黏土心墻和土工膜在水庫增容工程防滲設(shè)計中的對比研究

匡 鼎

(新疆兵團勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司 云南分院，昆明 650000)

1 概 述

近年來，國內(nèi)水利工程建設(shè)得到快速發(fā)展，同時也面臨著對已建工程進(jìn)行除險、加固和增容等問題，以滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要[1-2]。滲漏是水利工程最主要的危險因素之一，壩基、壩體以及溢洪道等建筑滲漏是比較常見的滲漏形式，應(yīng)做好防滲設(shè)計工作，以確保水利工程的安全與穩(wěn)定運行[3-4]。

尹天祥在處理黃土和土石山區(qū)的水庫增容設(shè)計過程中提出，在溢洪道上增設(shè)簡單高效的迷宮堰來達(dá)到增容效果，并能達(dá)到防滲要求[5]。崔亞軍等對增容圍堤的填筑土料進(jìn)行了土力學(xué)試驗，提出了相應(yīng)級配下的最佳防滲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[6]。趙學(xué)輝等在菩薩廟水庫增容方案設(shè)計時，探討了抬高不同高度水位下的可行性和經(jīng)濟性[7]。艾海提江·艾木拜爾則對復(fù)合土工膜在水庫除險加固防滲設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了分析探討，認(rèn)為復(fù)合土工膜具有較好的防滲效果[8]。

本文以某增容工程為例，利用數(shù)值分析軟件，對比分析土工膜和黏土心墻在防滲設(shè)計中的滲流穩(wěn)定特性，并將兩種方案的工程投資作對比。在考慮綜合影響因素下，建議選用土工膜進(jìn)行本水庫工程的增容防滲材料。

2 水庫概況及防滲設(shè)計必要性

2.1 水庫概況

該水庫控制流域面積約為28 km2，呈闊葉狀形式分布，河道平均比降0.025 8。現(xiàn)水庫的興利庫容為186×104m3,調(diào)洪庫容約為102×104m3，總庫容達(dá)到302×104m3。水庫主要作用為防洪，同時兼顧周邊城鎮(zhèn)居民的供水，日供水量僅為0.23×104m3，不能滿足2020年設(shè)計水平年下的需求水量。為了減輕下游河道的防洪壓力，同時滿足周邊城鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)發(fā)展對用水量不斷增長的需要，改善沿河流域的生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，決定對該水庫進(jìn)行擴建增容工程。

2.2 防滲設(shè)計必要性

設(shè)計擴建水庫庫容總量為1 020×104m3，水位為317.25 m，對應(yīng)興利庫容為800×104m3，相應(yīng)水位為314.22 m，設(shè)計洪水位、校核洪水位及死水位分別約為318.23、319.22和289.90 m。由于原水庫壤土心墻滲透系數(shù)偏大(7.1×10-5cm/s)，根據(jù)計算，已經(jīng)不能滿足增容過后的設(shè)計規(guī)范要求，對滲透穩(wěn)定及安全運營具有重要影響，因此需要對原壤土心墻及增容后的壩體進(jìn)行新的防滲處理。工程設(shè)計時，擬采用兩種方案進(jìn)行處理：①黏土心墻土石壩；②復(fù)合土工膜斜墻土石壩。具體的壩體布置示意圖見圖1。

圖1 兩種方案布置示意圖

3 方案分析結(jié)果對比

3.1 滲流分析

根據(jù)本次設(shè)計使用材料的性質(zhì)及地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，黏土心墻壩各分區(qū)材料的滲透系數(shù)值見表1。采用GEO-studio數(shù)值模擬分析軟件對壩體進(jìn)行滲流分析，分別得到兩種防滲方案下死水位、興利水位、設(shè)計洪水位以及校核洪水位下的等勢線，見圖2和圖3。

表1 各分區(qū)滲透系數(shù)統(tǒng)計表

從圖2可以看到，在死水位情況下，浸潤線基本沿著壩體底部，隨著水位的升高，浸潤線在原壩體、新筑上游壩殼以及黏土心墻區(qū)的位置不斷升高，最終基本與心墻下游分界線重合，而在下游新筑壩體區(qū)內(nèi)，等勢線則基本沿著壩底的趨勢變化。圖3表明，當(dāng)水位超過原壩殼高度后，等勢線基本是沿著土工膜的布置變化，通過砼防滲墻后，才逐步沿著壩體降低。

圖2 黏土心墻等勢線數(shù)值模擬分析

圖3 土工膜等勢線數(shù)值模擬分析

分析得到的滲流結(jié)果見圖4。圖4表明，隨著水位的升高，大壩的滲流量逐漸增大，黏土心墻下的出逸比降呈對數(shù)型增加，而土工膜的出逸比降則相差不大。對比兩種方案下的滲流量和出逸比降可以發(fā)現(xiàn)，采取兩種方案的防滲措施后，在各工況下的大壩滲流情況滿足設(shè)計需求，但在同等工況下，黏土心墻的滲流量和出逸比降均較土工膜小。

圖4 滲流分析結(jié)果

3.2 穩(wěn)定分析

利用GEO-studio軟件中的畢肖普分析法，對兩種方案下不同工況的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，工況分為正常運用和非正常運用。正常運用包括死水位、興利水位以及設(shè)計洪水位；非正常運用包括施工期、校核洪水位、水位降落工況1(由校核水位降為興利水位，下游水位為285.48 m)以及水位降落工況2(由校核洪水位降為興利水位，下游水位為285.48 m)，計算分析結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定計算分析成果表

從表2中可以看到，不管是黏土心墻方案還是土工膜方案，其在正常與非正常情況下所能承受的有效應(yīng)力值均大于規(guī)范允許的最小承受力，表明兩種防滲方案均能滿足壩坡的穩(wěn)定性要求。

3.3 經(jīng)濟性分析

投資控制是工程建設(shè)中比較重要的一環(huán)，因此需要對兩種方案的投資指標(biāo)進(jìn)行對比分析。經(jīng)計算，方案一黏土心墻壩的土石方及拆除工程需要3 256萬元，砌石工程需772萬元，其它工程及材料調(diào)差分別預(yù)算為156及870萬元，總計投資預(yù)算為5 054萬元；方案二土工防滲設(shè)計土石方及拆除工程、砌石工程、砼及鋼筋砼工程、基礎(chǔ)處理工程分別需2 368、669、40及259萬元，其它工程和材料調(diào)差分別為239及892萬元，總工程預(yù)算為4 467萬元。可見，土工膜防滲設(shè)計方案具有更高的經(jīng)濟性，其工程投資可較黏土心墻節(jié)省約600萬元。

3.4 討 論

通過對兩種方案的滲流穩(wěn)定分析及經(jīng)濟性比較可以看出，無論是黏土心墻壩還是土工膜設(shè)計，其防滲效果和壩體穩(wěn)定性均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，這種情況下就需要對經(jīng)濟性、安全性以及工程施工綜合等作為主要的選定依據(jù)。由上文分析可以看到，土工膜的工程投資預(yù)算較黏土心墻方案減少約600萬元，這主要是由于土工膜方案利用人工材料作為防滲體，對壩體料材料的性能要求不高，能充分利用庫區(qū)的土料，節(jié)省了大量的運輸和轉(zhuǎn)運費用；同時還能大大節(jié)省施工工期，減少人員設(shè)備的投入。因此，從技術(shù)、經(jīng)濟、安全整體考慮，認(rèn)為土工膜方案優(yōu)于黏土心墻方案。

4 結(jié) 論

黏土心墻和土工膜是較為常用的防滲設(shè)計方案，基于某水庫增容工程，對兩種方案的技術(shù)、安全和經(jīng)濟性做了對比分析。分析結(jié)果表明，兩種方案均能滿足滲流穩(wěn)定要求，但后者較前者具有更高的工程投資經(jīng)濟性，同時能大大縮短施工工期，因而建議選用土工膜對本增容工程進(jìn)行防滲設(shè)計。