(kù)盤地形和徑流條件較好的出山口丘陵地帶河段上，壩址多年平均年徑流量為1204萬(wàn)m3。水庫(kù)總庫(kù)容227萬(wàn)m3，正常蓄水位917m。工程由攔河主壩、右岸副壩、放水涵洞、壩上溢洪道以及引水入庫(kù)兼導(dǎo)流渠等建筑物組成。根據(jù)壩址庫(kù)區(qū)的地形地質(zhì)條件，主壩段垂直于河道布置，采用分離式素混凝土面板砂礫石壩壩型，最大壩高25.0m，右岸副壩段采用土工膜斜墻防滲砂礫石壩壩型，最大壩高5.5m。

水庫(kù)前期勘探庫(kù)盤范圍為第四系全新統(tǒng)(Q4)強(qiáng)透水的砂卵礫石地層，初步設(shè)計(jì)推薦采用防滲效果較好的復(fù)合土工膜全庫(kù)盤防滲方案。考慮庫(kù)區(qū)位于泉水溢出帶，岸坡和庫(kù)底膜下均設(shè)置了縱橫向的排水暗渠，膜上設(shè)置了0.6～1.5m的砂礫石保護(hù)層。

水庫(kù)開(kāi)工后對(duì)庫(kù)盤進(jìn)行了清理，并修建了入庫(kù)兼導(dǎo)流渠及放水涵洞，此時(shí)庫(kù)盤土工膜尚未鋪設(shè)。在將入庫(kù)導(dǎo)流渠臨時(shí)開(kāi)挖排水溝回填后，即發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流明渠兩側(cè)有滲水明流溢出，相應(yīng)襯砌混凝板板塊間發(fā)現(xiàn)了3處較為明顯的錯(cuò)動(dòng)變形，變形量為3～8cm，分析為渠下地下潛水頂托所致。隨即對(duì)庫(kù)盤補(bǔ)充了詳細(xì)的地勘工作，并開(kāi)展了深入的水文地質(zhì)條件分析。

1.2 地形地質(zhì)條件

水庫(kù)壩址屬構(gòu)造堆積地貌，河谷寬130～250m，河床縱坡2.5%～2.7%。左岸岸坡坡度在10°～40°之間，低洼平坦處，受出露泉水滲流影響，已產(chǎn)生沼澤濕地化現(xiàn)象。

施工期進(jìn)一步揭露庫(kù)壩區(qū)表層出露巖性主要為第四系礫質(zhì)土及卵礫石層，下部為巨厚的新近系N2礫巖，其埋深自岸坡向河床逐漸變深。其中主壩左岸礫質(zhì)土直接出露于岸坡表層，層厚在1.5～5.0m，其下為大厚度的新近系礫巖，以砂、泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)層厚0.2～0.6m，分布不連續(xù)。

河床段表層出露4.7～5.0m厚卵礫石層，孔隙以砂質(zhì)填充為主，局部夾薄層礫質(zhì)土及砂層透鏡體，約占9.7%～27.3%。礫巖分布于全新統(tǒng)卵礫石層之下，勘探深度80m未揭穿，泥巖層占比平均值為18.5%。副壩段位于河床右岸Ⅱ級(jí)階地之上，出露巖性為礫質(zhì)土、卵礫石層及礫巖。

根據(jù)鉆孔抽(壓)水試驗(yàn)，礫質(zhì)土及粉土層滲透系數(shù)為2.5×10-4～5.2×10-5cm/s，具中等-弱透水性；卵礫石層滲透系數(shù)為3.13×10-2～5.4×10-3cm/s，平均值為1.1×10-2cm/s，具有強(qiáng)透水性；礫巖層滲透系數(shù)為6.3×10-3～4.6×10-5cm/s，平均值為5×10-4cm/s，具有中等透水性；礫巖層中分布多層透鏡體狀泥巖層，試驗(yàn)滲透系數(shù)3.6×10-5～5.4×10-6cm/s，為弱透水層。

2 庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件分析

工程場(chǎng)區(qū)地下水主要賦存于河床及岸坡階地之下的第四系砂卵礫石及礫巖地層，地下水位埋深0～2.0m，在砂卵礫石地層中以潛流的形式補(bǔ)給下游，并以泉水的形式出露于岸坡。

其中河谷右岸庫(kù)尾發(fā)育有一條較大的支溝，泉水主要匯流入支溝集中出露，實(shí)測(cè)泉水流量約10.4L/s。河谷左岸地形相對(duì)開(kāi)闊平緩，泉水在岸坡上以水平向條帶狀出露，出露點(diǎn)主要分布于壩址區(qū)附近及左岸岸坡礫巖層之上的砂卵礫石層面，出溢影響帶高程在920～925m之間，呈水平向略微傾向下游，影響長(zhǎng)度約0.8km，在壩址斷面附近泉水出露點(diǎn)高程為913～915m，略低于水庫(kù)正常蓄水位，單泉流量最大約2～3L/s，經(jīng)岸坡漫流最終匯流至河床中，分區(qū)實(shí)測(cè)左岸泉水合計(jì)出露流量為20.23L/s。

由于布置的入庫(kù)渠為全挖方渠道，施工期庫(kù)底清理和開(kāi)挖致使局部渠段渠底低于地下水位，導(dǎo)致潛流溢出地表，分區(qū)實(shí)測(cè)河底地下潛流出溢地表流量為25.06L/s。

從庫(kù)盤水文地質(zhì)條件分析，庫(kù)址位于該河段泉水出溢較為集中的區(qū)域，說(shuō)明庫(kù)區(qū)兩岸及庫(kù)底地下潛水和泉水出溢流量較大。庫(kù)盤及岸坡卵礫石層下部為礫巖層，并存在泥巖夾層透鏡體，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)泉水和地下水的溢出，說(shuō)明礫巖層具有相對(duì)隔水層的作用。

3 庫(kù)區(qū)滲水溢出對(duì)庫(kù)盤防滲結(jié)構(gòu)的影響分析

小龍口水庫(kù)左岸泉水溢出帶下部為礫巖層，阻止了地下水的入滲，泉水溢出帶出露位置高，涉及岸坡影響范圍較長(zhǎng)，布置縱橫向排水設(shè)施工程量大，且岸坡垂直落差10～18m，極易沿排水暗渠集聚水頭對(duì)庫(kù)盤鋪膜產(chǎn)生頂托破壞，土工膜防滲結(jié)構(gòu)自身也不穩(wěn)定。因此左庫(kù)岸邊坡不宜采用大面積的鋪蓋式防滲措施。

庫(kù)盤底部從庫(kù)尾到主壩斷面長(zhǎng)近800m，最大落差22m，由于河道原有縱坡及自然落差的存在，布置縱橫向排水暗渠很容易隨著水流的集聚，而對(duì)庫(kù)盤鋪膜產(chǎn)生頂托作用，不利于防滲結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，在施工期和水庫(kù)初期蓄水期為最不利工況。已發(fā)生的入庫(kù)導(dǎo)流渠襯砌混凝土板的錯(cuò)動(dòng)變形即說(shuō)明問(wèn)題。結(jié)合實(shí)測(cè)滲水量監(jiān)測(cè)，經(jīng)復(fù)核計(jì)算原設(shè)計(jì)方案膜下設(shè)置的匯流排導(dǎo)措施，布置范圍和斷面設(shè)計(jì)不能滿足實(shí)際排水要求。為了滿足排水效果宜采用鋪蓋式排水措施，但對(duì)工程投資和施工工期均有顯著影響。若增加膜上保護(hù)層厚度或蓋重，則會(huì)進(jìn)一步增加土方開(kāi)挖，甚至占用水庫(kù)有效庫(kù)容，對(duì)于小型水庫(kù)而言則會(huì)影響水庫(kù)效益的正常發(fā)揮。

庫(kù)址位于該河段泉水出溢較為集中的區(qū)域，排水體長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性難以準(zhǔn)確把握，庫(kù)盤地下水對(duì)膜可能造成的頂托，勢(shì)必會(huì)影響庫(kù)盤防滲結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。并且排水體位于防滲膜下部，若在施工中存在質(zhì)量缺陷，則排水體極易成為集中滲漏通道，對(duì)水庫(kù)蓄水也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

新疆某山區(qū)攔河水庫(kù)庫(kù)盤為大厚度強(qiáng)透水的砂卵礫石地層，設(shè)計(jì)采用庫(kù)盤復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)，在施工階段汛期導(dǎo)流期間即因?yàn)榈叵聺摿鞯膮R集和抬升，導(dǎo)致入庫(kù)渠襯砌混凝土板及庫(kù)盤土工膜產(chǎn)生地下水頂托而大面積沖毀。國(guó)外較早建成的塔貝拉壩采用水平鋪蓋防滲，運(yùn)行20a經(jīng)多次維修才基本處于安全狀態(tài)，其運(yùn)行管理中大量持續(xù)的維修工作量不利于工程的運(yùn)行管理。

基于上述分析認(rèn)為，該工程采用全庫(kù)盤土工膜防滲結(jié)構(gòu)存在地下水頂托破壞的安全風(fēng)險(xiǎn)，庫(kù)盤土工膜防滲措施不適用于庫(kù)區(qū)位于泉水溢出帶、地下水位埋藏淺、庫(kù)底和岸坡縱坡較大的水庫(kù)作全庫(kù)盤或水平防滲措施考慮。

4 分區(qū)防滲措施分析

經(jīng)實(shí)測(cè)流量估算，不考慮河床地下潛流的影響，僅庫(kù)區(qū)兩岸每年泉水溢出量就達(dá)96.6萬(wàn)m3，占全年年徑流量的8%。該水庫(kù)庫(kù)區(qū)兩岸岸坡采取防滲措施反而會(huì)減少泉水入庫(kù)水量，也不利于岸坡的整體穩(wěn)定。左庫(kù)岸礫巖層出露高程大部分位于水庫(kù)正常蓄水位以上，只在壩址斷面低于庫(kù)水位1.5～3.5m，在左壩肩存在繞壩滲漏的集中滲漏通道。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，分區(qū)設(shè)計(jì)上可對(duì)砂礫石夾層在壩址斷面采用垂直封閉防滲處理措施，向岸坡延伸長(zhǎng)度需經(jīng)滲流和滲漏量的分析計(jì)算綜合確定；右?guī)彀度绯黾性谥蟽?nèi)，宜采用截滲和排導(dǎo)措施使其入庫(kù)。

同時(shí)分析認(rèn)為，可以利用壩基下伏以及岸坡出露的礫巖層作為相對(duì)不透水層，通過(guò)庫(kù)區(qū)滲流和滲漏敏感性分析，在不影響水庫(kù)效益和滿足壩基滲透穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提出主副壩采用壩基垂直防滲方案，以避免庫(kù)盤鋪膜存在的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

新疆大石門水利樞紐工程庫(kù)區(qū)左岸存在寬2.6km的古河道，古河道內(nèi)沉積了深厚的Q2泥質(zhì)半膠結(jié)砂卵礫石地層，底部基巖面低于正常蓄水位205m。根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)庫(kù)區(qū)左岸進(jìn)行的三維滲流計(jì)算成果及敏感性分析表明，通過(guò)增加帷幕長(zhǎng)度的方式對(duì)于減少水庫(kù)滲漏、降低下游出溢水力坡降作用明顯，經(jīng)方案比較在古河道左岸推薦采用只封閉570m的帷幕灌漿垂直防滲處理方案。[4]

綜合以上分析，小龍口水庫(kù)庫(kù)區(qū)左、右岸坡不宜做鋪蓋式防滲處理。由于泉水溢出量較大，強(qiáng)透水層出露位置較高，分區(qū)上防滲的意義不大。河床壩基存在強(qiáng)透水地層，但厚度不大，水庫(kù)滲漏量及壩基滲透穩(wěn)定也容易控制，采用沿主副壩壩基垂直防滲方案，相較庫(kù)盤水平防滲方案不存在防滲結(jié)構(gòu)破壞的安全風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，垂直防滲形式上結(jié)合主壩混凝土面板和副壩土工膜斜墻防滲，在前壩坡坡腳位置采用槽孔混凝土防滲墻的施工技術(shù)方案，其施工質(zhì)量更容易控制。左岸泉水溢出帶在壩址斷面存在繞壩滲流的卵礫石夾層，采用壩基防滲墻向岸坡的延伸方案，以防止繞壩滲流對(duì)壩體及下游岸坡的滲流破壞為原則。

5 壩基垂直防滲深度及左岸延伸長(zhǎng)度的確定

小龍口水庫(kù)為雙層結(jié)構(gòu)壩基，河床及岸坡表層出露砂卵礫石地層最大厚度為5.0m，下伏礫巖層滲透系數(shù)取值為5×10-4cm/s，小于上覆砂卵礫石地層滲透系數(shù)約1/100，可視為相對(duì)不透水層。地質(zhì)建議砂卵礫石層允許滲透比降為0.12，礫巖層允許滲透比降為0.21，礫質(zhì)土允許滲透比降為0.3。因此壩基垂直防滲設(shè)置深度按深入相對(duì)不透水層5m及壩高的2/3和最大壩高來(lái)擬定，垂直防滲范圍為主壩段0-050～0+300及副壩0+000～0+285處。滲流分析主壩分別按垂直防滲深度10、16和25m 3個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，副壩統(tǒng)一按防滲深度10m設(shè)計(jì)，左岸岸坡防滲墻壩頂以外延伸長(zhǎng)度統(tǒng)一按50m考慮。

滲流計(jì)算和對(duì)比分析成果表明，增加防滲墻的設(shè)置深度，能夠降低下游溢出部位的水力坡降，減少水力坡降超過(guò)卵礫石層允許滲透比降的出溢范圍，同時(shí)也表明N2地層滲透系數(shù)越小，通過(guò)加深防滲墻深度的方式來(lái)減少出溢比降的作用越小。但考慮地層結(jié)構(gòu)的差異性，壩后坡腳及出溢范圍宜設(shè)排水和反濾保護(hù)。

在主壩防滲墻深度16m、副壩10m條件下，主副壩壩基及左岸岸坡溢出點(diǎn)滲透比降均小于卵礫石土體的允許滲透比降，壩體和壩基滲透穩(wěn)定滿足要求。相應(yīng)壩基滲漏量為39.7萬(wàn)m3，約占水庫(kù)總庫(kù)容的17.4%，小于庫(kù)區(qū)的泉水入庫(kù)水量，水庫(kù)滲漏量可控制在允許范圍。其中壩基滲漏量中卵礫石層的滲漏量為34.1萬(wàn)m3，為主要的滲漏地層。該方案較原設(shè)計(jì)庫(kù)盤土工膜防滲方案減少投資177萬(wàn)元，約占總投資的1.8%，其安全性和可靠性更優(yōu)。

6 結(jié)論

庫(kù)區(qū)滲漏條件和地層結(jié)構(gòu)的判定是決定水庫(kù)防滲型式選擇的關(guān)鍵，前期工程地質(zhì)勘察深度和水文地質(zhì)條件分析對(duì)于庫(kù)盤防滲型式的選擇至關(guān)重要。對(duì)于有地表徑流和地下潛流匯集的山區(qū)或丘陵區(qū)攔河水庫(kù)，選擇庫(kù)盤防滲型式尤其要慎重，其結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定會(huì)對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

本文只針對(duì)山區(qū)攔河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件的影響，進(jìn)行了相關(guān)分析和研究。而入庫(kù)水流及推移質(zhì)泥沙沖刷對(duì)庫(kù)盤土工膜防滲結(jié)構(gòu)的影響，在小龍口水庫(kù)不突出，限于篇幅本文未進(jìn)行深入研究和探討，留待今后結(jié)合工程實(shí)例再進(jìn)行總結(jié)。